纯氧在电站锅炉点火及稳燃过程中的助燃特性研究

摘要

我国是一个石油资源匮乏的国家，每年都需大量进口石油。电站锅炉在冷态启动和低负荷稳燃过程中消耗了大量的石油，因此探索新的电站锅炉节油技术具有十分重要的现实意义。
　　针对上述问题，本文提出了“以氧代油”的应对方法，将氧气引入到电站锅炉煤粉气流的着火过程中，充分发挥氧气强烈的助燃性能，改善煤粉气流着火特性，实现减少电站锅炉燃油消耗量的目的。
　　本文的主要研究内容和结论如下:
　　一、对煤粉气流在特定氧气氛围下的富氧燃烧理论进行了研究。主要从四个方面展开:(1)利用数学模型计算了氧气浓度对煤粉气流着火方式的影响，研究结果表明氧气浓度的提高将使得煤粉气流的着火方式从均相着火向非均相着火转变。(2)推导出煤粉气流着火所需加热时间的计算公式，计算结果表明燃油火焰温度从1000℃上升到2000℃时，煤粉着火所需的加热时间减少了80％，证明了利用氧气助燃提高火焰温度是减少煤粉着火所需时间的有效方法。(3)分析煤粉燃烧反应速率常数和反应温度、氧气浓度之间的关系，研究结果表明当火焰温度从1000℃升高到2000℃时，柴油的燃烧反应速率常数k增加了11.56倍，证明了利用氧气提高火焰温度是加快燃料燃烧速度的有效方法。(4)分析比较氧气浓度对煤粉气流着火热的影响，结果表明煤粉在纯氧氛围下燃烧所需的着火热约为在空气氛围下的1/2。
　　二、提出了高温氧气点火方法。该方法在特殊设计的高温氧气发生器内用极少量燃油将氧气加热至最高1480℃的高温状态，然后将高温氧气送入到点火燃烧器中直接点燃劣质煤煤粉气流。本文采用了热态点火实验和数值模拟的方法验证了该方法的可行性与有效性。在热态实验部分，首先重点研究了高温氧气发生器的性能特点，然后以山西晋中贫煤和阳泉无烟煤作为实验煤种，完成了多种工况下的煤粉点火实验，证明了高温氧气可以直接点燃劣质煤煤粉气流，并给出了最佳的高温氧气点火热源参数。在数值计算部分，首先对高温氧气发生器进行了模拟，给出了速度场、温度场、氧气浓度场等主要参数的分布特征，然后以阳泉无烟煤为研究对像，对该煤种的多个实验工况进行了数值模拟计算，从理论角度证明了高温氧气点火方法是可行的和有效的。
　　三、研究了高温氧气点火方法在W火焰锅炉的使用情况。该部分内容采用的是数值计算的研究方法。主要模拟了W火焰锅炉旋风筒燃烧器的点火特性，总结出了旋风筒点火燃烧器的性能特点，证明了高温氧气可以直接点燃W型火焰锅炉的无烟煤煤粉气流，为该类型锅炉的节油点火提供了一种新的有效方法。
　　四、提出了超高温火焰点火方法。该方法的特点是将部分纯氧直接助燃柴油，生成温度可高达1895℃的超高温纯白色火焰，并将其余氧气加入到煤粉气流中形成富氧煤粉气流，然后用超高温火焰点燃富氧煤粉气流。本文用热态实验的方法，研究了超高温火焰发生器的性能特点，揭示了火焰温度和油氧流量的内在关系。然后以燃用劣质煤的300MW前后墙对冲锅炉为应用对象，介绍了该方法的实际使用情况，总结出了最佳煤粉浓度范围和煤氧流量的合理值。最后对锅炉的冷态启动进行了性能测试，较低的飞灰含碳量和合理的锅炉升温升压速率证明了该方法能够满足劣质煤锅炉的冷态点火启动的需要。
　　五、提出了以氧代油稳燃方法。该方法将纯氧送入到燃烧器内的浓测煤粉气流中，形成局部富氧氛围，改善煤粉气流的着火性能，实现锅炉在低负荷工况下的无油稳燃。本文采用了数值计算的研究方法，首先，模拟了燃烧器内的氧气与煤粉气流的混合分布特性，并总结出加氧位置与富氧浓度、富氧范围之间的对应关系;然后分析了不同工况的氧气稳燃效果，通过富氧燃烧温度场和CO2浓度场的分布特点，比较了氧气流量和加氧位置对煤粉气流着火距离的影响，总结出本模拟条件下所需的最小稳燃氧气流量和最佳加氧位置。数值模拟结果证明了当氧气流量为600Nm3/h时，能够对烟煤锅炉实现无油投氧稳燃。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 节油点火技术现状

