切圓燃燒角部風(fēng)箱鍋爐濃縮器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

0鍋爐點火技術(shù)在應(yīng)用濃度較大的燃料二氧化碳燃燒技術(shù)的鍋爐中，小油槍直接燃燒技術(shù)通常用于冷爐的啟動。小油槍煤粉直接點火技術(shù)是將油槍布置在一次風(fēng)的噴嘴中或在一次風(fēng)口附近,利用強(qiáng)化燃燒原理使燃油充分燃燒,用很小的燃油量(根據(jù)燃用煤種不同,著火溫度不同,燃油量可在50～300kg/h)就可以獲得一個剛性較強(qiáng)、溫度較高的穩(wěn)定火炬。由于該火炬可達(dá)到1500～1800℃,當(dāng)高濃度的煤粉氣流通過火炬時很快受熱,被迅速點燃,并在點火初期就盡可能燃燒完全。被點著的煤粉產(chǎn)生的熱量由里向外傳遞,著火過程也由里向外。已著火的區(qū)域隨氣流噴射向外擴(kuò)散,在燃燒器噴口處形成以煤粉燃燒為主的火炬進(jìn)行點火啟動。小油槍是在冷爐啟動或鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃時才投用的,帶油運(yùn)行時,小油槍的燃油熱負(fù)荷僅占煤粉燃燒器熱負(fù)荷的6%～13%。按照文獻(xiàn)的計算方法,小油槍計算點火節(jié)油率大于72%,計算穩(wěn)燃節(jié)油率大于81%。大容量切圓燃燒鍋爐的燃燒器一般是布置在風(fēng)箱中的。為解決鍋爐點火的問題,目前的解決方案是將燃燒器布置在角部風(fēng)箱外,從而使油槍在濃煤粉氣流側(cè)點火。受風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的限制,1號角和3號角的油槍只能布置在淡煤粉氣流側(cè)(圖1中)。淡煤粉氣流中煤粉濃度低,不易實現(xiàn)油槍點火。因而1號角和3號角的燃燒器達(dá)不到良好的點燃效果,這勢必會消耗更多的燃油,造成燃料的浪費。在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行需要助燃時,這兩個角的油槍因不能有效點燃淡煤粉氣流,從而起不到穩(wěn)定燃燒的效果,可能威脅到鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對這一問題,提出了可換向百葉窗煤粉濃縮器的思路,采用數(shù)值模擬的方法對鍋爐正常運(yùn)行工況及點火工況下濃縮器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并確定了濃縮器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,最后對該鍋爐下層煤粉燃燒器改造后的一次風(fēng)噴口速度進(jìn)行了測量,驗證了可換向百葉窗煤粉濃縮器的可靠性。1自然循環(huán)汽包爐某電廠#6鍋爐是由武漢鍋爐廠制造的300MWe亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐,為固態(tài)排渣煤粉爐。該鍋爐燃燒系統(tǒng)如圖1所示。燃燒器采用大風(fēng)箱、大切角、固定式燃燒器,燃燒器正四角布置,在爐內(nèi)形成切圓燃燒,假想切圓分別為Φ974mm和Φ802mm,平均燃燒角為3°。2改進(jìn)的噴射結(jié)構(gòu)2.1煤粉濃縮器的結(jié)構(gòu)及工作原理實現(xiàn)鍋爐順利點火啟動,并保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行,對燃燒器進(jìn)行改造時需要滿足三個前提條件:第一,受空間限制,油槍布置的方位不能改變;第二,鍋爐點火啟動時,點火油槍側(cè)保證有適當(dāng)高濃度的煤粉氣流;第三,鍋爐正常運(yùn)行時,鍋爐四角的濃淡煤粉氣流形成濃側(cè)向火淡側(cè)背火的水平濃淡燃燒。基于以上前提,設(shè)計開發(fā)了可換向百葉窗煤粉濃縮器。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,其中葉片1、葉片2、葉片3為可調(diào)葉片。當(dāng)鍋爐正常運(yùn)行時,正向百葉窗由葉片2、葉片3及葉片4組成。葉片1與x軸夾角為0°,葉片2、葉片3、葉片4與x軸正向夾角為α。這種葉片布置方式在濃縮器出口分別形成濃煤粉氣流和淡煤粉氣流,可以滿足水平濃淡燃燒的要求。當(dāng)鍋爐點火啟動時,反向百葉窗由葉片1f、葉片3f及擋塊1組成,其中葉片1f、葉片3f分別由葉片1、葉片3通過固定在濃縮器殼體上的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)得到。