文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
W型火焰锅炉燃烧检测与优化研究
姓名:汪华剑
申请学位级别:博士
专业:热能工程
指导教师:周怀春
2010
华中科技大学博士学位论文
摘要
发展 W 型火焰锅炉高效低 NOx 的燃烧技术,优化炉内燃烧,是我国低挥发分煤
的燃烧利用中一个急需解决的重要课题。详细的试验检测和准确的燃烧过程数值模拟
是正确分析炉内的煤粉燃烧过程,揭示炉内 NOx 的生成机理,准确把握不同因素对
炉内燃烧特性的影响的关键,能够为炉内的燃烧优化和发展新型 W 型火焰锅炉高效
低 NOx 燃烧技术提供指导和依据。本文通过基于图像处理的燃烧检测技术对 W 型火
焰锅炉内的燃烧进行检测,并对炉内燃烧过程进行详细的数值模拟分析,研究了优化
炉内燃烧的技术,并在电站锅炉上通过改造进行了实践。本文的主要研究内容如下:
W 型火焰锅炉燃烧过程的检测研究。通过使用基于图像处理的炉内燃烧过程检测
技术,对 Foster Wheeler (FW) 技术 W 型 300MW 和 600MW 级的锅炉进行检测。对
一台 300MW 级 W 型火焰锅炉进行了沿炉膛高度方向的温度和火焰发射率的检测,得
到了炉内火焰温度和发射率沿炉膛高度方向上分布的主要规律。对一台 600MW 级 W
型火焰锅炉进行三维温度场重建的研究,并将三维重建温度分布的信息与采用便携式
图像温度检测系统以及红外高温计的检测结果进行了比较,结果显示检测结果的差别
在 10%以内,表明检测结果的可靠性。检测结果表明 W 型火焰锅炉目前存在的飞灰
含碳量高,NOx 排放超标等问题与实际燃烧过程中火焰中心偏上,煤粉停留时间不足,
炉内空气分级燃烧不足有直接关系。
对 FW 技术的 W 型火焰锅炉燃烧过程进行数值模拟研究并提出一种提高 NOx 预
测准确性的方法。通过建立适合 W 型火焰锅炉特点的贴体网格,putational
Fluid Dynamics (CFD) 方法对一台 310MW W 型火焰锅炉内的燃烧过程进行了模拟,
得到了典型的炉内温度分布,速度场和颗粒轨迹等,并通过将模拟得到流场和沿炉膛
高度方向的温度分布结果与试验结果进行对比,表明了模拟方法和结果的可靠性。以
此为基础分析了目前炉内燃烧中存在的一些主要问题和原因。通过将 CFD 燃烧过程
模拟得到燃烧器出口的升温曲线,结合具有氮释放预测能力的化学渗透脱挥发分
(Chemical Percolation Devolatilization) CPD 模型,计算得到煤粉在燃烧过程中挥发分
氮和焦炭氮的比例,以及挥发分中 NOx 的前驱物 HCN 和 NH3 的份额。用这些参数取
代传统的经验参数,取得了对 NOx 生成的预测的更高精度。
在以上研究的基础上,对四种不同运行条件下的 W 型火焰锅炉燃烧优化开展了
I
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数值模拟研究。通过 CFD 数值模拟结合现场燃烧调整试验,研究了乏气比例的调整、
C 风(油枪风)比例调整和混煤掺烧方式调整对炉内燃烧过程和 NOx 排放的影响。研究
不同燃烧调整方式对动量比、煤粉着火、火焰下冲深度、煤粉燃尽和 NOx 排放的影
响,给出了优化运行的指导意见。由于常规的燃烧优化方式不能从根本上解决炉内空
气分级不足造成 NOx 排放高的问题,通过数值模拟研究拱上燃尽风的实施方案,指
出在拱上实施高速燃尽风,能够在保证煤粉燃尽的同时有效降低 NOx 排放。
由于常规的燃烧优化方式对 W 型火焰锅炉的高效低 NOx 运行只能起到有限的作
用,而且往往难以兼顾稳燃、高效和低 NOx 燃烧的要求,所以研究了在 F 层二次风
风箱中加入下倾的导流叶片,使得占二次风 60-70%的 F 风以一个下倾的角度进入下
炉膛,从而改进炉内的燃烧。该技术可以在不改变拱上动量的情况下,增加向下/水平
动量比,还能通过下倾的二次风对下行的一次风起到引射作用,这样可以保证主要的
二次风不会直接水平冲击下冲的煤粉气流,使得二次风逐渐沿一次风火焰行程补充氧
量,有利于延长火焰行程,扩大下炉膛还原区,有利于煤粉燃尽和降低 NOx 排放。
通过燃烧过程数值模拟优化 F 层二次风下倾角度,得到最佳下倾角度为 25°。该改造
措施在电厂的实际应用效果表明,该项新技术的应用,可以有效降低飞灰含碳量,高
负荷下提高燃烧效率超过 1%,降低 NOx 排放超过 20%。
关键词:W 型火焰锅炉,煤粉,燃烧检测,燃烧优化,数值模拟
II
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Abstract
The development of bustion tech