W型火焰鍋爐氣固兩相流試驗研究

張方時/黑龍江省電力科學研究院

W型火焰鍋爐氣固兩相流試驗研究

張方時/黑龍江省電力科學研究院

根據多次引射分級燃燒技術，搭建了氣固兩相冷態模化試驗臺。本試驗在保持拱上、拱下二次風噴口總面積不變，拱下二次風的下傾角度不發生改變的情況下，研究拱下與拱上二次風在一定配風比對爐內的燃燒特性的影響。試驗結果表明拱下二次風的引入對于防止冷灰斗的結渣具有重要的作用。

W型火焰鍋爐；氣固兩相流；二次風

一、前言

我國擁有豐富的煤炭資源，是世界上最大的煤炭生產國和消費國，也是世界上少數幾個以煤為主要能源的國家之一。根據相關部門的預測，到2015年，在我國的一次能源消費結構當中，煤炭資源所占的比重約為62.6%；到2050年，隨著新能源的開發和技術成熟加以利用，煤炭資源所占的比重將會有所下降，但是依然將超過50%以上在我國的能源生產和消費結構中。

我國的電力政策是火電廠優先燃用劣質煤，無煙煤是劣質煤的一種，由于無煙煤的‰≤10%，所以燃燒無煙煤有三難：著火難、穩燃難和燃盡難。目前燃用無煙煤的鍋爐多為“W”火焰鍋爐。“W”火焰鍋爐是由美國FW公司首創，后經法國Stein公司和日本HIT·FW公司等不斷完善而發展起來的新型鍋爐，綜合了強化無煙煤燃燒的各種措施——延長火焰、分級送風、煤粉濃縮、敷設衛燃帶等，非常適合于燃燒無煙煤。上世紀80年代末“W”火焰燃燒技術引入我國，現已成為我國燃用低揮發分煤應用最為廣泛的技術。

目前我國傳統的幾大鍋爐廠都擁有相關的W火焰鍋爐技術，但是一個不容忽視的現狀是我國的目前所投入生產使用的W火焰鍋爐技術大部分是從國外引進而來。由于國外的相關技術并不是十分的適應于中國的煤質現狀，所以利用從國外直接引進的W火焰鍋爐技術的在中國國內的應用存在著燃燒效率偏低、可燃物含碳量偏高、易于結渣、NOx排放量過高等問題的存在。

現階段我國多個高校和研究所針對于上述存在的問題，進行了對該項技術系統的研究和二次開發，逐漸形成了具有獨立自主知識產權的W火焰鍋爐的相關技術，其最主要的特點就是提升了燃燒效率，降低了NOX排放量，這也成功的解決了國外此項技術應用于國內鍋爐存在的主要的問題。

二、試驗研究

1.試驗臺搭建。

（1）多次引射分級技術。

圖1是W火焰鍋爐多次引射分級技術示意圖。從圖中可以看到在爐拱上從爐膛中心向前后墻依次布置一次風、內二次風、乏氣和外二次風，在每組燃燒器的邊側布置二次風噴口。此技術燃燒器將一次風噴口布置在靠近爐膛中心的一側，使一次風直接接受來自爐膛中心的高溫煙氣的輻射和對流熱量，以及時著火并穩定燃燒；同時一次風風速取值較低，同樣有利于著火。為保證煤粉氣流的下射深度，內、外二次風以及拱下二次風風速取值較高，以不斷帶動一次風向下運動，同時又實現了逐級供風，提供了煤粉燃燒所需的空氣，保證了煤粉的燃燒和爐膛的穩定性。將內二次風布置在一次風和乏氣之間，實現了燃料分級；將二次風分為內、外二次風以及拱下二次風，同時由二次風箱中引出部分風由燃盡風噴口給入，實現了深度空氣分級，可有效控制氮氧化物的生成。將外二次風布置在靠近前后墻的位置，以防止前后墻的結渣。

（2）試驗測量方法。

冷態試驗測點分布如圖2所示，坐標原點設在爐膛中心線與一次風噴口出口處所在水平直線的交點處。即X/X0=0處為爐膛中心，X/X0=0.5為靠近爐膛前墻的位置。豎直方向的正方向為指向下方，水平方向的正方向為爐膛中心指向爐膛前墻的方向。H0為一次風噴口出口處豎直向下到與冷灰斗交點的距離，X0為爐膛的前后墻之間的距離。為了更加便于研究拱下二次風對于爐內流場的影響，所以在拱下二次風附近選擇的測點較為密集。每一個截面沿X方向均選取若干測量點進行數據采集。采集點的安排為濃相區相對密集，在內、外二次風、一次風以及乏氣噴口下方都設定采集點，稀相區的采集點都相對稀疏一些。定義Vx為水平方向上的速度，Vy為豎直方向上的速度，Vy0為一次風噴口出口處的豎直方向上的速度。

