1、430T直流煤粉燃烧器的设计与冷态流场的计算本科毕业设计设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)应用直流燃烧器的430TH煤粉炉炉膛流场计算摘 要 火力发电是我国电能生产的主要形式，随着国民经济的发展，发电厂的机组容量逐渐增大，对大容量锅炉的需求也逐渐增多。室燃炉是我国目前电厂锅炉的主要类型，其中以煤粉炉为主得到了广泛的应用。在燃烧煤粉的煤粉炉中，燃料是悬浮在炉膛空间内进行燃烧的，煤粉燃料是由燃烧器一次风气流携带喷入炉膛。燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备，其性能对燃烧的稳定性和经济性有很大的影响,一个好的燃烧器应组织良好的空气动力场，并且运行安全可靠。根据其出口气流的特征，煤粉燃烧
2、器主要分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类，这两种类型各有优缺点。本设计主要为直流煤粉燃烧器的设计，根据煤种和锅炉参数的不同合理选取。包括各喷口的形式、大小、布置的设计及一、二、三次风的选取等,并用CAD绘出燃烧器的形式。最后用Fluent软件计算四角切圆燃烧炉膛的流场,得出煤粉颗粒的运动轨迹。关键词：直流燃烧器；设计；fluent软件；四角切圆；流场计算The 430 tH Pulverized Coal Furnace Flow Field of Applied DC Furnace Burners CalculationAbstract The thermal power is the ma
3、in form of energy production in China, with the development of the national economy, a power generation unit capacity gradually increases,and the demand for lager-capacity boiler is gradually increased. Room stoves are at present the main types of boilers in power plants in china, which widely appli
4、ed to pulverized coal. In the pulverized coal boiler, the burning fuel were suspended in space of the furnace. The pulverized coal fuel were carried by primary air what were sprayed into the furnace. Burner is a main combustion of pulverized coal-fired boiler equipment, its performance the combustio
5、n stability and economy. A good burner should be well-organized aerodynamic and safe and reliable operation. According to the characteristics of the outlet flow, the pulverized coal burner is divided into two categories:direct current(DC) burner and swirl burner. Each design of DC pulverized coal bu
6、rner. According to the coal and the different parameters of boiler, the design of the burner should be selected reasonably, including the form, size, layout design of the vents and the selection of the Primary,secondary,tertiary air. And draw the form of burner by CAD. Finally calculate the Corner T
7、angential burning flow field in furnace using the Fluent software, and derive the trajectory of coal particles.Keywords: direct current(DC) burner, design, the Fluent software , the Corner Tangential,calculate the flow filed 第1章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义 随着经济、 社会的发展 ,人类对能源的需求逐年增加.煤、 石油、 天然气等化石燃料仍然是人类赖以生存
