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传统燃烧控制理论与技术

来源：洁净煤技术

煤炭作为我国的主要能源，长期占据不可替代的重要地位。近年我国经济高速发展，雾霾等空气污染现象时有发生，环境污染不容忽视。虽然国内大部分燃煤电厂均已实现超低超净排放，而如何进一步降低氮氧化物等污染物排放，提高经济效益仍是研究重点。

行业视野: 煤化工
类别; 83个
关键词; 86位
专家; 18篇
论文; 17297IP
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碱金属氯化物对金属材料的高温腐蚀特性研究

作者(Author)：仝声, 王治宙, 康亚倩, 吕媛, 牛艳青

摘要：准东煤及生物质燃料中由于富含碱金属如Na、K等元素，在燃烧过程中会产生灰相关问题，易形成烟气侧受热面的积灰结渣以及金属管壁的高温腐蚀，影响金属管束的换热效率和使用安全，严重时会导致爆管，威胁锅炉的正常安全运行。通过模拟烟气气氛对金属材料15CrMoG和T91进行高温腐蚀试验，并采用KCl涂抹方法模拟受热面表面碱金属盐的沉积腐蚀现象，利用SEM、EDS和XRD等检测方法分析腐蚀产物的形貌与组成，研究金属材料、腐蚀时间和反应温度对碱金属氯化物高温腐蚀的影响。结果表明：金属表面的KCl涂层加剧了金属腐蚀，碱金属氯化物可有效加剧对金属材料的高温腐蚀程度。在不同腐蚀时间和反应温度下，金属材料15CrMoG的腐蚀增重与腐蚀层厚度均大于T91，表明T91的抗腐蚀性能优于15CrMoG。随着反应时间的增加，腐蚀增重与腐蚀增厚逐渐增大，而腐蚀速率逐渐降低，在腐蚀时间低于20 h时，腐蚀速率较快；处于20～48 h时，腐蚀速率明显降低，总体上腐蚀曲线符合抛物线规律。导致腐蚀后期腐蚀速率降低的主要原因是由于碱金属腐蚀会导致形成致密氧化膜覆盖在金属基体表面，对金属有一定的保护作用，减缓了腐蚀的发生。随着反应温度的增加，腐蚀加剧，在温度低于500 ℃时，腐蚀增重曲线斜率较小，腐蚀速率较低；温度高于500 ℃时，曲线斜率明显增加，腐蚀速率加快。腐蚀增厚曲线与增重曲线趋势基本一致，腐蚀曲线符合抛物线规律。随着温度的升高，碱金属腐蚀的化学反应速率与温度呈指数关系，温度升高，参加腐蚀反应的活化分子数增多，腐蚀反应速率得以迅速加快。由腐蚀微观形貌图可看到腐蚀前金属基体结构完整，表面较平滑，腐蚀后金属与腐蚀层的接触表面出现凹凸不平的结构，随着腐蚀时间的增加，腐蚀层的厚度逐渐增大。综合分析样品的SEM-EDS检测结果可以得到2种金属材料腐蚀产物的主要组成元素是Fe和O，结合XRD物相峰谱识别分析得到金属材料的腐蚀产物主要以Fe2O3的形式存在。

