1000MW超超临界褐煤锅炉燃烧技术研究

摘要

超超临界发电技术效率高，环保性能好，是当今世界洁净煤发电的主流技术之一。我国褐煤资源丰富，近年来动力用煤中褐煤的比例不断增加，但国内外都缺乏在1000MW等级锅炉上燃用我国年老褐煤的经验。因此，开发研制燃用我国褐煤的1000MW超超临界锅炉具有重要的现实意义和广阔的市场前景。国家“十一五”863计划立项开展了“1000MW超超临界褐煤锅炉关键技术研究”。1000MW超超临界锅炉广泛采用双切圆的燃烧方式，在炉内形成“冷、热角”，而褐煤灰熔点较低，极易在热角区域发生结渣。另一方面，褐煤锅炉的容积热负荷较低，炉膛尺寸较大，这将增大炉膛出口的烟气热偏差。本文针对这两个问题，采用理论分析、冷态单相流动试验和锅炉热态数值模拟等方法开展研究，并提出解决方案。
　　采用数值模拟的方法对一台双切圆燃烧方式的1000MW超超临界褐煤锅炉炉膛出口热偏差进行研究，分析炉膛上部各种受热面热偏差的成因和特点。屏式辐射受热面的辐射热负荷分布与炉膛横截面尺寸有关，通常呈双峰分布，位于左、右两个半炉膛中心位置的管屏壁面热负荷最高；对于辐射-对流受热面，其中间区域烟气速度的叠加导致了较大的烟气回流区，烟气温度与速度最大值均出现在水平烟道中下部靠近两侧的位置；对流受热面热负荷的分布受流场速度分布影响最大，温度最大值也位于两侧墙附近，但截面温度分布相对均匀。对于这些受热面，烟气速度对截面热负荷分布影响很大，受热面上的热偏差与炉膛出口烟气残余旋转有很大关系。
　　建立单相冷态试验台，运用冷态试验和1000MW超超临界褐煤锅炉热态数值模拟相结合的方法考察锅炉的燃尽风速、燃尽风水平摆角和部分燃尽风竖直摆角等因素对炉内空气动力场、炉内煤粉燃烧、烟气成分分布以及炉膛出口热偏差等方面的影响。研究结果表明，燃尽风比例的增加有利于空气分级燃烧的效果，但同时也会增大炉膛出口的烟气速度峰值，不利于烟气参数分布的均匀性，最佳燃尽风速为60m/s；燃尽风适当的反切摆动可以增强流场的湍动程度，弱化炉内烟气对前墙热角壁面的冲刷，大幅减小流场的旋转动量，有效减小烟气热偏差，最佳反切角度为10°；部分燃尽风喷口竖直向下摆动可以降低炉膛出口各截面上的速度最大值，并改变高速区的位置，但并不能有效减小整个水平烟道内的烟气热偏差，最佳摆动角度为竖直向下摆动10°。
　　对炉内主燃区壁面的结渣趋势进行研究，发现易发生结渣的区域位于各燃烧器射流末端对同侧壁面的冲刷区域，上、下组燃烧器之间区域，上组燃烧器与燃尽风之间区域以及前墙壁面热角区域。后墙壁面热角区域并无明显结渣现象。前墙热角易发生结渣的主要原因是炉内的流场呈斜椭圆形，导致高温煤粉射流冲刷前墙壁面，而通过对炉膛冷角的一次风喷口进行反切，并不能十分有效地减轻煤粉结渣问题。
　　研究结果表明，双切圆锅炉炉内斜椭圆形流场产生的根本原因在于燃烧器的非正方形布置与各燃烧器射流的不同程度偏斜。通过理论分析得到影响燃烧器射流偏斜的经验公式和关键因素，并对射流速度比值、射流冲击位置和射流冲击角度等因素进行试验验证。针对这些影响因素提出了一些工程实践中的优化和改造措施。
　　提出半墙式半角式的燃烧器布置形式，搭建冷态试验台，对炉内的空气动力场进行测量，并与墙式燃烧器布置形式对比。同时通过数值模拟的方法对两种燃烧器布置形式下的炉内燃烧过程和壁面结渣趋势进行对比。对比结果证明，燃烧器采用半墙式半角式布置方式后，基本解决了斜椭圆形流场和前墙热角壁面结渣的问题，但形成的切圆流场偏向炉膛侧墙，且气流对部分壁面的冲刷情况有所加剧，整个流场的旋转动量增大，导致炉膛出口的烟气热偏差增大。
　　通过整体调节燃烧器射流角度，对半墙式半角式燃烧器布置形式锅炉内的切圆流场位置进行优化，得到了更合理的流场分布并更有效的改善了各个炉膛壁面的结渣情况。通过反切燃尽风的方式来改善该燃烧器布置形式下炉膛出口的热偏差现象。由于主气流旋转动量较大，故燃尽风反切角度较大时也未在炉内形成气流反旋现象，燃尽风最佳反切角度为10°。
　　本文研究结果解决了双切圆超超临界褐煤锅炉炉膛出口热偏差和炉内主燃区热角壁面结渣的问题，对该类锅炉工程设计具有重要的指导意义。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景以及研究的目的和意义

1.2 超超临界褐煤锅炉中存在的问题

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 1000MW超超临界褐煤锅炉燃烧技术研究方法

2.1 研究对象

2.2 单相流动特性试验系统及试验方法

2.3 炉内燃烧过程的数值计算方法

2.4 炉内结渣趋势预测方法

2.5 本章小结

第3章 双切圆锅炉上部受热面热偏差研究

3.1 四角切圆锅炉炉膛出口热偏差研究

3.2 双切圆锅炉辐射受热面热偏差研究

3.3 双切圆锅炉辐射-对流受热面热偏差研究

3.4 双切圆锅炉对流受热面热偏差研究

3.5本章小结

第4章 燃尽风参数对炉内燃烧过程和炉膛出口热偏差的影响

4.1 燃尽风速对炉内空气动力场影响的试验研究

4.2燃尽风速对炉内热态过程影响的数值研究

4.3燃尽风水平摆动对炉内空气动力场影响的试验研究

4.4燃尽风水平摆动对炉内热态过程影响的数值研究

4.5 燃尽风喷口竖直摆动对炉内速度场影响的数值研究

4.6本章小结

第5章 炉内结渣情况分析及改善方法探究

5.1 主燃区炉膛壁面结渣趋势研究

5.2 一次风反切对炉内斜椭圆形流场改善情况的研究

5.3 燃烧器射流偏斜基础研究

5.4 燃烧器射流偏斜理论研究

5.5 部分因素对燃烧器射流偏斜影响的试验研究

5.6 本章小结

第6章 半墙式半角式燃烧器布置形式研究

6.1 半墙式半角式燃烧器布置形式介绍

6.2半墙式半角式与墙式燃烧器布置形式锅炉对比

6.3 半墙式半角式燃烧器布置形式锅炉燃尽风反切优化

6.4 本章小结

结论

本文创新点

研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历