1000MW超超臨界褐煤鍋爐燃燒技術(shù)研究

【摘要】：超超臨界發(fā)電技術(shù)效率高，環(huán)保性能好，是當(dāng)今世界潔凈煤發(fā)電的主流技術(shù)之一。我國褐煤資源豐富，近年來動(dòng)力用煤中褐煤的比例不斷增加，但國內(nèi)外都缺乏在1000MW等級鍋爐上燃用我國年老褐煤的經(jīng)驗(yàn)。因此，開發(fā)研制燃用我國褐煤的1000MW超超臨界鍋爐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。國家“十一五”863計(jì)劃立項(xiàng)開展了“1000MW超超臨界褐煤鍋爐關(guān)鍵技術(shù)研究”。1000MW超超臨界鍋爐廣泛采用雙切圓的燃燒方式，在爐內(nèi)形成“冷、熱角”，而褐煤灰熔點(diǎn)較低，極易在熱角區(qū)域發(fā)生結(jié)渣。另一方面，褐煤鍋爐的容積熱負(fù)荷較低，爐膛尺寸較大，這將增大爐膛出口的煙氣熱偏差。本文針對這兩個(gè)問題，采用理論分析、冷態(tài)單相流動(dòng)試驗(yàn)和鍋爐熱態(tài)數(shù)值模擬等方法開展研究，并提出解決方案。 采用數(shù)值模擬的方法對一臺雙切圓燃燒方式的1000MW超超臨界褐煤鍋爐爐膛出口熱偏差進(jìn)行研究，分析爐膛上部各種受熱面熱偏差的成因和特點(diǎn)。屏式輻射受熱面的輻射熱負(fù)荷分布與爐膛橫截面尺寸有關(guān)，通常呈雙峰分布，位于左、右兩個(gè)半爐膛中心位置的管屏壁面熱負(fù)荷最高；對于輻射-對流受熱面，其中間區(qū)域煙氣速度的疊加導(dǎo)致了較大的煙氣回流區(qū)，煙氣溫度與速度最大值均出現(xiàn)在水平煙道中下部靠近兩側(cè)的位置；對流受熱面熱負(fù)荷的分布受流場速度分布影響最大，溫度最大值也位于兩側(cè)墻附近，但截面溫度分布相對均勻。對于這些受熱面，煙氣速度對截面熱負(fù)荷分布影響很大，受熱面上的熱偏差與爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)有很大關(guān)系。 建立單相冷態(tài)試驗(yàn)臺，運(yùn)用冷態(tài)試驗(yàn)和1000MW超超臨界褐煤鍋爐熱態(tài)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法考察鍋爐的燃盡風(fēng)速、燃盡風(fēng)水平擺角和部分燃盡風(fēng)豎直擺角等因素對爐內(nèi)空氣動(dòng)力場、爐內(nèi)煤粉燃燒、煙氣成分分布以及爐膛出口熱偏差等方面的影響。研究結(jié)果表明，燃盡風(fēng)比例的增加有利于空氣分級燃燒的效果，但同時(shí)也會增大爐膛出口的煙氣速度峰值，不利于煙氣參數(shù)分布的均勻性，最佳燃盡風(fēng)速為60m/s；燃盡風(fēng)適當(dāng)?shù)姆辞袛[動(dòng)可以增強(qiáng)流場的湍動(dòng)程度，弱化爐內(nèi)煙氣對前墻熱角壁面的沖刷，大幅減小流場的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，有效減小煙氣熱偏差，最佳反切角度為10°；部分燃盡風(fēng)噴口豎直向下擺動(dòng)可以降低爐膛出口各截面上的速度最大值，并改變高速區(qū)的位置，但并不能有效減小整個(gè)水平煙道內(nèi)的煙氣熱偏差，最佳擺動(dòng)角度為豎直向下擺動(dòng)10°。 對爐內(nèi)主燃區(qū)壁面的結(jié)渣趨勢進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)易發(fā)生結(jié)渣的區(qū)域位于各燃燒器射流末端對同側(cè)壁面的沖刷區(qū)域，上、下組燃燒器之間區(qū)域，上組燃燒器與燃盡風(fēng)之間區(qū)域以及前墻壁面熱角區(qū)域。后墻壁面熱角區(qū)域并無明顯結(jié)渣現(xiàn)象。前墻熱角易發(fā)生結(jié)渣的主要原因是爐內(nèi)的流場呈斜橢圓形，導(dǎo)致高溫煤粉射流沖刷前墻壁面，而通過對爐膛冷角的一次風(fēng)噴口進(jìn)行反切，并不能十分有效地減輕煤粉結(jié)渣問題。 研究結(jié)果表明，雙切圓鍋爐爐內(nèi)斜橢圓形流場產(chǎn)生的根本原因在于燃燒器的非正方形布置與各燃燒器射流的不同程度偏斜。通過理論分析得到影響燃燒器射流偏斜的經(jīng)驗(yàn)公式和關(guān)鍵因素，并對射流速度比值、射流沖擊位置和射流沖擊角度等因素進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。針對這些影響因素提出了一些工程實(shí)踐中的優(yōu)化和改造措施。 提出半墻式半角式的燃燒器布置形式，搭建冷態(tài)試驗(yàn)臺，對爐內(nèi)的空氣動(dòng)力場進(jìn)行測量，并與墻式燃燒器布置形式對比。同時(shí)通過數(shù)值模擬的方法對兩種燃燒器布置形式下的爐內(nèi)燃燒過程和壁面結(jié)渣趨勢進(jìn)行對比。對比結(jié)果證明，燃燒器采用半墻式半角式布置方式后，基本解決了斜橢圓形流場和前墻熱角壁面結(jié)渣的問題，但形成的切圓流場偏向爐膛側(cè)墻，且氣流對部分壁面的沖刷情況有所加劇，整個(gè)流場的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量增大，導(dǎo)致爐膛出口的煙氣熱偏差增大。 通過整體調(diào)節(jié)燃燒器射流角度，對半墻式半角式燃燒器布置形式鍋爐內(nèi)的切圓流場位置進(jìn)行優(yōu)化，得到了更合理的流場分布并更有效的改善了各個(gè)爐膛壁面的結(jié)渣情況。通過反切燃盡風(fēng)的方式來改善該燃燒器布置形式下爐膛出口的熱偏差現(xiàn)象。由于主氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量較大，故燃盡風(fēng)反切角度較大時(shí)也未在爐內(nèi)形成氣流反旋現(xiàn)象，燃盡風(fēng)最佳反切角度為10°。 本文研究結(jié)果解決了雙切圓超超臨界褐煤鍋爐爐膛出口熱偏差和爐內(nèi)主燃區(qū)熱角壁面結(jié)渣的問題，對該類鍋爐工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。 【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK229.6

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