本試驗中使用的測量系統的名稱為三維激光顆粒動態分析儀（3D-Phase Doppler Particle Anemometer），這種分析儀器是由德國的Dantec Dynamics公司生產制造的。整個PDA測量系統的系統圖如圖4所示。該試驗儀器具有以下的優勢：

1.該測量系統可以對試驗過程中的粒子濃度、粒徑大小以及所設立的x、y、z三個方向上的速度大小進行同時的測量；

2.該測量系統可以進行測量的速度范圍十分廣泛。無論被測粒子是處于靜止的狀態還是正處于超音速的運動狀態，即便是處于環流湍流狀態中的粒子在做作反向流動的時候，該測量系統都可以進行測量；

3.該測量系統所測量的粒子尺寸范圍很大，微米量級到厘米量級都處于該系統的測量范圍。相對于其他的測量系統，PDA系統的精度以及空間分辨率都相對較高；

4.該測量系統不需要進行標定，機械測量探頭的局限性可以被有效的避免。

表1中所示的就是試驗工況。在保持拱上、拱下二次風噴口總面積不變，拱下二次風的下傾角度不發生改變的情況下，研究拱下與拱上二次風在一定配風比對爐內的燃燒特性的影響。

3.試驗結果分析

爐內固相和氣相的豎直速度分布如圖5所示，從圖中可以觀察到氣相和固相具有相似的分布規律。另外，所有的截面都清晰的反映出，靠近爐膛中心（X/X0=0）位置其速度為負值，而靠近爐膛邊壁（X/X0=0.5）的位置速度為正值，即為靠近爐膛中心的位置氣流的方向是豎直向上的，而靠近爐膛邊壁位置的速度方向是豎直向下的，因此可以驗證氣流在爐膛內部構成了W形的流動方式。

通過圖5的所有截面可以得出如下結論，在X/X0=0.4的附近出現一個速度的峰值，這個位置為內二次風區域附近，這個峰值的產生的原因主要是由于二次風的引入而造成的。隨著所選擇爐膛截面的向下移動，這個峰值逐漸減小，造成這種

現象的原因主要是隨著氣流的逐步下深，氣流逐漸同周圍氣體進行混合而產生的。圖5也可以清晰地反映出由于拱下二次風的引入，使氣流逐漸偏向爐膛的中心區域。

從圖5可以分析得出內、外二次風對于煤粉氣流具有引射的作用，同時由于拱下二次風的速度過小，也影響對下沖氣流的“攔截”作用，這些原因都導致了煤粉氣流速度較大，而有較深的下傾深度，從這個圖也可以得出拱下二次風所占比例過小，則冷灰斗易被煤粉氣流沖刷從而造成結渣的結論。

從圖6可以清晰的觀察到氣相和固相具有相似的速度分布趨勢，在H/H0=0.07到H/H0=0.14的截面存在兩個峰值，這兩個峰值分別是由濃煤粉氣流和淡煤粉氣流產生的，而在水平方向上的速度均是由于爐內煤粉氣流的偏斜造成的，所以存在兩個峰值。在截面 H/H0=0.21到截面H/H0=0.42的時候，我們可以觀察到這個時候水平方向的速度峰值只存在一個，這主要是因為隨著氣流的繼續向下移動，氣流之間逐漸混合擴散而造成的。另外，在截面H/H0=0.437到截面H/H0=0.594之間，較之前各截面存在一個較明顯的峰值，這主要是因為拱下二次風的引入，使得氣流突然出現一個較大的水平速度。拱下二次風的噴口所在截面為H/H0=0.437,，但是我們可以觀察到最大的峰值出現在H/H0=0. 455這個截面上，這主要是因為本課題試驗臺的拱下二次風風箱的噴口是向下傾斜25度的，所以拱下二次風的引入影響最大的截面要比H/H0=0.437偏下。

從圖6我們也可以觀察到從截面H/H0=0.07到截面H/H0=0.35之間的水平速度大部分是負值，這個負值表明此時的氣流方向是由爐膛中心流向靠近爐膛邊壁的方向，這也就說明了爐膛內部存在一個比較大的回流區域。回流區域的存在利于煤粉顆粒的燃燒，這是因為高溫煙氣的回流可以對一次風射出的氣流進行輻射以及對流的熱量交換，這種對于一次風氣體的加熱也就便于一次風氣體可以快速的著火。

四、結論

對拱下、拱上一定配風比的設計工況進行了氣固兩相試驗研究，試驗結果表明，爐內氣流的流場穩定，一次風通過多次引射作用可以下深到冷灰斗部位，充分的利用了爐膛的空間，使煤粉顆粒在爐內有足夠多的停留時間。本章的試驗結果也可以表明，拱下二次風的引入對于防止冷灰斗的結渣具有重要的作用。

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圖1 W火焰鍋爐多次引射分級燃燒技術示意圖

圖2 冷態試驗測點分布圖

圖3 測量系統示意圖

表1 各股氣流出口參數

圖5 氣固兩相豎直無量綱速度分布

圖6 氣固兩相水平無量綱速度分布