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洁净煤技术

2020年第01期

788

394
煤粉工业锅炉技术发展及应用

作者(Author)：周建明, 崔豫泓, 贾楠, 崔名双, 张斌, 王彩虹

摘要：中国煤粉工业锅炉借鉴油气锅炉和德国煤粉工业锅炉技术理念，经历立项研发、中试验证和工业示范，系统技术逐步成熟，自2010年起，实现规模化工业应用。煤粉工业锅炉系统具有高热效率、低烟气污染物排放等优点，有效带动了燃煤工业锅炉产业发展。笔者论述了煤粉工业锅炉技术与发展，重点介绍了煤粉工业锅炉的关键技术，并对主要技术进行对比，分析了煤粉工业锅炉的工业应用情况，最后提出了煤粉工业锅炉技术发展方向。煤粉工业锅炉系统由燃料煤粉生产、储供、油气点火、燃烧、锅炉本体、烟气净化以及自动化控制等系统构成。锅炉热效率大于91%，烟气污染物达到国家超低排放标准，系统技术符合国家煤炭清洁利用方向。燃料煤粉生产采用一步法工艺，通过强化流动性和安全措施，现可实现最大为1 000 m3安全存储量。锅炉供粉采用气动活化、无脉动给料及高速引射流浓相输送技术，已实现输送阻力低于20 kPa，粉风固气比大于2.5 kg/m3，供料精度在±3.0%以内，最大供料量为5 t/h的浓相供料技术与装备，广泛应用于锅炉供料系统。供料量在2.5 t/h，供料精度在±2.0%和±1.0%以内的第三代和第四代供料器也分别开展了工业验证和样机的试制工作，并取得了阶段性的成果。煤粉燃烧器采用逆喷式回流式结构，设计工作依据其结构特征，通过模拟气流扩展角、回流区域范围、回流量、旋流强度以及温度和速度场等研究开展，再经过实际工程应用，进一步验证优化设计参数，最终实现燃烧器的逐级放大。天然气/煤粉双燃料燃烧器具有便捷切换和快速着火功能。风冷燃烧器采用内外双级旋流供风燃烧技术，具有点火迅速、燃烧稳定、燃烧效率高和初始NOx排放低等优点。随着煤粉锅炉系统测控技术向智能化、网络化和集成化方向发展。锅炉烟气脱硫除尘采用NGD高倍率灰钙循环脱硫技术，具有占地小，运行成本低等特点，在低钙硫摩尔比下，系统脱硫和除尘效率分别达到90%和99.95%以上。低温炭基预氧化脱硝耦合NGD协同烟气净化技术具有工艺简单，耗水少，废物资源再利用，无二次污染产生等优点，更加适合于煤粉工业锅炉的烟气净化。煤粉工业锅炉在发展历程中通过关键技术和装备优化升级，在大型化、模块化和系列化方向已取得成效，在节能性、环保性和经济性等方面较常规工业锅炉具有显著优势，技术已达到世界先进水平。未来随着国家能源结构优化，天然气/煤粉锅炉、低氮燃烧、生物质复合半焦粉及协同化烟气净化等技术的开发与成熟，煤粉工业锅炉技术将成为煤炭清洁燃烧利用主要技术之一。

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洁净煤技术

2020年第01期

993

717
超超临界锅炉流动不稳定性的形成机理及研究进展

作者(Author)：朱超, 吴鹏举, 王永庆, 郁翔, 欧阳诗洁, 杨冬

摘要：以煤炭为主要能源的国家火电机组，尤其是煤电机组持续低负荷运行或深度调峰在未来几年将成为常态。在深度调峰过程中，机组负荷多数偏离设计工况，很有可能产生流动不稳定问题。笔者主要研究了现代机组运行的流动不稳定性形成机理及影响因素，分析超超临界机组的流动不稳定性的研究方法。按发生特性归类，流动不稳定性可分为静态不稳定性和动态不稳定性。而在超超临界锅炉系统变负荷运行过程中，主要存在密度波型流动不稳定性、压力降型流动不稳定性和热力型流动不稳定性，几种不稳定现象都影响系统的正常运行。流动不稳定性的主要影响因素包括热负荷分布、管道结构及系统流动参数等。由于分析和计算工具的发展，流动不稳定性的发生条件及其变化规律能较准确预测，大量试验及数值研究表明，热流密度越小，系统压力越大，进口节流系数越大，出口节流系数越小，则系统越趋于稳定。从管道结构上来看，加热长度越短，管道内径越大，则系统越稳定，且具有交叉连接的系统比没有交叉连接的系统和单通道系统更稳定。针对超超临界水流动不稳定性的研究，主要有试验和数值模拟2种方法。试验方法的优势在于可以有针对性地以实际物理系统为研究对象，为相应的数值模拟研究提供有价值的参考。考虑到水在超超临界压力和温度下的流动不稳定试验系统极为复杂，所需费用庞大，数值模拟就成为一种重要的研究手段，其可以借鉴成熟的两相沸腾研究成果，能够方便分析各种参数对流动不稳定性的影响规律。针对超超临界流体系统的流动不稳定性的数值模拟研究，其分析方法通常可分为频域法和时域法。频域分析方法的缺点在于不能很好地解决非线性问题，为有效解决频域分析方法非线性效应消失的问题，可通过Hopf分岔技术来确定极限环的振幅。时域法作为用于分析诸如振荡周期和混沌等非线性效应的最常用方法，结合一系列无量纲数，能在保留动态变化的同时，有效地描述亚临界及超超临界流体的流动不稳定边界。