葉片2旋轉(zhuǎn)到葉片2f位置,與x軸夾角為0°。葉片1f、葉片3f與x軸夾角為負(fù)值,記為β。這種葉片布置方式可在原濃煤粉氣流側(cè)形成(淡煤粉氣流)f,在原淡煤粉氣流側(cè)形成(濃煤粉氣流)f,從而實現(xiàn)濃淡煤粉氣流的換向,滿足鍋爐點火啟動和低負(fù)荷穩(wěn)燃的需求。2.2確定可調(diào)葉片的角度鍋爐點火啟動時,在原淡煤粉氣流側(cè)獲得高濃度的煤粉氣流是最為關(guān)鍵的。為了使反向百葉窗達(dá)到較好的性能,進(jìn)而滿足鍋爐點火啟動的要求,本文通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)葉片的角度來實現(xiàn)。確定可調(diào)葉片1f、葉片3f的傾角β=-25°、-30°、-35°,-40°,葉片2f的傾角β=0°,葉片4的傾角保持正向百葉窗結(jié)構(gòu)中的角度,即α=30°。由此確定的可換向百葉窗煤粉濃縮器結(jié)構(gòu)工況如表1所示。2.3物理模型及網(wǎng)格劃分采用Fluent6.3.21軟件對表1中各工況下濃縮器的性能及流場進(jìn)行數(shù)值模擬。氣相湍流模型采用可實現(xiàn)k-ε模型,氣固兩相模型選用顆粒隨機(jī)軌道模型。濃縮器物理模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,采用分塊劃分網(wǎng)格的方法,網(wǎng)格尺寸為20mm,網(wǎng)格總數(shù)約為35萬個。在濃縮器入口和出口分別設(shè)置0.88m長的穩(wěn)定段。2.4基本參數(shù)和邊界條件(1)管流條件分析入口為速度入口,速度為20m/s,湍流強(qiáng)度I取為5%,水利直徑為0.4767m;出口采用充分發(fā)展管流條件;壁面處采用無滑移條件。(2)rosin-rammler分布入口計算參數(shù)見表2。其中煤粉顆粒粒徑分布滿足Rosin-Rammler分布,粒徑范圍是0～100μm,均勻性指數(shù)n=1。顆粒與壁面的碰撞為彈性碰撞,速度恢復(fù)系數(shù)參考文獻(xiàn)確定。3結(jié)果與討論3.1葉片3f傾角對百葉窗濃縮率的影響鍋爐正常運(yùn)行工況(工況1)下,計算的濃縮器的濃淡風(fēng)量比為1.21,濃縮比為3.07,濃縮率為1.33,阻力損失系數(shù)為2.92。在實際應(yīng)用中,濃縮器各葉片角度可調(diào),因而可根據(jù)實際鍋爐運(yùn)行的需要,如不同煤質(zhì)最佳煤粉濃度的差異及鍋爐負(fù)荷的要求,通過調(diào)節(jié)葉片傾角來滿足實際需要。為便于分析,將工況2～工況16分成4組,即在葉片1f傾角分別為-25°、-30°、-35°、-40°時,改變?nèi)~片3f的傾角,來分析各工況下葉片傾角對反向百葉窗性能的影響。圖4～圖6分別為第二級、第三級葉片傾角對濃縮器內(nèi)濃淡風(fēng)量比、阻力損失系數(shù)及濃縮率的影響關(guān)系圖。由圖可知,葉片1f傾角在-25°～-40°之間變化時,反向百葉窗濃淡風(fēng)量比維持在0.9～1.2之間,濃淡風(fēng)量比隨葉片3f傾角絕對值的增加而逐漸減小。如果固定葉片3f的傾角,由圖4可知,反向百葉窗濃淡風(fēng)量比隨葉片1f傾角絕對值的增加而逐漸增加。由此可見,葉片1f傾角絕對值的增加有助于提高濃淡風(fēng)量比,而葉片3f傾角絕對值的增加有助于降低濃淡風(fēng)量比,二者對反向百葉窗濃淡風(fēng)量比的影響趨勢是相反的。由圖5可知,葉片1f和葉片3f傾角絕對值增加時,反向百葉窗阻力損失系數(shù)均是增加的。由圖6可知,葉片1f傾角固定時,反向百葉窗的濃縮率隨葉片3f傾角絕對值的增加而增加,這種增加的趨勢隨葉片1f傾角絕對值的增加而逐漸趨于平緩。這說明,葉片1f和葉片3f傾角絕對值的增加均有助于提高反向百葉窗的濃縮率,且提高的幅度隨兩個葉片傾角絕對值的增加而減小。當(dāng)葉片1f傾角為-35°～-40°,葉片3f傾角在-40°～-25°變化時,反向百葉窗濃縮率維持在1.3～1.4附近。鍋爐順利點火及低負(fù)荷穩(wěn)燃的前提是反向百葉窗濃側(cè)具有較高的煤粉濃度,即要求反向百葉窗具有高煤粉濃縮率。此外,反向百葉窗的濃淡風(fēng)量比應(yīng)盡量接近于1,如濃淡風(fēng)量比過大或過小會使?jié)獾瓏娍陲L(fēng)度偏差加大,易導(dǎo)致鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃時爐內(nèi)空氣動力場波動及燃燒不穩(wěn)。