閆高程，　齊　心，　任　婷，　劉　石

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206)

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高溫氧氣發(fā)生器在W火焰鍋爐中的點(diǎn)火特性

閆高程，齊心，任婷，劉石

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206)

摘要：針對(duì)燃用無(wú)煙煤的W火焰鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中要消耗大量燃油的問(wèn)題，提出了一種高溫氧氣直接點(diǎn)火技術(shù)：用少量燃油將氧氣加熱至高溫狀態(tài)，然后用高溫氧氣直接點(diǎn)燃無(wú)煙煤煤粉氣流.利用熱態(tài)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法證明了該技術(shù)的可行性和有效性.結(jié)果表明：利用高溫氧氣發(fā)生器可將氧氣安全可靠地加熱至最高可達(dá)1 450 ℃的高溫狀態(tài)；在純氧氛圍的作用下，燃油具有瞬間燃盡的特點(diǎn)；高溫氧氣發(fā)生器出口處的溫度場(chǎng)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)均勻分布；當(dāng)高溫氧氣發(fā)生器的點(diǎn)火熱功率為700 kW時(shí)，無(wú)煙煤煤粉氣流的火焰溫度達(dá)到1 250 ℃，火焰長(zhǎng)度超過(guò)8 m.

關(guān)鍵詞：W火焰鍋爐； 高溫氧氣發(fā)生器； 煤粉燃燒； 點(diǎn)火； 數(shù)值模擬

大型電站燃煤鍋爐在冷態(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)和低負(fù)荷穩(wěn)燃過(guò)程中要消耗大量的燃油，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)600 MW主力發(fā)電機(jī)組的平均年耗油量為451.62 t/臺(tái)，整個(gè)電力工業(yè)耗油量已達(dá)到1.6×107t/a[1]，因此各類(lèi)電站燃煤鍋爐節(jié)油技術(shù)得到了日益廣泛的重視和研究.

目前，主要的電站燃煤鍋爐節(jié)油技術(shù)有3種：等離子點(diǎn)火技術(shù)[2]、微油點(diǎn)火技術(shù)[3]和微油-富氧點(diǎn)火技術(shù)[4].這3種技術(shù)在燃用煙煤和褐煤機(jī)組上取得了良好的節(jié)油效果，但對(duì)于燃用無(wú)煙煤的W火焰鍋爐，仍然存在煤粉燃盡率低、不能擺脫大油槍等問(wèn)題，造成該類(lèi)型鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中耗油量較高，經(jīng)濟(jì)性較差.

研究表明，無(wú)煙煤在富氧氛圍下的著火溫度比空氣氛圍下降低約50 K，燃盡溫度下降約150 K[5]，煤粉的最大燃燒失重率增大一倍，綜合燃燒指數(shù)增大近5倍[6].因此，基于無(wú)煙煤在富氧氛圍下的燃燒特性明顯改善，筆者提出了高溫氧氣直接點(diǎn)火技術(shù)，以解決燃用無(wú)煙煤的W火焰鍋爐點(diǎn)火耗油量偏高的問(wèn)題.該技術(shù)的原理是在特定的高溫氧氣發(fā)生器內(nèi)用極少量燃油將常溫氧氣加熱至高溫狀態(tài)(本文實(shí)驗(yàn)中氧氣溫度最高達(dá)到1 450 ℃)，然后再將高溫氧氣送入特殊設(shè)計(jì)的煤粉點(diǎn)火燃燒器中，直接點(diǎn)燃無(wú)煙煤煤粉氣流.不同于常規(guī)的點(diǎn)火方法，在該技術(shù)中，高溫氧氣不僅具有氧化劑的助燃作用，而且作為熱源直接點(diǎn)燃煤粉.

高溫氧氣直接點(diǎn)火技術(shù)的核心是高溫氧氣發(fā)生器和煤粉點(diǎn)火燃燒器.因此，筆者首先用熱態(tài)實(shí)驗(yàn)方法研究了高溫氧氣發(fā)生器的性能特點(diǎn)，然后采用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同工況下高溫氧氣發(fā)生器的著火特性和無(wú)煙煤煤粉氣流在W火焰鍋爐旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器中的著火情況.

