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FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术研究

作　者: 任枫
导　师: 李争起
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: W火焰锅炉单相流动特性气固流动特性煤燃烧特性高效低NOx
分类号: TK227.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

我国难燃煤占动力用煤的40%,是世界上为数较少难燃煤储量丰富的国家之一,W火焰锅炉作为燃用难燃煤的重要炉型已在我国得到了很大的发展,其中应用最多的为福斯特惠勒(FW)型W火焰锅炉。在实际运行过程中,这种锅炉存在着燃烧不稳、飞灰可燃物含量高、NOx排放量高等问题。本文在国家高新技术发展计划(863计划)的资助下,立足于解决这些问题,一步步的提出了二次风下倾技术、FW型W火焰锅炉高效燃烧技术,最后形成了完整的FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术。通过冷态单相空气动力场试验、示踪试验、气固两相流动特性试验、数值模拟等手段对这些技术的机理进行了深入研究,并进行参数优化。最后将这些技术分别应用660MW和300MW容量的FW型W火焰锅炉上,通过工业试验研究其热态工作性能,验证其应用效果。首先在1:15缩小的单相及气固两相试验台上对原FW型W火焰锅炉的运行状态进行了研究。通过对E层二次风速和拱上淡煤粉气流百分比的改变,发现目前状况下无论运行参数如何调整,原有锅炉上拱上一次煤粉气流始终无法穿透F层二次风气流区,从而造成煤粉气流在下炉膛的停留时间偏短。通过在300MW机组上的工业试验研究则可以发现,在运行时,燃烧系统运行阻力大,着火点远离喷口,火焰中心出现在上炉膛,炉内温度分布不合理,飞灰可燃物含量高,NOx排放量高的问题突出。依靠其现有调整手段,包括对淡煤粉气流挡板、二次风挡板、消旋叶片位置和油二次风挡板的调节,能从一定程度上改善燃烧,但无法从根本上解决问题;针对上述问题,提出了二次风下倾技术,同样进行了冷态单相和气固两相的试验研究。无论从冷态单相还是气固两相试验结果来看,随着F层二次风下倾角度增加,浓煤粉气流在炉内达到的下冲深度和F层气流区域的湍流强度均增加。综合考虑煤粉形成和壁面结渣的问题,可将F层二次风角度设为25°。在300MW机组锅炉上应用二次风下倾技术,发现F层二次风下倾后,NOx排放由2101mg/m3降至1926mg/m3(折算氧量6%),飞灰可燃物含量从7.84%降至4.91%,锅炉效率由91.08%提高到93.25%。在二次风下倾技术基础上发展起FW型W火焰锅炉高效燃烧技术。在冷态单相模化试验台上进行了将淡煤粉气流通过后半个油二次风喷口通入炉膛的试验,发现淡煤粉气流位置的改变不会对炉膛里的气流流动状况产生本质上的影响。将FW型W火焰锅炉高效燃烧技术应用于660MW机组锅炉后,燃烧系统阻力由原来的3734Pa降为1692Pa,排烟温度由136℃降为124℃,飞灰可燃物含量由原来的9.55降低到3.82,锅炉效率从84.54%增大至92.17%,燃烧时可掺烧无烟煤比例大幅上升。但同时发现,该技术对抑制NOx生成无能为力。在高效燃烧技术的基础上,进一步对锅炉进行低NOx改造,提出了FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术。冷态单相试验结果表明,随着OFA风率的增加,下炉膛一次风射流衰减变慢,穿透深度增加,煤粉行程增大。利用示踪试验的方法,在实验室试验台上研究了不同风率、不同摆放角度和不同喷口结构下,OFA气流在W火焰上炉膛内的流动特性,最终确定:OFA风率需至少在20%以上,OFA喷口倾角选在30°,喷口结构的选择可采用内直流外旋流OFA喷口,外层旋流部分喷口所安装的叶片应选用弯曲叶片。在气固两相试验台上的试验也表明,OFA喷口倾角也应选在30°。对FW型W火焰锅炉流动燃烧进行数值预测,发现应用FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术后,锅炉性能优于原锅炉状态。在300MW的W火焰锅炉上进行了FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术的应用。尽管OFA的引入使煤粉长时间处于贫氧燃烧有可能提升飞灰可燃物含量,但二次风下倾以及淡煤粉气流由油风喷口通出的措施促进了浓煤粉气流的点燃,并改善了炉内的温度分布,抵消了OFA的不利影响,改造后飞灰略有降低,锅炉效率升高。NOx排放量降低了50%,说明FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术能在不降低锅炉效率的基础上大幅降低氮氧化物。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-14
常用符号表  14-15
第1章绪论  15-36
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 W火焰燃烧技术的特点及研究进展  17-28
    1.2.1 W火焰燃烧技术的特点  17-21
    1.2.2 W火焰锅炉技术在我国应用及存在的问题  21-25
    1.2.3 W火焰燃烧技术的研究进展  25-28
  1.3 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术的提出  28-34
    1.3.1 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术介绍  28-32
    1.3.2 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术原理  32-34
