气体燃料直接点燃煤粉技术的研究与开发.pdf

华北电力大学（北京） 硕士学位论文 气体燃料直接点燃煤粉技术的研究与开发 姓名史亮亮 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师付忠广 20080301 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着全世界石油资源的日趋紧张，为了降低发电成本，国内外很早就开展了少 油及无油点火技术的研究并取得许多成果。微油气化燃烧直接点火技术是一种先进 燃烧技术，具有广阔的应用前景，研究微油气化燃烧直接点火技术具有十分重要的 现实意义。在微油气化燃烧直接点火技术的基础上，本文开发研制了一种新型气体 燃料直接点燃煤粉技术，并应用f l u e n t 计算软件，对新型燃烧器的燃烧过程进行 数值模拟和比较。分析了煤粉浓度、一次风速度、煤粉细度和燃气燃烧器出力等主 要因素对煤粉气流着火的影响，并给出了以上影响因素的合理参数值。研究结果将 为燃烧器运行参数的优化及锅炉启动提供参考和依据。 关键词气体燃料，煤粉燃烧器，数值模拟 A b s t r a c t W i t ht h ed e c r e a s eo fo i lr e s o u r c ei nt h ew o r l d ，t or e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t si nt h e p o w e rs t a t i o n s ，t h es t u d i e so fi g n i t i o nt e c h n o l o g i e sw i t hl e s so rn oo i lh a v eb e e n d e v e l o p e de a r l ya th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e r ea r em a n ya c h i e v e m e n t sg a i n e d ．I g n i t i n g C o a lP o w d e rD i r e c t l yw i t has m a l la m o u n to i li st h ea d v a n c e db u r n i n gt e c h n o l o g yw i t h w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ．I ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d yI g n i t i n gC o a lP o w d e r D i r e c t l yw i t has m a l la m o u n to i l ．O nt h eb a s i so ft h ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw i t ho i l g a s i f i c a t i o nc o m b u s t i o n ，an e wt e c h n o l o g yo fi g n i t i n gc o a lp o w d e rd i r e c t l yw i t hg a sf u e l i ss t u d i e di nt h i st h e s i s ．T h e nt h eb u r n i n gp r o c e s so ft h en e wb u r n e ri ss i m u l a t e da n d c o m p a r e dw i t ht h es o f t w a r eF l u e n t 6 ．0 ．