8、的主要能源. 对我国来说 ,煤在我国的能源总消费中占有 70 %以上的份额 .电力行业是我国的第一耗煤大户 ,因此电力行业的节能降耗对全国能耗降低目标的实现有举足轻重的影响. 在我国火力发电厂中 ,煤粉炉得到了广泛应用. 锅炉技术发展的趋势是容量的增大和参数的提高 ,其中燃烧技术的发展是一个重要方面. 燃烧器是锅炉燃烧系统的关键部件 ,其主要作用是向炉膛内输送燃料和空气 ,并组织合理的混合与燃烧. 燃烧器的主要评价指标是使煤粉气流能够稳定着火、 燃尽 ,并防止结焦.其技术水平对锅炉整体效率（能耗）有重大影响 .且随着目前环境污染的压力增大 ,燃烧器的污染物控制(特别是 NOx 生成量的控制)也
9、已成为燃烧器性能的重要考察指标. 煤粉燃烧器具有特殊设计的多级多嘴送风导向结构，能在短时间内使煤粉产生高温涡流，具有燃烧完全，热利用率高，消烟除尘、高效节能，改善工作条件，减轻劳动强度等优点，是节能环保的理想产品，深受广大客户欢迎。1.2 燃烧器的发展概况燃烧器也称喷燃器，是煤粉炉燃烧设备的主要组成部分。其作用是：将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定的着火；二次风的及时供应，使煤粉在炉内达到迅速的完全燃烧。一个好的燃烧器应满足下列要求：（1）组织良好的空气动力场，使燃料及时着火，与空气适时混合，保证燃烧的稳定性和经济性。（2）有较好的煤种适应性，具有良
10、好的调节性能。（3）运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修。（4）易于实现远程活自动控制。（5）控制污染物的排放，保护环境。1.2.1 燃烧器的发展燃烧器从开始使用到现在的发展，走过了漫长的过程。从早期的简单装配到现在的能满足各种不同煤种及需要的燃烧器，其在理论及结构上大发生了翻天覆地的变化，促进了电力工业的发展。目前国外大型燃煤锅炉的特点：（1）从专利权和掌握技术熟练程度方而考虑，某专业公司燃烧器的设计总是采用角式布置切圆燃烧方式。（2）总是采用可以上下摆动一定角度的煤粉燃烧器来调节炉膛出口烟气温度,从而达到调节过热及再热蒸汽温度的目的。这种调节汽温的方式具有结构简单,调节方便,反应灵敏,投资节
11、省等优点。（3）制粉系统基本上采用正压直吹式中速磨煤机。 上世纪 80 年代始 ,我国开始引进国外的锅炉技术，取其精华去其糟粕，主要引进了直流燃烧器 ,我国的大型燃煤锅炉大部分采用直流燃烧器。近年来我国的燃烧器研制开发工作取得了很大进展，并继续对直流燃烧技术进行改进和创新。1.2.2 燃烧器的分类燃烧器的形式很多，根据其出口气流的特征，煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。出口气流为直流射流（组）的燃烧器为直流燃烧器。煤粉气流以一定的速度，从直流燃烧器的喷口直接射入炽热的炉膛内部。由于气流不旋转，所以阻力小，直流射程相对旋流射程场，对烟气的贯穿能力也强，对后期混合有利。直流射程与喷口尺
12、寸和射流的初速度有关。喷口尺寸越大初始速度越高，射程越长。射流的卷吸能力直接影响燃料的着火。卷吸能力越强，速度衰减越快，射程也就越短。射流射入炉膛后，在炉内微小的扰动，也会导致射流偏离原定的轴线方向，对炉内空气动力场的组织产生影响。射流动量越大，越不容易偏转，射流的刚性也越好。对矩形的截面喷口，喷口的高宽比越小，其刚性越大。出口气流包含有旋转射流的燃烧器为旋流燃烧器。出口气流的初期扰动非常强烈，卷吸能力较强，但射程较短。射流的扩展角较大。1.3 本文的主要研究内容 本课题的研究内容主要是针对使用无烟煤的大型煤粉锅炉进行直流燃烧器的设计。包括炉膛截面设计、制粉系统的选定及燃烧器具体形式的设计。最
13、后用FLUENT软件计算四角切圆炉膛内部流场。 第2章 直流煤粉燃烧器的简单介绍2.1 引言我国主要的常规能源是煤，占能源总消耗的70%以上。随着锅炉熔容量和参数的提高，煤粉炉在电站中得到了广泛的应用。其主要燃烧设备为燃烧器。其中又以直流燃烧器应用最为广泛。2.2 直流燃烧器的型式直流燃烧器的出口是由一组圆形、矩形或多边形的喷口组成。一次风煤粉气流、燃烧所需要的二次风以及中间仓储式制粉系统送粉是的热风乏气分别由不同的喷口以直流射流的形式喷进炉膛。燃烧器喷口之间保持一定的距离，整个燃烧器成狭长型。喷口射出的直流多为水平方向，有的直流燃烧器喷口可以在运行时在一定角度内上下摆动。直流煤粉燃烧器根据一
14、、二次风喷口的布置情况，可分为均等配风和分级配风两种形式。均等配风直流煤粉燃烧器：一、二次风喷口相间布置，即在每一个一次风喷口的上下两端均布置有二次风喷口，这样很有利于煤粉气流着火燃烧后，二次风能及时充分地供应燃烧所需氧气。故燃烧烟煤和褐煤使用较多。分级配风直流煤粉燃烧器：将一次风喷口集中布置在一起，二次风分级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中，二次风喷口分层布置，且一、二次风喷口间保持较大的距离，以便根据燃烧状况控制一、二次风的混合时间。一次风喷口集中布置，意味着煤粉气流的着火和燃烧相对集中，有利于提高燃烧器区域局部热负荷和温度水平。但是不利于与二次风的充分混合，故有些燃烧器的二次风喷口设计为可上