  1.4 本文研究内容  34-36
第2章 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术研究方法  36-69
  2.1 炉内单相流动特性研究试验系统  36-44
    2.1.1 模化锅炉介绍  36-37
    2.1.2 单相试验模化理论及过程  37-39
    2.1.3 单相试验系统介绍  39-41
    2.1.4 恒温热线风速仪介绍  41-43
    2.1.5 数据处理说明  43-44
  2.2 OFA流动特性研究示踪试验系统  44-46
  2.3 炉内气固流动特性研究试验系统  46-56
    2.3.1 气固两相冷态模化理论及过程  46-48
    2.3.2 气固两相试验系统介绍  48-50
    2.3.3 PDA测量系统及原理  50-55
    2.3.4 数据处理说明  55-56
  2.4 炉内燃烧及NO_x排放的数值模拟方法  56-65
    2.4.1 数值模拟所采用的计算模型  56-62
    2.4.2 计算域网格划分及边界条件设置  62-64
    2.4.3 模拟结果与试验结果的对比  64-65
  2.5 工业试验研究方法  65-68
    2.5.1 试验锅炉及燃烧装置简介  65-66
    2.5.2 工业试验测量内容及测试方法  66-68
  2.6 本章小结  68-69
第3章原FW型W火焰锅炉运行状态研究  69-120
  3.1 原FW型W火焰锅炉的单相流动特性  69-78
    3.1.1 不同二次风配比对炉内单相流动的影响  69-74
    3.1.2 不同淡煤粉气流百分比对炉内单相流动的影响  74-76
    3.1.3 通入油二次风对炉内单相流动的影响  76-78
  3.2 原FW型W火焰锅炉的气固流动特性  78-101
    3.2.1 不同二次风配比对炉内气固流动的影响  78-93
    3.2.2 不同淡煤粉气流百分比对对炉内气固流动的影响  93-101
  3.3 原FW型W火焰锅炉的燃烧及NO_x排放特性  101-118
    3.3.1 不同淡煤粉气流挡板开度对炉内煤粉燃烧和NO_x生成的影响  101-106
    3.3.2 不同E层二次风挡板开度对炉内煤粉燃烧和NO_x生成的影响  106-109
    3.3.3 不同消旋叶片位置对炉内煤粉燃烧和NO_x生成的影响  109-113
    3.3.4 通入油二次风对炉内煤粉燃烧和NO_x生成的影响  113-118
    3.3.5 原300MW机组FW型W火焰锅炉煤粉燃烧和NO_x排放特性小结  118
  3.4 本章小结  118-120
第4章 FW型W火焰锅炉二次风下倾技术研究  120-140
  4.1 二次风下倾对炉内单相流动的影响  120-128
    4.1.1 不同F层二次风角度对炉内流动的影响  120-124
    4.1.2 二次风配比对二次风下倾流场的影响  124-128
  4.2 二次风下倾对炉内气固流动的影响  128-135
  4.3 二次风下倾技术在300MW W火焰机组锅炉上的应用  135-138
  4.4 本章小结  138-140
第5章 FW型W火焰锅炉高效燃烧技术研究  140-160
  5.1 不同淡煤粉气流布置方式对炉内单相流动的影响  140-142
  5.2 FW型W火焰锅炉高效燃烧技术在660MW机组锅炉上应用研究  142-158
    5.2.1 锅炉运行存在问题  142-143
    5.2.2 FW型W火焰锅炉高效燃烧技术改造方案  143
    5.2.3 FW型W火焰锅炉高效燃烧技术的应用效果  143-158
  5.3 本章小结  158-160
第6章 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术研究  160-197
  6.1 引入OFA气流对W火焰锅炉炉内单相流场的影响  160-163
  6.2 风率、摆放角度和喷口结构对炉内OFA射流特性的影响  163-167
  6.3 不同OFA下倾角度对OFA流动的影响  167-174
  6.4 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术的数值预测  174-182
    6.4.1 OFA倾角和风率变化对炉内燃烧的影响  175-178
    6.4.2 二次风下倾对加装OFA后炉内燃烧的影响  178-179
    6.4.3 不同浓淡喷口布置方式对炉内燃烧的影响  179-181
    6.4.4 OFA，二次风下倾，淡煤粉气流从近水冷壁侧引入炉膛对炉内燃烧的综合影响  181-182
  6.5 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术在300MW 机组锅炉的应用研究.  182-195
    6.5.1 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术改造方案  182-183
    6.5.2 FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术的应用效果  183-195
  6.6 本章小结  195-197
结论  197-199
研究工作的未来展望  199-200
参考文献  200-211
附录  211-219
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  219-224
致谢  224-226
作者简历  226

FW型W火焰锅炉高效低NO_x燃烧技术研究

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