1高溫氧氣發(fā)生器

1.1高溫氧氣發(fā)生器原理

高溫氧氣發(fā)生器的原理如圖1所示.該發(fā)生器的工作流程如下：燃油經(jīng)燃油噴嘴霧化后噴射到燃油穩(wěn)燃室內(nèi)，然后與穩(wěn)燃氧氣噴嘴送入的氧氣充分混合，在電打火裝置的作用下，形成穩(wěn)定持續(xù)的燃油火焰；大量的熱載體氧氣以切向旋流方式噴入到高溫氧氣加熱室中，形成強(qiáng)旋流流場(chǎng)，與油火焰強(qiáng)烈混合，其中少部分氧氣用于補(bǔ)充燃油燃盡所需的氧量，剩余的大量氧氣則吸收燃油燃燒過(guò)程中釋放的熱量，溫度急劇升高，形成高溫氧氣.

圖1　高溫氧氣發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖

1.2高溫氧氣發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)

高溫氧氣發(fā)生器實(shí)物如圖2所示，熱態(tài)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示.該系統(tǒng)由燃油系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、高壓風(fēng)系統(tǒng)、壁溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和高溫氧氣發(fā)生器組成.其中燃油壓力為2.5 MPa，燃油質(zhì)量流量為20～80 kg/h且可調(diào)；氧氣壓力為0.2～0.3 MPa，體積流量為200～1 000 m3/h；高壓風(fēng)壓力為2 000 Pa；壁溫監(jiān)測(cè)采用鉑銠-鉑銠熱電偶，最高測(cè)量溫度可達(dá)1 600 ℃.

(a)前端(b)后端

圖2高溫氧氣發(fā)生器實(shí)物圖

Fig.2Real picture of the high-temperature oxygen generator

1.3高溫氧氣發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)研究

高溫氧氣的溫度和體積流量是影響煤粉點(diǎn)火效果的關(guān)鍵參數(shù).因此，非常有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定不同工況下高溫氧氣體積流量與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)霧化良好的燃油在純氧氛圍下的燃燒強(qiáng)度非常高，在高溫氧氣發(fā)生器的出口處燃油已經(jīng)基本燃盡，人眼無(wú)法直接觀察到燃油火焰，只能觀察到劇烈抖動(dòng)的無(wú)色氣流熱浪.然而CCD攝像機(jī)記錄下的實(shí)驗(yàn)畫(huà)面利用灰度的差異能夠識(shí)別出高溫區(qū)范圍，但卻不能識(shí)別出不同工況下的溫度差別.選取4個(gè)具有代表性的典型工況，其相應(yīng)的高溫氧氣發(fā)生器火焰如圖4所示.由圖4可以看出，大功率工況(即工況4)的高溫區(qū)范圍明顯大于小功率工況的高溫區(qū)范圍.本實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)如表1所示.

圖3　高溫氧氣發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

(a)工況1(350kW)(b)工況2(350kW)

(c)工況3(580kW)(d)工況4(700kW)

圖4不同工況下高溫氧氣發(fā)生器的火焰

Fig.4Flames generated by the high-temperature oxygen generator under different conditions

表1　高溫氧氣發(fā)生器點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)高溫氧氣發(fā)生器在不同工況下的性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了燃油在高溫氧氣發(fā)生器出口瞬間燃盡的特點(diǎn)，并找到了高溫氧氣溫度與體積流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明該裝置能夠利用極少量燃油安全、可靠地將氧氣加熱到最高可達(dá)1 450 ℃的高溫狀態(tài).

2數(shù)值計(jì)算

為了從理論上全面分析和驗(yàn)證高溫氧氣的點(diǎn)火特性，以W火焰鍋爐的旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器為研究對(duì)象，采用Fluent軟件對(duì)煤粉氣流在高溫氧氣作用下的著火過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬.由于燃燒器的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生成的網(wǎng)格質(zhì)量較差，模擬結(jié)果精度偏低，因此將模擬對(duì)象分為2部分分別進(jìn)行數(shù)值模擬.第一部分是對(duì)高溫氧氣發(fā)生器的著火特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并將高溫氧氣發(fā)生器出口端面的氧氣溫度、速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸出為profile文件；第二部分是對(duì)W火焰鍋爐的旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器本體的煤粉氣流著火情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將第一部分輸出的profile文件作為此部分高溫氧氣的入口邊界條件.