1．2．1 等离子点火技术

1．2．2 内燃式微油点火技术

1．2．3 外燃式小油枪点火技术

1．2．4 高温空气点火技术

1．3 富氧燃烧及点火的研究现状

1．3．1 单颗粒煤的富氧燃烧特性

1．3．2 燃煤在不同氧浓度下的热分析研究

1．3．3 煤粉流在不同氧浓度下的燃烧特性研究

1．3．4 空气富氧点火研究与应用

1．4 本文主要研究内容

第2章 富氧燃烧特性的理论研究

2．1 富氧燃烧的煤粉着火方式

2．1．1 煤粉着火方式的理论计算

2．1．2 煤粉着火方式的实验研究

2．2 氧气浓度对煤粉预热时间的影响

2．3 氧气浓度对燃烧反应速率的影响

2．4 氧气浓度对煤粉气流着火热的影响

2．5 富氧燃烧的理论空气量和烟气量

2．5．1 富氧燃烧的理论空气量

2．5．2 富氧燃烧的理论烟气量

2．6 富氧燃烧的理论燃烧温度

2．7 本章小结

第3章 燃烧模拟的数值模型

3．1 湍流模型

3．2 湍流燃烧模型

3．3 气固两相流动模型

3．4 煤粉燃烧模型

3．4．1 煤的热解挥发模型

3．4．2 焦炭燃烧模型

3．5 辐射模型

3．5．1 DO辐射模型

3．5．2 P-1辐射模型

3．6 本章小结

第4章 高温氧气点火方法的实验研究与数值模拟

4．1 高温氧气发生器的实验研究

4．1．1 工作原理

4．1．2 高温氧气发生器实验台

4．1．3 热态点火实验

4．2 高温氧气发生器的数值模拟

4．2．1 计算模型

4．2．2 网格划分

4．2．3 边界条件

4．2．4 有效性分析

4．2．5 结果分析

4．3 煤粉点火实验台

4．3．1 高温氧气点火燃烧器

4．3．2 煤粉点火实验台系统

4．4 贫煤煤粉气流的点火实验

4．4．1 煤质分析

4．4．2 实验参数

4．4．3 实验结果

4．5 无烟煤煤粉气流的点火实验

4．5．1 煤质分析

4．5．2 实验参数

4．5．3 实验结果

4．6 无烟煤煤粉气流点火特性的数值计算

4．6．1 计算模型

4．6．2 网格划分

4．6．3 边界条件

4．6．4 有效性分析

4．6．5 结果分析

4．7 本章小结

第5章 高温氧气点火方法在W火焰锅炉的数值计算研究

5．1 锅炉设备

5．1．1 煤粉燃烧器

5．1．2 制粉系统

5．1．3 煤质分析

5．2 高温氧气点火及稳燃系统

5．2．1 设计方案

5．2．2 工作原理

5．3 旋风筒燃烧器的数值计算

5．3．1 几何模型

5．3．2 边界条件

5．3．3 煤质分析

5．3．4 结果分析

5．4 本章小结

第6章 超高温火焰点火方法的实验研究

6．1 超高温火焰发生器

6．1．1 工作原理

6．1．2 性能实验

6．1．3 超高温火焰的燃烧反应速率常数

6．2 超高温火焰点火燃烧器

6．3 实验研究

6．3．1 锅炉概况

6．3．2 最佳运行参数实验

6．4 锅炉冷态启动的性能测试

6．4．1 飞灰含碳量测试

6．4．2 锅炉升温升压曲线测试

6．5 本章小结

第7章 四角切圆锅炉的富氧稳燃特性研究

7．1 研究目标

7．2 锅炉设备介绍

7．2．1 锅炉本体

7．2．2 燃烧系统

7．2．3 煤质分析

7．3 氧气稳燃方案

7．4 数值计算

7．4．1 研究工况

7．4．2 氧气助燃烧效果的评价标准

7．4．3 计算模型

7．4．4 网格划分

7．4．5 有效性分析

7．4．6 结果分析

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 主要创新点

8．2 主要研究结论

8．3 不足之处和未来展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介