S e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e i g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a la r ea n a l y z e d ，w h i c ha r ep u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o n ，t h e i n l e tv e l o c i t yo fp r i m a r ya i rf l o w , p u l v e r i z e dc o a lf i n e n e s sa n dt h ep o w e ro fg a sb u r n e r ． A n dt h eo p t i m a lv a l u e so fb e f o r e m e n t i o n e df a c t o r sa r ep r o d u c e d ．T h e s t u d yr e s u l t sw i l l p r o v i d eg u i d a n c ef o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o no ft h eb u r n e ra n ds t a r t i n gu po fb o i l e r s ． S h iL i a n g l i a n g T h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g D i r e c t e db y p r o f ．F uZ h o n g g u a n g K E YW O R D S g a sf u e l , c o a lp o w d e rc o m b u s t o r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着全世界石油资源的日趋紧张，为了降低发电成本，国内外很早就开展了少 油及无油点火技术的研究并取得许多成果。微油气化燃烧直接点火技术是一种先进 燃烧技术，具有广阔的应用前景，研究微油气化燃烧直接点火技术具有十分重要的 现实意义。在微油气化燃烧直接点火技术的基础上，本文开发研制了一种新型气体 燃料直接点燃煤粉技术，并应用f l u e n t 计算软件，对新型燃烧器的燃烧过程进行 数值模拟和比较。分析了煤粉浓度、一次风速度、煤粉细度和燃气燃烧器出力等主 要因素对煤粉气流着火的影响，并给出了以上影响因素的合理参数值。研究结果将 为燃烧器运行参数的优化及锅炉启动提供参考和依据。 关键词气体燃料，煤粉燃烧器，数值模拟 A b s t r a c t W i t ht h ed e c r e a s eo fo i lr e s o u r c ei nt h ew o r l d ，t or e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t si nt h e p o w e rs t a t i o n s ，t h es t u d i e so fi g n i t i o nt e c h n o l o g i e sw i t hl e s so rn oo i lh a v eb e e n d e v e l o p e de a r l ya th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e r ea r em a n ya c h i e v e m e n t sg a i n e d ．I g n i t i n g C o a lP o w d e rD i r e c t l yw i t has m a l la m o u n to i li st h ea d v a n c e db u r n i n gt e c h n o l o g yw i t h w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ．I ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d yI g n i t i n gC o a lP o w d e r D i r e c t l yw i t has m a l la m o u n to i l ．