15、下摆动的形式。这种燃烧器的型式比较适合无烟煤、贫煤和劣质烟煤的使用。2.3 直流燃烧器的四角布置方式 直流煤粉燃烧器与炉膛的配合方式不同，其炉内形成的空气动力厂特性也不同。而炉内气体的运动状况，影响着燃料的着火、燃烧和燃尽。燃烧器的布置形式有前后墙对冲布置、炉膛顶部布置、炉膛中部布置、四角切圆布置等等。直流燃烧器常采用四角布置形式，其出口气流的集合轴线射向炉膛中心的一个假想切圆，组织切圆燃烧火焰，此即为切向燃烧方式。切向燃烧的炉内空气动力特性对煤粉的燃烧有很大的影响。燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬，在离心力的作用下气流向四周扩散。由于引风机的抽力，迫使气流旋转上升，形
16、成一个旋转上升的气流，这不仅改变了火焰在炉内的充满情况，而且延长了煤粉气流在炉内的停留时间，有利于煤粉的燃尽。各个角燃烧器的煤粉气流喷入炉内，收到上游已燃高温火焰的点燃而迅速燃烧，因此着火条件良好。直流射流射程长，对烟气的贯穿能力强，炉内气流的强烈旋转使后期湍流混合强烈，煤粉的燃尽条件较理想。切向燃烧方式通常有以下布置形式：（1）正四角单切圆布置：四角燃烧器一、二次风口的集合轴线相切于炉膛中心同一个圆。此种布置方式，出口气流两侧补气差异小，气流偏离较轻风粉管道对称。如下图2-1（a）。（2）两角对冲，两角相切或一次风对冲，二次风切圆：可改善出口气流的偏离，有利于避免炉膛结渣。如下图2-1（b）
17、。（3）双切圆布置：四角一、二次风口相切于不同直径的圆或对角燃烧器各自相切于不同直径的圆，用于截面长宽比较大的炉膛，可改善气流偏斜，防止实际切圆的椭圆度较大。如下图2-1（c）。（4）八向或六向切圆布置：适用于截面较大的单炉膛，特别适用于大容量褐煤炉。如下图2-1（d）。（5）双炉膛切圆布置：大容量锅炉有时采用这种布置，通常两炉膛气流旋转方向相反。如下图2-1（e）。 （a） （b） （c） （d） （e）图2-1 切圆燃烧布置方式（a）正四角切圆 （b）两角相切两角对冲 （c）双切圆 （d）八向布置（e）双炉膛切圆2.4 本章小结燃烧器有各种不同的型式及布置方式，应根据设计的煤种和设计需要进
18、行合理的选择。本设计使用的煤种是无烟煤，故燃烧器的型式采用分级配风直流燃烧器，将一次风喷口集中布置。燃烧器与炉膛的配合方式采用正四角单切圆布置方式。第3章 炉膛及制粉系统的设计选取3.1 引言制粉系统、炉膛、燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备。燃烧器的设计与炉膛的横截面形状、制粉系统的选取息息相关。3.2 煤粉锅炉炉膛横截面设计炉膛横截面的设计与炉膛截面热负荷的选取及计算燃料消耗量有关。3.2.1 煤粉炉炉膛概述炉膛是供煤粉充分燃烧的空间。高温烟气在炉膛内把一部分热量主要通过辐射的方式传递给炉膛四周的受热面上，以保证出口气温在允许的范围内。故炉膛应该有合理的形状及足够的空间，并与燃烧器共同组织炉内
19、燃烧空气动力场，保证火焰在炉内充满良好，不贴壁，并有均匀的截面热负荷分布。固态除渣炉的横断面一般为长方形或者正方形。为更便于组织良好的切圆燃烧方式，长方形的长宽比一般不超过1.2。炉膛下部有一个倒锥形的斗，由前后墙水冷壁管倾斜形成。其高度的一半是炉膛的下部边界。其作用是把炉膛空间内燃烧后的高温炉渣冷却后以固态炉渣形式排出炉膛。3.2.2 煤粉炉炉膛的设计煤粉炉炉膛的设计很是复杂，在本设计中，仅设计出与燃烧器的设计计算有关的主要部分，包括炉膛横断面、炉膛高度及冷灰斗的设计，烟窗及前后测墙水冷壁的设计在本设计中并不重要，忽略。各部分的设计见以下各表（注：公式均汇总在表内）。根据设计任务书中所给无烟
20、煤的成分，计算出初始数据（各种气体的体积），如下表3-1：表3-1 初始数据序号名称符号计算公式或来源结果单位1理论空气容积0.0889*(Car+0.375*Sar)+0.265Har-0.0333*Oar6.8476m3Kg2容积0.01866*(Car+0.375*Sar)1.293m3Kg3理论容积0.79*V+0.8*Nar1005.4175m3Kg4理论容积0.111*Har+0.0124*Mar+0.0161*V0.493m3Kg5理论烟气容积7.2036m3Kg6飞灰中纯灰分额0.957烟气中飞灰质量浓度0.1804KgKg8煤的折算灰分7.1932gMJ 初始数据中得出了理论
21、空气量，三原子气体、氮气和水蒸汽的理论容积，以及飞灰质量浓度，为以下的计算做准备。烟气特性如下表3-2：表3-2 烟气特性序号名称符号计算公式或来源炉膛与防渣管过热器上级省煤器上级空气预热器下级省煤器下级空气预热器1漏风系数查表4-30.10 0.03 0.02 0.03 0.02 0.03 2出口过量空气系数查表4-41.25 1.28 1.30 1.33 1.35 1.38 3平均过量空气系数1.250 1.265 1.290 1.315 1.34 1.37 4实际水蒸气容积0.521 0.522 0.5240.527 0.530 0.533 5实际烟气量8.943 9.047 9.221