2.1計(jì)算模型的選取

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對(duì)連續(xù)相(氣相)采用Euler坐標(biāo)系下的k-ε雙方程湍流模型[7]，采用大渦模型(LES)模擬氣相湍流燃燒[8]，火焰輻射傳熱采用離散坐標(biāo)(DO)模型[9]，油滴顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡采用離散相模型[10]，油滴的碰撞和破碎采用泰勒類(lèi)比破碎(TAB)模型[11]，焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型[12].采用壓力耦合方程組的半隱式方法(Simple)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[13].

2.2數(shù)值計(jì)算有效性分析

2.2.1高溫氧氣溫度值的有效性分析

高溫氧氣發(fā)生器的主要表征參數(shù)是氧氣溫度，因此將數(shù)值模擬所得溫度值(即數(shù)值計(jì)算值，見(jiàn)圖5)與實(shí)驗(yàn)值(見(jiàn)表1)進(jìn)行比較，如表2所示.

由表2可以看出，高溫氧氣溫度值的絕對(duì)偏差最大不超過(guò)85 K，相對(duì)偏差最大為5.86%，各個(gè)工況高溫氧氣溫度數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的背離現(xiàn)象，隨著點(diǎn)火熱功率和熱載體氧氣體積流量的變化，數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本能夠與實(shí)驗(yàn)值同步變化.

表2　高溫氧氣溫度數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較

2.2.2高溫氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)值的有效性分析

點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)所用的燃油是輕柴油，其主要成分的化學(xué)組成式為C16H34和C16H32，F(xiàn)luent軟件材料庫(kù)自帶的燃油是燃料油，化學(xué)組成式為C19H30，從數(shù)值計(jì)算的角度分析，通過(guò)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的設(shè)定，可以用燃料油代替輕柴油進(jìn)行數(shù)值模擬.燃料油(C19H30)在氧氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為

2C19H30+53O2=38CO2+30H2O

(1)

通過(guò)式(1)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出不同給氧量情況下，一定量的燃油完全燃盡時(shí)所生成的高溫氧氣中各組分的質(zhì)量配比關(guān)系(見(jiàn)表3).

表3　不同工況下的高溫氧氣組分

將表3中的高溫氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行比較，如表4所示.

由表4可知，高溫氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值與數(shù)值計(jì)算值的絕對(duì)偏差不超過(guò)4%，相對(duì)偏差最大為-3.95%，說(shuō)明高溫氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果吻合良好.

綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果通過(guò)了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，證明數(shù)值計(jì)算方法基本正確.因此，筆者認(rèn)為采用相同的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)煤粉氣流在旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器中的著火情況進(jìn)行模擬計(jì)算，其結(jié)果也應(yīng)當(dāng)基本準(zhǔn)確，可以對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析.

表4高溫氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值與數(shù)值計(jì)算值的比較

Tab.4Comparison of oxygen mass fraction between theoretical calculation and numerical simulation%

2.3高溫氧氣發(fā)生器的數(shù)值計(jì)算

由于反映柴油燃燒狀況和高溫氧氣發(fā)生器性能特點(diǎn)的主要指標(biāo)是燃油燃燒溫度場(chǎng)、燃油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，因此數(shù)值計(jì)算主要圍繞上述3個(gè)方面展開(kāi).

2.3.1計(jì)算區(qū)域的邊界條件

穩(wěn)燃氧氣設(shè)為速度入口.熱載體氧氣共分為8組，沿徑向均勻分布，均設(shè)為速度入口，以假想切圓直徑20 mm的角度徑向射入燃油穩(wěn)燃室內(nèi).油滴的粒徑為Rosin-Rammler分布，最小直徑為20 μm，最大直徑為60 μm，平均直徑為40 μm.環(huán)境大氣空間的邊界均為壓力出口.

計(jì)算工況的邊界條件與上述高溫氧氣點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)工況的參數(shù)完全相同，以確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間具有可比性.