O nt h eb a s i so ft h ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw i t ho i l g a s i f i c a t i o nc o m b u s t i o n ，an e wt e c h n o l o g yo fi g n i t i n gc o a lp o w d e rd i r e c t l yw i t hg a sf u e l i ss t u d i e di nt h i st h e s i s ．T h e nt h eb u r n i n gp r o c e s so ft h en e wb u r n e ri ss i m u l a t e da n d c o m p a r e dw i t ht h es o f t w a r eF l u e n t 6 ．0 ．S e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e i g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a la r ea n a l y z e d ，w h i c ha r ep u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o n ，t h e i n l e tv e l o c i t yo fp r i m a r ya i rf l o w , p u l v e r i z e dc o a lf i n e n e s sa n dt h ep o w e ro fg a sb u r n e r ． A n dt h eo p t i m a lv a l u e so fb e f o r e m e n t i o n e df a c t o r sa r ep r o d u c e d ．T h es t u d yr e s u l t sw i l l p r o v i d eg u i d a n c ef o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o no ft h eb u r n e ra n ds t a r t i n gu po fb o i l e r s ． S h iL i a n g l i a n g T h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g D i r e c t e db yp r o f ．F uZ h o n g g u a n g K E YW O R D S g a sf u e l , c o a lp o w d e rc o m b u s t o r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文 l 的 P ．1 模型和颗粒的影响，可用于复杂几何体灰体辐射，不适用于半透明 内的计算介质和非灰体 适用范围广，可用于任何光学厚度 计算量较大，占用计算机内 D O 模型的辐射换热、半透明介质和非灰体 存较多 辐射换热，考虑了颗粒的影响 未考虑散射，仅考虑灰体辐 D T R M 模型模型相对简单，适用范围广射，随着追踪光线增加计算 量增大，未考虑颗粒的影响 仅适用于光学厚度a L 3 的 R o s s e l a n d 模 计算速度快，占用计算机内存少灰体辐射，不适用于半透明 型 介质 不能用于介质参与的辐射 适用于无介质参与的封闭系统内的换热系统，随着辐射换热面 2 S 模型 辐射换热个数增加占用计算机内存 剧增 注a 为吸收系数，L 为计算区域的特征尺寸 本文在计算中需考虑气相与颗粒相之间的辐射换热，仅有P ．1 模型和D O 模型 适用。对单个燃烧器的模拟采用计算量较大但精度较高的D O 模型 因计算区域的 光学厚度a L 较小 ，对炉内过程的模拟采用计算量较小、精度稍差的P ．1 模型。 P ．1 模型是最简单的一种球谐函数 s p h e r i c a lh a r m o n i c s 法，它假定介质中的 辐射强度沿空间角度呈正交球谐函数分布，并将含有微分、积分的辐射能量传递方 1 7 哗北电力大学硕士学位论文 程转化为一组偏微分方程，联立能量方程和相应的边界条件便可求出辐射强度和温 嚏的牢间分布。考虑了气相与颗粒相的辐射换热以及辐射散射的作用，适用于结构 复杂的儿何体，并且求解辐射能量传递方程所需时间少。 