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洁净煤技术

2020年第01期

707

301
1 000 MW机组低温省煤器及烟道流场模拟优化研究

作者(Author)：邓晓川, 胡龙彬, 李斌, 方芳

摘要：由于双进气烟道结构复杂，对低温省煤器内的烟气流场分布有很大影响。为了提高双进气烟道结构的低温省煤器内部气流分布均匀性，从而保证换热效率，降低设备故障率，通过计算流体力学（CFD）数值模拟技术，采用标准k-ε模型，以多孔介质模型替代结构复杂的翅片换热管的方法，对某1 000 MW燃煤机组低温省煤器及其双进气烟道内的流场分布进行数值模拟与结构优化研究。为了确保模拟结果更接近实际情况，在不同工况条件下，对低温省煤器及其烟道对应测点的烟气压力损失进行了测量和数值模拟计算，获得了可靠的模型边界参数。低温省煤器烟道结构优化前的测量值与数值模拟对应的压力损失值的偏差控制在-23～31 Pa，验证了数值模型的准确性。优化低温省煤器及其烟道的结构后，利用建立的模型进行流场模拟，根据气流均匀性评判方法（RSM法），在不同锅炉负荷对应烟道入口流速3.7、6.1、8.5、9.7、12.2 m/s工况下，分别对低温省煤器优化前后的翅片管换热区入口截面流场速度均匀性进行评价。经过多次流场数值模拟，结果显示结构优化前，烟道入口烟气流速达5.3 m/s时，原结构的低温省煤器换热区入口截面的气流分布已不合格，且随着锅炉负荷增加，该截面的气流均匀性变得更差。结构优化后，随烟气流速增大，低温省煤器换热区入口截面的气流分布均匀性有所变差，但都保持在气流分布优秀的范围（σ≤10%），换热区入口截面的气流分布均匀性明显提升。数值模拟结果表明烟道弯头与直段烟道不等径、扩散弯头及导流板设置不合理是造成流场分布不均匀的主要原因。通过结构优化，将竖直烟道上下2个弯头改变为与竖直烟道等径的弯头，并合理设置导流板，使得该低温省煤器竖直烟道中气流向内侧偏移现象明显减弱，竖直烟道上弯头顶部气流流量过少，底部气流流速过快的现象也明显减弱，低温省煤器换热区入口气流均匀性明显提升。分析认为在烟道转弯处，选择与直段烟道等径的弯头，有利于提升烟道内气流分布的均匀性。烟道转弯后又需连接扩散烟道时，烟道先等径转弯一段距离后再连接扩散烟道，有利于提升烟道内气流分布的均匀性。

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洁净煤技术

2019年第06期

645

317
准东煤及其混煤燃烧与结渣特性

作者(Author)：白杨, 赵勇纲, 徐会军, 朱川

摘要：准东煤田是我国目前最大的整装煤田，煤质总体呈现中高水分、中高挥发分、低灰、低硫、低磷、中等热值、反应活性好等特点，是大规模煤化工、煤电气联产优质原料。但准东煤中较高的Na、Ca含量影响锅炉正常运行，限制了准东高钠煤的燃烧利用，目前电厂主要通过掺烧低钠煤方式加以利用。为考察准东煤及其混煤燃烧与结渣特性，在五彩湾电厂采集了准东煤（ZD）和乌东煤（WD）等2种原料煤。采用热重分析仪研究30%、50%和80%等不同配比下混煤燃烧特性，并分析响应配比下煤灰特性变化规律。结果表明，准东煤混煤燃烧的DTG曲线有2个特征峰。随准东煤配比增加，混煤燃烧TG和DTG曲线向低温区移动，DTG曲线特征峰更明显；混煤燃烧特征温度逐渐降低，最大燃烧速率与综合燃烧特性指数先降低后升高，混煤灰熔融温度逐渐降低。准东煤相对乌东煤具有较高的碱性氧化物和较低的酸性氧化物含量，准东煤配比越高相应的SO3、CaO、Na2O的含量越高结渣倾向性更强。但部分指标并不能准确预测结渣强弱，如准东煤硅铝比为1.67，而乌东煤硅铝比为3.02，依据硅铝比判断结渣倾向性与事实不吻合。另外，煤中CaO含量大于30%后继续增加则灰熔融温度升高，是准东煤比乌东煤具有更高灰熔融温度的原因，随准东煤配比增加，混煤灰熔融温度呈明显降低趋势。燃烧结渣与沾污倾向指标主要有基于煤灰成分和基于煤灰熔融温度的指标，总结分析以往结渣与沾污预测指标结合试验结果认为：基于煤灰成分的碱酸比以及基于煤灰熔融温度的特征温度差值（FT-DT）是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的理想指标。