2.3.2溫度場(chǎng)

圖5給出了不同工況下高溫氧氣發(fā)生器及燃燒室軸向剖面的溫度場(chǎng).通過(guò)對(duì)4個(gè)工況的比較，發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn)：

圖5　不同工況下高溫氧氣發(fā)生器的溫度場(chǎng)

Fig.5Temperature field in the high-temperature oxygen generator under different conditions

(1) 在穩(wěn)燃氧氣的助燃下，燃油穩(wěn)燃室內(nèi)根部燃油火焰的最高溫度為1 800 ℃左右，說(shuō)明油霧燃燒非常穩(wěn)定，證明穩(wěn)燃氧氣的作用非常顯著.

(2) 4個(gè)不同工況的根部火焰形狀基本相同，說(shuō)明熱載體氧氣體積流量和點(diǎn)火熱功率的變化對(duì)燃油穩(wěn)燃室內(nèi)的根部火焰影響較小.

(3) 在高溫氧氣加熱室的出口處，加熱后的高溫氧氣基本達(dá)到了最高溫度，下游區(qū)域的高溫氧氣溫度沒(méi)有進(jìn)一步升高，說(shuō)明燃油在高溫氧氣加熱室內(nèi)部基本燃盡，這與實(shí)驗(yàn)臺(tái)觀察到的實(shí)際燃燒情況一致.

2.3.3速度場(chǎng)

高溫氧氣發(fā)生器的一個(gè)主要特點(diǎn)是氧氣的強(qiáng)旋流設(shè)計(jì)，氧氣的流場(chǎng)特點(diǎn)對(duì)燃油的燃盡速度、溫度場(chǎng)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布均有重要影響.因此，以工況1和工況2為代表，給出了高溫氧氣發(fā)生器熱載體氧氣噴嘴截面的徑向速度場(chǎng)(見(jiàn)圖6)和軸向速度場(chǎng)(見(jiàn)圖7和圖8).

圖6工況1的徑向速度場(chǎng)

Fig.6Radial velocity field in case 1

圖7　工況1的軸向速度場(chǎng)

分析圖6可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 熱載體氧氣在幾何模型中以假想切圓直徑20 mm的角度從8個(gè)熱載體氧氣噴嘴射入高溫氧氣加熱器，然后各股高溫氧氣受到相鄰上游氣流的推動(dòng)，最終形成的冷態(tài)切圓直徑約為35 mm，這與理論分析相同.

(2) 熱態(tài)著火時(shí)最終形成的切圓直徑約為80 mm，這是由于在熱態(tài)著火狀態(tài)下，溫度升高，氣體體積急劇膨脹，氣流速度加快，各股高溫氧氣的動(dòng)量增大，推動(dòng)下游氣流的力量增強(qiáng)，造成切圓直徑進(jìn)一步增大，這也與理論分析相同.

(3) 從冷態(tài)和熱態(tài)的徑向速度場(chǎng)可知，高溫氧氣發(fā)生器內(nèi)的氣流旋轉(zhuǎn)非常明顯，擾動(dòng)強(qiáng)烈，這個(gè)特征對(duì)燃油的燃盡速度、溫度場(chǎng)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布產(chǎn)生了本質(zhì)的影響.

通過(guò)圖7與圖8的比較可以發(fā)現(xiàn)：

圖8　工況2的軸向速度場(chǎng)

(1) 熱載體氧氣的體積流量較大時(shí)，在高溫氧氣加熱室的出口處形成了較為明顯的回流區(qū)，如工況1(高溫氧氣體積流量為600 m3/h)所示；隨著熱載體氧氣體積流量的減小，回流強(qiáng)度變小，逐漸變?yōu)橥^(qū)(回流速度基本為零)，如工況3(高溫氧氣體積流量為400 m3/h)所示.

(2) 回流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)表明，高溫氧氣速度越大，高溫氧氣加熱室內(nèi)的切向旋流強(qiáng)度越大，形成的回流區(qū)越明顯.