P - 1 方法通过下式来求解辐射热流量q r 鼋，- 一石而1 V G3-7 a 吸收系数 仃。扩散系数 G 附带辐射 C 一线性各向异性阶段函数系数 为了简化上述方程，提出以下参数 r ． 一 3 - 8 3 a a s 一C a s 因此原方程可简化为 口，- - F V G 3 - 9 G 的运输方程为 v r v c 一口G 4 a o T 10 3 1 0 式中∥为史蒂芬一斯波兹曼常数。当P ．1 模型被激活后，F L U E N T 将解这个方 程来确定本地的辐射强度。 联系上述两个方程，将要得到下面的这个等式 一V q ，I 口G 一4 a o T 4 ‘ 3 一1 1 如果所求解的工程问题中包含有扩散颗粒相，P - 1 法可以考虑颗粒的影响。对 包含有吸收，发散和散射颗粒的灰体媒介，入射辐射的输运方程可以表示为 v r v G 轨卜譬 E e l 一【口 a p b 。0 3 _ 1 2 【 石 J 。。 其中E 。颗粒的等价辐射发射量。它被定义如下 E p I 脚弘厶譬 ∽∽ a 。等价吸收系数，被定义如下 矿恸薹F 一等 3 - 1 4 1 8 华北电力大学硕士学位论文 艿朋颗粒的发射率 彳朋颗粒的投射面积，被定义如下 小孚 ， 其中D 胂第n 个颗粒的直径 L 颗粒的投射面积 P - I 模型对边界条件的处理 热通量的计算方程式 锄Ⅳ盟一 1 一几 G ∞ 绋广一缸瓦厂一 假如墙被假设为漫反射的灰色表面，则P ∞- l - e ∞。上式变为 既m ～云岛 叫- G m 3 - 1 5 3 - 1 6 3 - 1 7 该式被用来计算边界条件的能量和辐射方程。D O 模型的详细介绍请参阅文献1 3 4 1 。 3 ．5 湍流燃烧模型 几乎所有的实际燃烧装置中的燃烧现象都是湍流燃烧现象。湍流与气相的均相 ’反应以及气固异相反应之间有强烈的相互作用。反应可以通过放热引起密度变化而 影响湍流；反过来，湍流通过加强反应物与产物的混合而影响燃烧。一般说来，层 流流动中反应取决于分子水平上的混合， 分子输运和化学动力学因素三者的影响。 化学反应速率的模型公式。 而湍流中的反应率则同时受到湍流混合、 目前尚未有普遍的湍流燃烧过程中的平均 对于炉内非预混湍流燃烧过程的正确模拟要求同时模拟混合和化学反应过程。 为了与质量、动量和能量方程采用方法一致，对于每一种所研究的化学物质，可写 一个偏微分守恒方程，即 n 1 击 忡i _ 毒尝根I s 3 ．1 8 其中I ] I 。i 种物质的质量分数； 盯。i 物质的有效扩散系数与湍流动量扩散率的比值； R ；由于化学反应而增加或减少的质量率； S 通过另外途径产生物质的源项。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 在湍流反应系统中写物质守恒方程时，需要时均值， 这些方程可与前述方程同样离散，R 。项可由质量法则得 R i _ V i N - - V i L M I k 玎c - ～ 一般采用法伊弗平均【3 5 1 ， 3 - 1 9 其中v ；N ，v ；L I 物质作为产物和反应物的化学计量系数； M I 物质的分子量； k w 特定反应率常数，一般采用A r r h e n i u s 方程形式 ” k 。A T e x p - - - 兰 3 - 2 0 一’K T 。 C ．第1 反应物的摩尔浓度； v 。第1 反应物的化学当量系数。 将上面两个表达式综合得 R t - v i “ - v i M t A T 口e X p 意 ‘玎c - v I 3 - 2 1 对于该方程的时均化，可采用对每个参数用其平均与脉动值之和替代，然后再 将瞬时值部分分解为平均值与脉动值部分。这样将方程 3 - 2 1 提升到时均的形式， 同时有几个包括T 和C ．的脉动值附加项，然而这些脉动值及其相关联系数是未知 的，因此，在综合燃烧模型中模拟化学反应项需要利用简化假设。 ‘在采用简化假设以得到化学反应方程的可行性解法，并使之与湍流流动机理相 结合，可采用三种模拟方法。这三种方法可用两种假设的时间尺度来分类，这两种 时间尺度是与湍流流动中化学反应相关的，即反应时间尺度与混合时间尺度。反 应时间尺度是反应物反应到完全平衡所需要的典型时间。混合时间尺度是指大尺寸 的湍流旋涡破碎，尺寸减小至分子反应可以发生所需要的典型时间。 