22、 9.395 9.569 9.743 6RO2容积份额0.144 0.142 0.140 0.137 0.135 0.132 表3-2（续表）序号名称符号计算公式或来源炉膛与防渣管过热器上级省煤器上级空气预热器下级省煤器下级空气预热器7H2O份额0.058 0.057 0.0560.056 0.055 0.054 8三原子份额0.202 0.200 0.197 0.1930.190 0.1879烟气质量11.99 12.12 12.3512.57 12.79 13.02 10飞灰浓度0.0150 0.0149 0.0146 0.0144 0.0141 0.0139 查表并计算得焓温表如下表3-
23、3：表3-3 焓温表(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)100169.7 219.4 129.6 702.11 150.5 74.20 995.73 200357.5 462.2 259.9 1408.14 304.5 150.12 2020.50 300558.8 722.5 392.0 2123.86 462.7 228.11 3074.50 400771.9 998.1 526.5 2852.58 626.2 308.72 4159.36 500994.4 1285.8 663.8 3596.47 794.9 391.89 5274.11 6001224.6 1583.4 8
24、04.1 4356.61 968.9 477.67 6417.69 7001461.9 1890.2 947.5 5133.56 1148.9 566.41 7590.20 8001704.9 2204.4 1093.6 5925.12 1334.4 657.86 8787.42 9001952.3 2524.3 1241.6 6726.99 1526.1 752.37 10003.68 10002203.5 2849.1 1391.7 7540.23 1722.9 849.39 11238.75 11002458.4 3178.7 1543.8 8364.31 1925.1 949.07 1
25、2492.09 12002716.6 3512.6 1697.2 9195.43 2132.3 1051.22 13759.22 13002976.7 3848.9 1852.7 10037.93 2343.7 1155.44 15042.25 14003239.1 4188.2 2008.7 10883.14 2559.1 1261.64 16332.93 15003503.1 4529.5 2166.0 11735.39 2779.0 1370.05 17634.94 16003768.8 4873.1 2324.5 12594.14 3001.8 1479.89 18947.09 170
26、04036.4 5219.1 2484.0 13458.31 3229.2 1592.00 20269.37 18004304.7 5566.0 2643.7 14323.57 3458.4 1704.99 21594.53 19004574.1 5914.3 2804.1 15192.61 3690.3 1819.32 22926.24 100132.4 906.62 80.67 14.55 1354.80 200266.4 1824.20 168.87 30.46 2689.44 2744.16 300402.7 2757.53 263.34 47.51 4087.14 400541.8
27、3710.03 359.48 64.85 5522.72 500684.1 4684.44 457.71 82.57 600829.7 5681.45 559.28 100.89 700978.3 6699.01 661.28 119.29 8001129.1 7731.63 765.78 138.15 9001282.3 8780.68 873.62 157.60 10001437.3 9842.06 982.30 177.21 11001594.9 10921.24 1095.16 197.57 12001753.4 12006.58 1203.84 217.17 13001914.2 1
28、3107.68 1358.50 245.07 14002076.2 14216.99 1580.04 285.04 15002238.9 15331.09 1755.60 316.71 16002402.9 16454.10 1872.64 337.82 17002567.3 17579.84 2060.74 371.76 18002731.9 18706.96 2181.96 393.63 19002898.8 19849.82 2382.60 429.82 煤粉燃烧后产生的总烟气在烟道内依次流过防渣管、过热器、上级省煤器、上级空气预热器、下级省煤器和下级空气预热器。在不同的烟道处，总烟气的焓值也不同。烟道内每处的总烟气的焓等于理论烟气焓、飞灰焓及此处的过量空气的焓三者之和。烟气特性及焓温表得出之后，接下来便进行锅炉热量和计算燃料消耗量的计算。如下表3-4：序号名称符号计算公式或来源结果单位1燃料低位发热量给定26400 KJKg2冷空气温度给定30 3理论冷空气焓查表3，插入法计算271.185 KJKg4排烟温度
