D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.02.041 第27卷第2期 北京科技大学学报 VoL.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 煤粉锅炉高温空气无油点火研究 李栋王恒赵立合冯武军陈燕 北京科技大学机械工程学院,北京100083 摘要在一维平面层流煤粉气流着火的数学模型的基础上,发展了一种更加逼近工程实际 的一维平面紊流煤粉气流着火模型.在该数学模型的指导下,设计了高温空气煤粉点火试验 台.通过大量的空气加热试验和煤粉气流着火试验,对模型进行了实验验证.结果显示,理论 模型的计算结果与实验相符合,验证了高温空气煤粉点火技术的可行性. 关键词煤粉气流:紊流:着火模型:高温空气:无油点火 分类号TK16 在电力行业,煤粉悬浮燃烧为锅炉的主要燃 1一维平面紊流煤粉气流的着火 烧方式,启动时通常用油点火,并且在低负荷运 行或煤质不稳定时也需用油来稳燃.随着机组容 模型 量向大型化发展,要求电网中有更多的机组参与 文献[1]提出了一种较为先进的一维平面层 调峰,致使点火和助燃用油大幅增加.因此,开发 流煤粉气流着火的数学模型,该模型较以往颗粒 无油点火与稳燃新技术,有着重要的意义, 群模型有了较大的进步,然而,实际电站锅炉中 目前,煤粉无油点火主要有三种技术,分别 煤粉气流是以湍流的形式喷入炉膛燃烧的,因此 为等离子直接点火、感应式直接点火和激光直接 上述一维层流煤粉气流着火的数学模型仍然与 点火技术.等离子无油点火技术已实现了工程应 实际炉内的情况有较大差别.另外,本文所研究 用,具有快速、适应性广等优点,但阴极棒的烧 的点火方式不同于锅炉燃烧器的炉膛喷燃,属于 损、中心氧化造成的引弧不稳定等问题仍未能较 管内湍流多相反应流动,着火点位于一级管内. 好解决:感应加热无油点火技术具有投资少、运 本文提出了一种一维平面紊流煤粉气流的 行成本低、系统简单等优点,但它也存在着感应 着火模型.该模型不仅详细描述了火焰中的辐射 管内结焦、过热等问题:激光直接点火技术等其 传热、煤粉热解、挥发分燃烧和多相反应等各个 他无油点火技术因为材料、成本、技术等客观原 过程,还考虑了湍流对气相质量及能量扩散的影 因,尚处于实验室研究开发阶段.在这种背景下, 响,使得该模型更加精确地逼近了实际情况.虽 本文提出了一种新型的无油点火技术一高温 然实际管内流动截面大小有限,气流被管壁包 空气煤粉直燃技术,该技术将工业炉窑中先进的 围,但当实际的着火燃烧过程稳定之后,壁面和 高温空气燃烧技术(HTAC)创造性地应用到了煤 气流之间的换热量非常小,可以忽略不计,认为 粉电站锅炉的无油点火中,通过将蓄热室技术和 壁面处的温度与相同轴向位置的气体温度相等, 中频加热技术的有机结合,迅速获得1000℃左右 因此系统可以简化成为一维的,其简化物理模型 的高温空气,并通过对流的方式将热量传递给煤 如图1所示. 粉气流,从而实现煤粉气流的快速、稳定、低NO 11建立数学模型的假设条件 的着火燃烧 (1)煤粉气流是一维、平面、稳态的紊流流动, 所有参数呈一维分布. 收稿日期:200403-19修回日期:200409-16 基金项目:国家“863"计划项目(No.2003AA529280) (2)煤粉气流中气相与颗粒相为等速运动,无 作者简介:李栋(1979一),男,硕士研究生 滑移现象,第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 煤粉锅炉高温空气无油点火研究 李 栋 王 恒 赵 立 合 冯 武军 陈 燕 北 京科技大 学 机械 工 程 学 院 , 北 京 摘 要 在 一 维 平 面 层 流 煤粉气 流 着 火 的 数 学 模 型 的基 础 上 , 发 展 了 一 种 更 加 逼 近 工 程 实 际 的 一 维 平 面 紊 流 煤粉气 流 着火 模型 在 该 数 学模型 的指 导 下 , 设 计 了 高温 空 气 煤粉 点 火 试验 台 通 过 大量 的 空 气加 热试 验 和 煤粉 气 流着 火试 验 , 对模 型 进行 了实 验验 证 结 果 显 示 , 理 论 模型 的计 算 结 果 与 实验 相 符 合 , 验证 了高 