2.3.4燃油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

根據(jù)燃油燃燒理論，油滴在燃燒前受熱、蒸發(fā)、汽化，成為氣態(tài)后才開(kāi)始燃燒，因此燃油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特點(diǎn)對(duì)燃油的燃燒有重要影響.圖9給出了不同工況下的燃油蒸氣(C19H30)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布.通過(guò)分析圖9，發(fā)現(xiàn)高溫氧氣發(fā)生器內(nèi)燃油蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布有如下特點(diǎn)：

(1) 當(dāng)高溫氧氣體積流量較大時(shí)(如工況1)，熱載體氧氣形成的切向旋流非常明顯，形成較強(qiáng)的回流區(qū)，在此速度場(chǎng)的影響下，燃油蒸氣被旋轉(zhuǎn)的高溫氧氣卷吸、甩到了高溫氧氣加熱室的壁處，形成“凹”形的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖.

(2) 隨著熱載體氧氣體積流量的減小(如工況2)，切向旋流強(qiáng)度逐漸減小，高溫氧氣卷吸燃油蒸氣的力量減弱，燃油蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸由“凹”形變?yōu)椤巴埂毙?

圖9　燃油蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

(3) 燃油蒸氣主要分布在高溫氧氣加熱器內(nèi)部和出口附近區(qū)域，說(shuō)明燃油的汽化和燃燒在此區(qū)域內(nèi)已基本完成.在燃燒室的其他區(qū)域已基本觀察不到剩余燃油蒸氣的存在，說(shuō)明燃油蒸氣已經(jīng)完全燃盡，這個(gè)特征與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合.

2.3.5氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖10給出了不同工況下高溫氧氣發(fā)生器的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.由圖10可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 各工況中心軸線區(qū)域的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)比其他區(qū)域略低，這是由于燃油從高溫氧氣發(fā)生器的中心軸線處噴入，中心區(qū)域的油滴濃度相對(duì)較高，在其燃燒過(guò)程中消耗了較多的氧氣，導(dǎo)致中心區(qū)域的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，這與理論分析結(jié)果一致.

(2) 除軸線區(qū)域以外的其他區(qū)域，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布相對(duì)均勻，這主要是由于高溫氧氣發(fā)生器內(nèi)的切向旋流強(qiáng)度大，擾動(dòng)強(qiáng)烈，形成了均勻的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.

圖10　不同工況下高溫氧氣發(fā)生器的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，高溫氧氣發(fā)生器具有切向旋流強(qiáng)度大、燃盡速度快和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布均勻的特點(diǎn)，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值接近.

2.4旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的數(shù)值計(jì)算

2.4.1旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器原理

以中國(guó)大唐集團(tuán)公司合山發(fā)電廠W火焰直流鍋爐的旋風(fēng)筒燃料預(yù)熱型煤粉燃燒器為原型，提出了高溫氧氣旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的改造方案(見(jiàn)圖11).以該方案為原型，完成了高溫氧氣點(diǎn)火過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，燃燒室計(jì)算區(qū)域?yàn)橹睆?.5 m、長(zhǎng)8 m.

圖11　高溫氧氣旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

由于反映煤粉燃燒強(qiáng)度的主要指標(biāo)是燃燒溫度、揮發(fā)分的析出與燃燒、煤中焦炭的燃盡量和風(fēng)粉氣流中氧氣的消耗量，因此對(duì)以上4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用計(jì)算軟件后處理的“volume integrals”功能，采用“sum”選項(xiàng)統(tǒng)計(jì)出包括燃燒器和計(jì)算區(qū)域在內(nèi)的揮發(fā)分析出量、焦炭燃盡量和氧氣消耗量等主要指標(biāo).

2.4.2數(shù)值計(jì)算幾何模型

為了改善網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算精度，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖12所示.

2.4.3邊界條件

高溫氧氣入口邊界條件：將高溫氧氣發(fā)生器數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，將該發(fā)生器出口端面的氧氣溫度、速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸出為profile文件，作為旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器高溫氧氣的入口邊界條件.

風(fēng)粉氣流的入口設(shè)為速度入口.煤粉粒徑為Rosin-Rammler分布，最小直徑為25 μm，最大直徑為95 μm，平均直徑為60 μm.燃燒室出口為壓力出口.

