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