同时模拟混合和有限化学反应速率，有许多方法。第一个发起的是S p a l d i n g ， 他提出了旋涡破碎模型。该模型考虑了湍流对化学反应率的影响，它将化学反应率 与包括产物与反应物的湍流旋涡的耗散率相联系，认为该耗散率与F ／k 成正比【3 6 】。 对含有反应物的旋涡采用一个比例系数，对含有产物的旋涡则采用另一个系数。这 类模型可以应用于包括层流或湍流反应系统，还有预混或扩散火焰燃烧系统。 在这个模型中，计算三个不同反应率，取其中最小的反应率为控制反应率，第 一个就是方程 3 - 2 1 ，第二个代表湍流反应物旋涡耗散率，即为 R iR 一叫‘．M t 肛R 量血n m I 3 2 2 其中B R 反应物的经验常数o m 。反应物的质量分数； 第三个代表湍流产物旋涡耗散率 华北电力大学硕士学位论文 R I _ v I1 M l 声P 吾m P 3 2 3 其中B p 产物的经验常数； ’ m p 产物的质量分数； 一旦B 。，B ，取得合适，该方法能取得较好结果，文献【3 7 】中有在F L U E N T 中运用 该方法的，取得的结果比较满意。但对于上述关系式中的常数对每个反应流是不同 的，因此不能通用化。 在气相扩散火焰中，燃料和氧化剂是处于不同流中。在其发生反应之前，两者 的接触必须达到分子水平。当混合时间尺度比反应时间尺度大得多时，必须详细考 虑湍流混合过程，但可以假设是瞬时化学反应 快速化学反应 ，可以采用平衡算 法来计算反应过程。在综合燃烧模型中有一种基于此假设的方便的应用广泛的方 法，即混合分数法，该方法是基于定义了一个混合分数的守恒量。 当两股进口流流体可视为物性均匀时，可以很方便地定义混合分数f f ．璺￡．一． 3 2 4 m r m - m P ，m 。分别是源于第一和第二种物质的质量源。对于燃烧过程，第一种物质为 燃料，第二种为氧化剂。混合分数法的优点就是任何别的守恒量都是混合分数的函 数，比如流体密度，已知元素的质量分数等，都可由混合分数计算得 s f s P 1 一f s ． 3 2 5 该方法大大地减少了用来描述燃烧系统的守恒量的数目，但该方法的运用要求 所有气相物质的湍流扩散率相等，并且其边界条件也一致，却有些不合理的【3 引。混 合分数输运方程的法伊弗时均化的形式为 堕。塑堕．上洚马sf3-264- 一一_ 一l 一一- ． O t a x ja x j 、吼O x j 7。 这与其它守恒量的偏微分方程类似，该方程的求解结果和流体动力学模型一 起，可预测流动和混合过程流体参数的平均值。 在湍流环境下，在反应器内的每一点，混合分数值f 将在其平均值周围随机脉 动，为描述这个混合过程相关化学反应，对f 脉动的统计需要更多信息。 作为模拟f 的脉动的开始，可以定义一个f 的方差g ，为g ，方程，该方程的形 式与k 一￡湍流模型中S p a l d i n g | 3 9 l 等导出了g f 的传输方程类似 ’ g f _ 雨2 - 轲№享】2 d t 3 _ 2 7 该方程的法伊弗时均形式为 2 1 华北电力大学硕士学位论文 音b 禹 一毒 等等 c 口等 盖 一c 口挚 ∞- z 8 一般燃烧模型中，通常取C l l Z 8 ，C 口 1 ．9 2 ，q 0 ．9 ，％- 0 ．9 I 矧。 除了彳和g ，，概率密度函数 P D F ，P r o b a b i l i t yD e n s i t yF u n c t i o n 形状在计算 时均值时也是必需的，该函数形状通常由实验观察到的煤粉火焰的脉动而决定。为 了定义P D F 的形状，对湍流反应流近来发展了一些新方法，即用速度和另外任何一 个守恒量 比如f 的联合P D F [ 4 ，该联合P D F 的输运方程由控制方程导得。该方 法的主要优点是化学反应的作用可以直接包括，预混和非预混火焰都能适用。 由于混合分数法无需求解大量的物质传输方程就可以模拟湍流反应流动中中 I 日J 产物的形成、湍流与化学反应的相互作用，并且其计算效率高，比有限速率法能 得出更精确的流体平均密度。因此，本文在计算挥发份的气相燃烧时采用该模型。 3 ．6 挥发分析出模型 由于煤的挥发分析出过程的复杂性，要给出一个完整的反映物理和化学过程的 方程是非常困难的。自从1 9 7 0 年贝特若依克 B a d z i o c h 等【4 2 l 提出了最简单的煤热 解动力学的单方程模型以来，许多学者相继提出了双方程、多方程、多组分析出、 热解机理性、竞争反应及通用模型，使热解动力学模型有了极大进步，表3 ．