圖12　三維旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的幾何模型

2.4.4煤質(zhì)分析

采用該電廠的設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行數(shù)值模擬，即85%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的貴州無(wú)煙煤與15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合山本地煤的混煤，其煤質(zhì)分析如表5所示.

表5　煤質(zhì)分析

2.4.5溫度場(chǎng)

圖13給出了旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器及燃燒室軸向剖面的溫度場(chǎng).由圖13可以看出，工況1和工況2的點(diǎn)火熱功率為350 kW，由于高溫氧氣溫度較低，對(duì)無(wú)煙煤的加熱速率相對(duì)較慢，不能將無(wú)煙煤迅速加熱至著火溫度，不足以讓無(wú)煙煤持續(xù)穩(wěn)定燃燒，導(dǎo)致反應(yīng)鏈斷裂，所以整個(gè)燃燒室的溫度場(chǎng)比較低，尤其是工況1，在燃燒室出口處的溫度急劇下降，說(shuō)明煤粉火焰已經(jīng)熄滅.工況3的點(diǎn)火熱功率為580 kW，燃燒室中心區(qū)域的溫度保持在950～1 150 ℃，在空氣氛圍下，垂直升降爐中無(wú)煙煤著火時(shí)的最低氣體溫度為1 018 ℃[14].因此，可以認(rèn)為此時(shí)的無(wú)煙煤煤粉氣流處于臨界著火狀態(tài).工況4的點(diǎn)火熱功率為700 kW，燃燒室中心區(qū)域的溫度為1 250 ℃左右，高溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，此溫度場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到了無(wú)煙煤穩(wěn)定燃燒的要求，說(shuō)明該工況取得了良好的點(diǎn)火效果.

圖13　不同工況下旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的溫度場(chǎng)

2.4.6揮發(fā)分質(zhì)量流量分布

揮發(fā)分的分布區(qū)域和析出量反映了煤粉是否能夠及時(shí)著火燃燒.圖14和圖15給出了不同工況下?lián)]發(fā)分的質(zhì)量流量分布和析出量.由圖14和圖15可以看出，隨著點(diǎn)火熱功率的增大，揮發(fā)分的析出量迅速增大，工況4的揮發(fā)分析出量占了煤粉揮發(fā)分總含量的98%，說(shuō)明煤粉在燃燒室內(nèi)的燃燒已經(jīng)非常強(qiáng)烈.

圖14　不同工況下?lián)]發(fā)分的質(zhì)量流量分布

圖15　不同工況下?lián)]發(fā)分的析出量

2.4.7焦炭燃盡量分布

無(wú)煙煤的燃燒過(guò)程主要是焦炭的燃燒，焦炭燃盡量能夠直接表征煤粉燃燒的強(qiáng)度和穩(wěn)定性.圖16和圖17給出了不同工況下的焦炭燃盡量分布及其占煤粉焦炭總含量的比例.由圖16可以看出，工況1和工況2在燃燒室的后半部分觀察不到焦炭燃盡區(qū)域，說(shuō)明已經(jīng)沒(méi)有煤粉在此處燃燒，這一結(jié)論與溫度場(chǎng)的分布特征一致；工況3和工況4整個(gè)燃燒室區(qū)域內(nèi)都可以觀察到明顯的焦炭燃盡區(qū)域，說(shuō)明煤粉在整個(gè)燃燒室區(qū)域都在著火，工況4在燃燒室內(nèi)的焦炭燃盡量占煤粉焦炭總含量的45%，說(shuō)明煤粉在8 m(即燃燒室的長(zhǎng)度)的燃燒行程中，已經(jīng)有45%的煤粉燃盡，證明煤粉的燃燒是非常強(qiáng)烈的.由圖15和圖17可以看出，煤粉的揮發(fā)分析出量曲線與焦炭燃盡量曲線具有類(lèi)似之處，說(shuō)明焦炭燃盡量明顯受到揮發(fā)分析出量的影響.