百葉窗煤粉濃縮器自身的結(jié)構(gòu)特點決定了3個性能參數(shù),即濃淡風(fēng)量比、濃縮率、阻力損失系數(shù)之間互相制約,很難同時兼顧。在重點考慮高煤粉濃縮率和濃淡風(fēng)量比接近于1的條件下,往往會犧牲一定的阻力損失。百葉窗煤粉濃縮器的作用是將一次風(fēng)管道中進(jìn)入燃燒器的煤粉氣流進(jìn)行濃淡分離,即在燃燒器濃淡噴口處形成氣流流量相當(dāng)、煤粉濃度差異較大的兩股煤粉氣流。根據(jù)煤粉燃燒理論,對于每一種煤,其煤粉濃度都有一最佳值,在此濃度下其著火溫度最低,即煤粉最易著火。如果煤粉濃度大于或小于最佳煤粉濃度,都將使煤粉著火溫度提高,不利于鍋爐的穩(wěn)定燃燒。所以在鍋爐的實際運(yùn)行中,并不是濃縮器將煤粉氣流濃縮得越濃越好,而應(yīng)在綜合考慮煤種及鍋爐運(yùn)行條件等因素的前提下,來設(shè)計濃縮器的性能參數(shù)。但從理論上分析各點火工況,確定最優(yōu)方案,對指導(dǎo)實際鍋爐中濃縮器的改造是有幫助的。圖6中,濃縮率大于1.3的工況為工況11～工況16共計6個工況。在圖4中,以上6個工況中,工況12和工況16濃淡風(fēng)量比偏低,工況13濃淡風(fēng)量比偏高,相對而言,工況11、工況14和工況15的濃淡風(fēng)量比占優(yōu)。而在圖5中,以上6個工況中,工況12、工況15和工況16阻力損失系數(shù)大,工況11、工況13和工況14的阻力損失系數(shù)占優(yōu)。綜上分析,確定最優(yōu)點火工況為工況11和工況14。3.2濃側(cè)壁面時煤粉顆粒不穩(wěn)定燒壞噴口的問題圖7為最優(yōu)點火工況下濃縮器內(nèi)體積濃度分布。在工況14中隔板下方濃側(cè)區(qū)域,高濃度、高速度的煤粉顆粒集中在濃側(cè)近壁面處,易導(dǎo)致布置在該區(qū)域的點火油槍磨損式燒壞噴口。而工況11中,高濃度、高速度的煤粉顆粒集中在隔板和濃側(cè)壁面之間,在實現(xiàn)油槍點火的同時可以避免燒壞油槍噴口。從這個角度來看,工況11為優(yōu)選工況。4燃燒系統(tǒng)可靠性的校核對#6鍋爐下層燃燒器進(jìn)行了小油槍直接點火燃燒器的改造,濃縮器采用設(shè)計的可換向百葉窗煤粉濃縮器。為了考核下層燃燒器改造后的一次風(fēng)噴口速度分布,掌握在鍋爐正常運(yùn)行和點火過程中燃燒器噴口濃淡風(fēng)量比,對鍋爐燃燒器進(jìn)行了冷態(tài)工業(yè)實驗。鍋爐正常運(yùn)行時,對下層燃燒器1號角、2號角和3號角濃淡噴口速度進(jìn)行測量。鍋爐點火工況下,對下層燃燒器1號角和3號角濃淡噴口速度進(jìn)行測量。其中鍋爐正常運(yùn)行工況下濃縮器葉片調(diào)整到工況1中的葉片傾角,點火工況下濃縮器葉片調(diào)整到優(yōu)選點火工況11中的葉片傾角。實驗測得,鍋爐運(yùn)行工況下平均濃淡風(fēng)量比在1.12～1.33之間,點火工況下平均濃淡風(fēng)量比在1.12～1.17之間。燃燒器噴口濃淡風(fēng)量比的理論計算值與工業(yè)實驗測量值的偏差在±10%左右?？紤]到數(shù)值計算中兩相模型的不完備以及工業(yè)實驗中測量的誤差,上述偏差是可以接受的。通過對可換向百葉窗煤粉濃縮器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃燒器改造后的工業(yè)實驗,表明可換向百葉窗煤粉濃縮器在鍋爐正常運(yùn)行及點火工況下,可以在保證濃淡兩側(cè)風(fēng)量差別不是很大的情況下達(dá)到煤粉的充分濃縮,有利于鍋爐的順利點火及穩(wěn)定運(yùn)行。5油槍對火炬直接點火鍋爐燃燒的平均煤質(zhì)為貧煤。鍋爐點火過程中,采用微量油槍對燃燒器直接點火,1～2只大油槍(0.6t/h)伴燒。平均油耗為2t/h,相當(dāng)于只需10～20t油就能完成鍋爐正常冷啟動點火,有效節(jié)約燃油。6燃燒噴口濃縮減量比確定(1)本文提出了可換向百葉窗煤粉濃縮器的構(gòu)思。該濃縮器結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)節(jié),可在鍋爐運(yùn)行過程中改變濃淡煤粉氣流方向,實現(xiàn)鍋爐有效點火啟動并節(jié)約燃油。(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,鍋爐正常運(yùn)行工況下,濃縮器的濃淡風(fēng)量比為1.21,濃縮比為3.07,濃縮率為1.33,阻力損失系數(shù)為2.92。設(shè)計點火工況中,綜合考慮濃縮器性能參數(shù)即濃縮率、濃淡風(fēng)量比和阻力損