温 空 气 煤粉 点 火 技术 的可 行 性 关键 词 煤粉 气 流 紊 流 着 火模 型 高温 空 气 无 油 点 火 分 类号 在 电力 行 业 , 煤 粉 悬 浮 燃 烧 为锅 炉 的主 要 燃 烧 方 式 , 启动 时通 常 用 油 点 火 , 并且 在 低 负荷 运 行 或 煤质 不稳 定 时也 需用 油来 稳燃 随着 机 组容 量 向大 型化 发展 , 要 求 电网 中有 更 多 的机 组 参 与 调 峰 , 致 使 点火 和 助 燃用 油大幅增 加 因此 , 开 发 无 油 点 火 与 稳 燃 新 技 术 , 有着 重 要 的意义 , 目前 , 煤 粉 无 油 点火 主 要 有 三 种 技 术 , 分 别 为等 离子直 接 点火 、 感 应 式直 接 点火 和 激 光 直接 点火 技 术 等 离 子 无 油 点火 技术 已 实现 了工 程 应 用 , 具 有 快速 、 适 应性 广 等 优 点 , 但 阴极 棒 的烧 损 、 中心 氧 化造 成 的 引弧 不稳 定等 问题 仍未 能较 好 解 决 感 应 加 热 无 油 点火 技 术 具 有 投 资少 、 运 行 成 本低 、 系 统 简 单 等 优 点 , 但 它 也 存 在 着 感 应 管 内结焦 、 过 热 等 问题 激 光 直 接 点火 技 术 等 其 他 无 油 点 火 技 术 因为材 料 、 成 本 、 技 术 等 客 观 原 因 , 尚处 于 实验 室研 究 开 发 阶段 在 这 种 背 景 下 , 本 文 提 出 了 一 种 新 型 的无 油 点 火 技 术 — 高温 空 气煤粉 直燃技 术 该技 术 将 工 业 炉 窑 中先进 的 高温 空 气 燃 烧 技 术 创 造 性 地 应 用 到 了煤 粉 电站锅 炉 的无 油 点火 中 , 通 过将 蓄热 室 技 术 和 中频 加 热技术 的有机 结合 , 迅速 获 得 ℃ 左 右 的高温 空气 , 并通 过对 流 的方 式将热 量 传 递 给 煤 粉 气 流 , 从 而 实现 煤 粉 气 流 的快 速 、 稳 定 、 低 的着 火燃 烧 收 稿 日期 刊 一 修 回 日期 基金项 目 国家 “ ” 计划项 目 作 者 简介 李 栋 一 , 男 , 硕 士 研 究 生 一 维 平 面 紊 流 煤 粉 气 流 的 着 火 模 型 文 献 【 提 出 了一 种 较 为先 进 的 一 维平 面 层 流煤粉 气 流着 火 的数 学模 型 , 该模 型 较 以往 颗 粒 群 模 型 有 了较 大 的进 步 然 而 , 实 际 电站 锅 炉 中 煤粉 气 流 是 以湍 流 的形 式 喷 入炉 膛燃烧 的 , 因 此 上 述 一 维 层 流 煤 粉 气 流 着 火 的数 学 模 型 仍 然 与 实 际 炉 内的情 况 有 较 大 差 别 另 外 , 本 文 所 研 究 的点火 方 式不 同于锅 炉 燃 烧 器 的炉 膛 喷燃 , 属 于 管 内湍 流 多相 反 应 流 动 , 着 火 点位 于 一 级 管 内 本 文 提 出 了 一 种 一 维 平 面 紊 流 煤 粉 气 流 的 着 火模 型 该模 型 不 仅 详 细 描 述 了火焰 中 的辐 射 传 热 、 煤 粉 热 解 、 挥 发 分燃烧 和 多相 反 应 等 各 个 过 程 , 还考 虑 了湍 流 对 气 相 质 量 及 能量 扩 散 的影 响 , 使 得 该 模型 更 加 精 确 地 逼 近 了实 际 情 况 虽 然 实 际 管 内流 动 截 面 大 小 有 限 , 气 流 被 管 壁 包 围 , 但 当实 际 的着 火 燃烧 过 程 稳 定之 后 , 壁 面 和 气 流 之 间 的换 热 量 非 常 小 , 可 以忽 略 不 计 , 认 为 壁 面 处 的温 度 与相 同轴 向位 置 的气 体温度 相 等 , 因此 系 统 可 以简化 成 为一 维 的 , 其 简化 物 理模 型 如 图 所 示 建 立数 学模 型 的假 设 条 件 煤粉 气 流 是 一 维 、 平 面 、 稳 态 的紊 流 流动 , 所 有 参 数 呈 一 维 分 布 煤 粉 气 流 中气 相 与颗 粒 相 为等 速 运 动 , 无 滑 移 现 象 DOI :10.13374/j .issn1001—053x.2005.02.041