5 列出 了常用挥发分析出模型的优点和局限性。 表3 - 5 常用挥发分析出模型 模型名称优点局限性 没有通用性，适用对象和范围 单方程模型简单 小，没考虑挥发分的具体成分 没有通用性，参数需试验确定， 双方程竞争反应模型适用温度范围较大 没考虑挥发分的具体成分 没有通用性，参数需试验确定， 无限个平行反应模型适用温度范围较大 没考虑挥发分的具体成分 考虑挥发分的具体成分， 确定官能团的种类及其含量较 多组分单方程模型困难，不适用与大颗粒煤的热 煤种参数不随煤种而变 解过程 参数不随煤种变化，通用 通用模型没有考虑挥发分的具体成分 性好 本文采用在数值模拟中应用极广的双方程竞争反应模型，该模型计算比较简 单，而计算结果又有相当的准确性。该模型认为有速度常数七l - 且c x p 【- 别和 2 2 华北电力大学硕士学位论文 七2 。B ze x p 【一E 2 ] 两个反应同时竞争，同时进行，即 ．．／ q 挥发分V 1 一q 残炭c 1 镰√ ＼山％ 挥发分Ⅵ 1 一a 2 残炭c 2 释放出挥发分比例分别为口，和口2 ，控制活化能数值使第一个反应在低温下进 行，第二个反应在高温下进行，热解所造成的煤的质量减少量为． y ‘． ．{ c 口，‘七一 口2 。七z ，‘e x p 瞳伍- 七z 协】 出 c 3 2 9 ， 挥发分质量变化率为 了d V ．一 ，1 七1 Y 2 七2 ．历。 3 3 0 其中m 。为未反应原煤质量；4 ，A ，E ，，E 为挥发分热解动力学参数，由 实验测定。 ． 3 ．7 焦炭燃烧模型 焦炭的燃烧是个复杂异相反应过程，该过程包括氧化物质向颗粒表面的扩散过 程和这些物质在颗粒表面与焦炭的反应过程。本文采用动力／扩散表面反应速率模 型，假定表面反应速率同时受到动力和扩散控制的影响。根据B a u mS t r e e t [ 4 3 1 和 F i e l d [ 4 4 1 研究结果，该模型的扩散速率为 ￡1 0 。c 。【 圣圣 三】二 3 3 1 。 ‘d，， 其中C 一一扩散速率常数 疋一一颗粒温度 ． 瓦一一周围介质温度 d 。一一颗粒直径 化学 动力学 反应速率为 ∥．e e l E 7 珥 3 - 3 2 其中G 一一化学反应速率子前因子 E 一一活化能 依据二者不同的加权值得到焦碳的燃烧速率为 华北电力大学硕士学位论文 鲁- 叫2 ‰丽D o R 3 - 3 3 其中m ，为颗粒质量，氏为颗粒周围的气相氧化剂分压，尺’为考虑了焦碳内表 面的反应及其扩散的化学 动力学 反应速率。方程 3 - 3 3 按照氧化剂的质量分 数写为 鲁一；譬羔 3 - 3 4 3 ．8 本章小结 本章主要介绍了煤粉燃烧过程数值模拟的一些主要理论模型，合适模型的确定 保证了下文煤粉燃烧的数值模拟的正确性。对于气相湍流流动，本文使用普遍采用 的标准k 二￡两方程模型。气相湍流燃烧模型采用混合分数的概率密度函数 P D F 模型，辐射换热模型P - 1 模型，煤粉颗粒运动轨迹采用拉格朗日随机轨道模型，煤 的挥发分析出模型采用双方程竞争反应模型，焦炭的燃烧模型采用动力／扩散表面 反应速率模型。 数值计算采用非耦合的求解方式，压力方程使用标准格式，速度与压力修正的 耦合使用半隐格式压力关联方程算法 S I M P L E ，为了方程离散时的便利，同时不影 响数值精度的前提下，对其它各控制方程均使用一阶迎风格式。 华北电力大学硕士学位论文 第四章燃气燃烧器的理论设计及数值模拟 4 ．1 燃气燃烧器的分类 燃气燃烧器的类型很多，分类方法也各不相同。在工程上，按燃气燃烧方法可 分为【1 2 】． 1 扩散式燃烧器 按照非预混扩散式燃烧方法设计的燃烧器称为扩散式燃烧器。这种燃烧器结构 简单，实际上是一个或多个燃气喷孔组成的。从喷孔射出的是纯粹的气体燃料，点 燃后形成扩散火焰。几种常见的扩散式燃烧器如下图所示。 稻浮守串觥畚 曹零 图4 - 1 扩散式燃烧器 a 管状； b 鱼尾式； c 对冲式 由于燃烧器喷口喷出的为单一的燃气，燃烧过程中火焰不会回窜入喷口内。所 以燃烧器和燃气供应系统中不会发生回火和爆炸。燃烧器热负荷调节范围大，工作 较稳定，但是同时过量空气系数偏大，火焰温度低，燃烧速度低，且火炬较长，需 要较大的燃烧室。