圖16　不同工況下焦炭燃盡量的分布

圖17　不同工況下焦炭燃盡量的比較

2.4.8氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖18反映了不同工況下燃燒室內(nèi)氧氣的消耗情況，圖19給出了不同工況下燃燒室出口處的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù).由圖18和圖19可以看出，工況3和工況4的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)急劇下降，說(shuō)明氧氣消耗量大大增加，反映出煤粉揮發(fā)分和焦炭燃燒強(qiáng)烈，消耗較多氧氣.與其他工況相比，工況4下燃燒室出口處的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%，處于高溫缺氧燃燒狀態(tài)，說(shuō)明該工況若能繼續(xù)增大供氧量，煤粉燃燒可進(jìn)一步改善.

圖18　不同工況下燃燒室內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖19　不同工況下燃燒室出口處的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

綜上所述，當(dāng)高溫氧氣發(fā)生器的點(diǎn)火熱功率W=350 kW時(shí)，高溫氧氣未能將無(wú)煙煤煤粉氣流穩(wěn)定點(diǎn)燃；當(dāng)W=500 kW時(shí)，煤粉氣流基本能夠點(diǎn)燃，溫度場(chǎng)反映出煤粉氣流處于著火所需溫度的臨界狀態(tài)；當(dāng)W=700 kW時(shí)，火焰中心溫度達(dá)到1 250 ℃左右，揮發(fā)分析出量占煤粉揮發(fā)分總含量的98%，焦炭燃盡量占煤粉焦炭總含量的45%，說(shuō)明煤粉氣流著火非常穩(wěn)定.

旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，用高溫氧氣點(diǎn)燃W火焰鍋爐旋風(fēng)筒點(diǎn)火燃燒器的無(wú)煙煤煤粉氣流是可行和有效的.

3結(jié)論

(1) 高溫氧氣發(fā)生器利用少量燃油即可將氧氣安全可靠地加熱至最高可達(dá)1 450 ℃的高溫狀態(tài).

(2) 在高溫氧氣發(fā)生器的純氧氛圍下，燃油的燃燒速度非常迅速，在高溫氧氣加熱室的出口位置，燃油已基本全部燃盡.

(3) 在強(qiáng)旋流速度場(chǎng)作用下，高溫氧氣發(fā)生器出口處的溫度場(chǎng)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)均勻分布.

(4) 當(dāng)高溫氧氣發(fā)生器的點(diǎn)火熱功率為700 kW時(shí)，無(wú)煙煤煤粉氣流的火焰溫度達(dá)到1 250 ℃，火焰長(zhǎng)度超過(guò)8 m，說(shuō)明無(wú)煙煤煤粉氣流著火穩(wěn)定，證明用高溫氧氣來(lái)點(diǎn)燃W火焰鍋爐的無(wú)煙煤煤粉氣流是可行的.

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Ignition Characteristics of High-temperature Oxygen Generator in a W-flame Boiler

YANGaocheng,QIXin,RENTing,LIUShi

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract：To solve the problem of large oil consumption in cold start-up process of W-flame anthracite-fired boilers, a new ignition technology was proposed with the use of high-temperature oxygen. The specific way is to heat the oxygen to a high temperature with little oil, and then use the high-temperature oxygen to ignite the stream of pulverized anthracite. Hot-state experiments and numerical simulations were implemented to validate the feasibility and effectiveness of the proposed technology. Results show that oxygen can be safely heated to 1 450 ℃ using a high-temperature oxygen generator. In a pure oxygen environment, fuel oil would burn out instantaneously. At the outlet of high-temperature oxygen generator, both the temperature and oxygen mass fraction are uniformly distributed. When the ignition heat power is 700 kW, the flame temperature of pulverized anthracite stream would get up to 1 250 ℃, with the flame length being more than 8 meters.

Key words：W-flame boiler; high-temperature oxygen generator; pulverized coal combustion; ignition; numerical simulation

收稿日期：2015-06-04

修訂日期：2015-07-14

基金項(xiàng)目：智能化分布式能源系統(tǒng)創(chuàng)新引智基地資助項(xiàng)目(B13009)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015XS89，13XS08)

作者簡(jiǎn)介：閆高程(1977-)， 男，山西太原人，博士，主要從事電站鍋爐煤粉燃燒理論與污染物防治方面的研究.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)05-0343-09中圖分類(lèi)號(hào)：TK223.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.30

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