在燃烧碳氢含量较高的气体燃料时，常因还未来得及和氧相互混 合就受热分解，形成难以燃尽的细微炭粒，不利于燃气的完全燃烧。因此，纯扩散 式燃烧器一般只用于小型锅炉。 2 部分预混式燃烧器 按照部分预混式燃烧方法设计的燃烧器称为部分预混式燃烧器。民用燃具上的 燃烧器绝大部分都属部分预混式，在小型锅炉及工业炉上也有应用。下图为家用燃 气灶上所用的部分预混式燃烧器。 A处盟；ln 矗跌㈠辽m 华北电力大学硕士学位论文 图4 2 部分预混式燃烧器 卜调风板2 一一次空气进口；3 一引射器喉部；4 一喷嘴；5 一火孔 这种燃烧器由于预混了一部分空气，与扩散式燃烧器相比，火焰较短为双层， 火力强，燃烧温度高，并且可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全、燃烧效率比 较高。但是在回火和脱火方面的安全性能不及扩散式燃烧器。 3 完全预混式燃烧器 按照完全预混式燃烧方法设计的燃烧器称为完全预混式燃烧器。在燃烧器中， 气体燃料与燃烧所需全部空气预先均匀混合，从燃烧孔喷出的是全预混可燃气体， 点燃后的火焰相当来说要短得多，燃气燃烧更加完全，燃烧温度更高。由于全预混 气中的火焰燃烧速度很快，因此可能发生回火。这种燃烧器较适用于燃烧速度较低 的燃气 如天然气 ，以减少回火的可能性并确保安全。 图4 - 3 完全预混式燃烧器 卜燃烧火道；2 一预热室；3 一混合管；4 一混合器 图4 3 所示为锅炉用的全预混式按无焰燃烧方式工作的燃烧器简图。燃气和空 气按燃烧所需比例分别送入混合器，再经过混合管达到均匀混合后进入预燃室点 燃，最终在燃烧火道中完成燃烧过程，高温烟气由火道排出后进入炉膛。燃烧火道 是由耐火砖砌成的窄条矩形通道，工作时火道壁温很高，呈较亮的红黄色，火焰不 明显，故称无焰燃烧器。这种燃烧器在燃烧时，燃烧过程是在容积热负荷很高的火 道中进行的，所以可以相应的减小炉膛体积。 华北电力大学硕士学位论文 4 ．2 引射式全预混燃烧器的构造及特点 如上节所述，综合比较各种燃气燃烧器的优缺特点，本文选择引射式全预混燃 烧器作为煤粉燃烧器系统中的燃气燃烧器。引射式全预混燃烧器是利用燃气引射一 次空气，一次空气系数a ≥1 ，在燃烧之前燃气与空气实现全部预混。图4 - 4 为引射 式全预混燃烧器的构造简图【1 2 1 。 4 5 ‘ 胡鸷 L ／，二∑淞琴 g -． ‘厂■ ] ．I 型∥ ⋯⋯一一一妇 融灏匿 1 ●■。。。。’■ V V ■ 图4 - 4 引射式全预混燃烧器 卜引射器；2 一喷头；3 一火道 4 ．2 ．1 引射式燃烧器的构造 3 引射式燃烧器由以下部件组成 1 引射器 引射器的作用有以下三方面 第一、以高能量的气体引射低能量的气体，并使两者混合均匀。 第二、在引射器末端形成所需的剩余压力，用来克服气流在燃烧器头部的阻力 损失，使燃气一空气混合物在火孔出口获得必要的速度，以保证燃烧器稳定运行。 第三、输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。 为了完成上述作用，引射器由以下四部分组成 图4 - 5 。空．c 馄台物 图4 ．5 引射器示意图 卜喷嘴；2 一吸气收缩管；3 一混合管；4 一扩压管 i ．喷嘴其作用是输送所要求的燃气量，并将燃气的势能转变成动能，依靠 引射作用引射一定的空气量。喷嘴在标准状况下工作，其流量可按下式计算 华北电力大学硕士学位论文 Ⅷ脚d 2 再 4 ．1 式中L ，一圆形喷嘴的流量 m 3 ／h ； ∥一喷嘴流量系数，与喷嘴的结构形式、尺寸和燃气压力有关，用实验方法 求得； d 一圆形喷嘴直径 mm ； H 一燃气压力 ￡ ； s 一燃气的相对密度 空气 1 ； 2 ．吸气收缩管其作用是为了减少空气进入时的阻力损失。它可以做成流线 型或锥形，实验证明，两者的阻力损失相差无几。为了制造方便，一般可选用锥形 收缩管。 3 ．混合管其作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气一空气混合物在进 入扩压管之前，其速度场、浓度场及温度场呈均匀分布。实验证明，采用渐缩管有 利于截面上速度场的均匀分布，而不利于浓度场及温度场的均匀分布。采们渐扩管 则有利于浓度场及温度场的均匀分布，而不利于速度场的均匀分布。为此常采用圆 柱形混合管，使速度场、浓度场及温度场均达到一定程度的均匀分布。 4 ．扩压管其主要作用是使部分动压变为静压，以提高气体的压力，其次是 使燃气与空气进一步混合均匀。 2 喷头 、 喷头是保证燃烧器工作稳定、防止回火的重要部件。喷头常做成渐缩形，收缩 角为2 5 。左右，且内壁加工光滑。从而使喷口混合气体的速度场达到均匀分布。为 了减少喷口处可燃混合物的火焰传播速度，防止回火，热负荷大的喷头常采用空气 或水冷却。’ ， 3 火道 在火道式全预混燃烧器中，可燃混合物的加热、着火和燃烧均在火道内进行。 混合物进入火道时，由于突然扩大，在火道入口处形成了高温烟气回流区 图4 - 6 。 回流烟气不仅将混合物加热，同时也是一个稳定的点火源。火道由耐火材料做成， 它近似于一个绝热的燃烧室，使进入火道的燃气一空气混合物立刻进行燃烧，从而 保证了较高的燃烧热强度和燃烧温度。因而，火道是使燃烧稳定、防止脱火的重要 部件。 华北电力大学硕士学位论文 图4 ．6 火道工作简图 4 ．2 ．2 全预混燃烧器的特点 完全预混式燃烧器由于预混了燃烧所需的全部空气，所以有很多特点1 1 2 1 。 1 优点 1 ．燃烧完全，化学不完全燃烧减少。 2 ．过剩空气少，燃烧效率较高。 3 ．燃烧温度高，容易满足对高温工况的要求。 ．4 ．火道式全预混燃烧器燃烧热强度大，容积热强度可达 2 9 5 8 x 1 0 a k W ／m 3 或 更高，因而可缩小燃烧室容积。 5 ．设有火道，容易燃烧低热值燃气，对燃气性质要求不高。 2 缺点 1 ．为保证燃烧稳定，要求燃气热值及密度要稳定。 2 ．发生回火的可能性较大，调节范围比较小。为防止回火，头部结构比较复 杂和笨重。 3 ．热负荷大的燃烧器，结构庞大笨重。故每个燃烧器的热负荷一般不超过 2 ．3 x 1 0 3 k W 。 4 ．噪音大，特别是高压和高负荷时更是如此。 4 ．2 ．3 火焰的稳定 对于某一定组成的燃气一空气混合物，在燃烧时必定存在一个火焰稳定的上 限，气流速度达到此上限值便产生脱火现象，该上限称为脱火极限；另一方面，燃 气一空气混合物还存在一个火焰稳定的下限，气流速度低于下限值便产生回火现 象，该下限称为回火极限。只有当燃气一空气混合物的速度在脱火极限和回火极限 之间时，火焰才能稳定。图4 - 7 是按试验资料绘出的天然气一空气混合物燃烧时的 稳定范围。 2 9 华北电力大学硕士学位论文 6 ．0 5 ．0 O ．0 仉20 ．40 ．6 仉81 ．01 ．21 ．41 ．6 一次空气系数 图4 - 7 天然气一空气混合物的燃烧稳定范围 卜光焰曲线；2 一脱火曲线；3 一回火曲线；4 一光焰区；5 一脱火区；6 一回火区 实际上，多数全预混燃烧器都有防止脱火的火道或其他稳焰器，所以喷头出口 速度一般不受脱火极限限制，允许比脱火极限高。回火极限受混合物的组成影响很 大。在其它条件相同时，火焰传播速度越大，回火极限速度也越大。对天然气等高 热值燃气来说，火焰传播速度相对较小，同时本文所选用燃烧器喷头出口速度要远 大于回火极限速度，因此回火的可能性非常小。 4 ．3 燃气燃烧器的理论设计 本文在青海华电大通发电厂3 0 0 M W 机组所进行的气化油点火及稳燃技术改造基 础上，设计气体燃料点火燃烧器来取代改造后的气化油点火燃烧器，满足了一些城 市电厂的特殊要求，达到了比燃油燃烧器更经济，更环保，更方便的目的。 该电厂煤粉锅炉容量为1 0 2 5 t ／h ，锅炉燃用烟煤，燃烧器设计热负荷为5 0 0 K W 。 所选用的天然气低热值为3 6 4 4 2 k J ／m 3 ，相对比重为0 ．5 7 5 ，密度为0 ．7 4 4 k g ／m 3 ，理论 空气需要量为9 ．6 4 m 3 ／m 3 ，过剩空气系数为0 ．9 5 ，负荷调节比为3 。本设计采用中 压引射式燃烧器，其原理是用较高压力天然气引射一定量的空气，在过剩空气系数 近于1 的条件下实现完全燃烧，并保证较高的燃烧温度和热效率。当燃烧器在较低 负荷下运行时，由于天然气压力较低，引射的空气量不足，因此加装风机以增加空 气量，以实现天然气的完全预混和燃烧1 7 】1 1 4 J 。 4 ．3 ．1 喷头 喷头的主要作用是防止回火。如果燃气一空气混合物的喷头出口速度大于回火 极限速度，就不会发生回火。可见，防止回火的措施是增加气流出口速度或减少回 火极限速度，这分别可以通过提高头部静压力和冷却燃烧器头部来实现。喷头做成 渐缩形，使出口速度场分布均匀，