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洁净煤技术

2019年第06期

2772

550
环形逆向射流流场结构特性的模拟研究

作者(Author)：罗伟

摘要：逆向射流是火焰稳定的重要技术手段，为探究环形逆向射流结构对煤粉逆喷式旋流燃烧器稳燃特性的影响，构建了不同尺寸圆形与环形射流管的逆向射流模型，以Fluent软件为计算平台，采用“可实现”的k-ε模型对流场结构进行模拟研究。通过计算不同流速比下各射流管的无量纲贯入深度变化，发现环形射流的贯入深度大于圆形射流，且随内径的增大而增大，其射流在环境流中的渗透能力增强，这有利于增加煤粉的逆向传播距离，增加停留时间，提高燃烧稳定性。与圆形射流不同，环形射流的贯入深度与流速比并不是单调的线性关系，在流速比7.5～12.5存在一个平缓的过渡段，表明在一定区间内，流速比的减少不会引起贯入深度的明显减小，对现有燃烧器的设计具有指导意义。通过计算不同流速比下各射流管的最大零流速半宽，发现环形射流在逆流中的最大零流速半宽大于圆形射流，并随射流管内径增大而增大，表明环形逆向射流在径向的扩展宽度更大，卷吸能力更强。环形逆向射流的最大零流速半宽随流速比呈线性增大，斜率随内径增大而增加，高流速比的环形逆向射流径向扩展能力强于低流速比的环形逆向射流。根据计算结果绘制分界流线，发现在较低速度比时，射流的分界流线与圆形射流相似；在较高速度比时，虽然射流的轴线速度在滞点减少为零，但轴线附近的一定区域，流体依然向下游传播渗透，经过一段距离后速度才降至零并转向，分界流线也变得不规则。环境逆流在轴向上对环形射流有一定程度的压缩和阻碍作用，使得射流在径向的扩展宽度增大，增强了射流的卷吸能力，有助于促进燃烧器内煤粉与助燃风的混合。通过研究不同射流管逆向射流轴线上轴向流速的沿程变化，发现环形射流轴线上的流速衰减较圆形射流更为平缓，表明其与环境流的掺混不如圆形射流强烈。随着内径不断减小，环形射流轴向速度峰值增大且位置提前，衰减速度增强，逐渐接近圆形射流中轴线上的衰减情况。

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洁净煤技术

2019年第05期

574

210
循环流化床返料阀结构对循环流率动态响应特性的影响

作者(Author)：刘贤东, 张扬, 杨海瑞, 张缦, 张海, 吕俊复

摘要：循环流化床锅炉燃烧技术是一种洁净煤燃烧技术，其应对负荷变化的灵活性未来会得到更多的关注。但目前对于负荷变化的研究集中于调峰策略优化，缺乏提升CFB本身变负荷速率的影响因素研究。在CFB锅炉负荷变化时，循环流率也随之变化，并达到新的平衡态，而返料阀的结构是循环流率的重要影响因素。因此，为了研究CFB锅炉变负荷响应速率的影响因素，基于CPFD方法对某75 t/h循环流化床锅炉立管及返料阀内在循环流率变化时的流动行为进行模拟，研究不同返料阀结构对循环流率变化的响应速度。结果表明，在立管远离回料阀侧及回料阀水平横段底部存在一定的流动死区，返料阀及立管内物料仅在较小的区域内有较大的移动速度。当循环流率增加时，较小的颗粒移动区域限制了其达到更大流量平衡的时间，减弱了系统变负荷的响应速率。在松动风、流化风分别为0.14和0.30 m/s，循环流率从50 kg/(m2·s)提升到60 kg/(m2·s)时，随着水平横段长度的增加，系统响应时间先急剧减小后缓慢上升;返料阀水平横段长度与立管直径之比为3.5时，最短响应时间为67 s。保持流化风量不变并改变松动风大小，系统响应时间随松动风量的增加而减小，但不同返料阀结构下系统响应时间的规律相似。返料阀对循环流率变化的响应速度与返料阀内的流动死区大小密切相关。

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洁净煤技术

2019年第03期

887

296
大型燃煤锅炉内辐射熵产及辐射火用试验研究

作者(Author)：李智, 张仲侬, 娄春

摘要：为了研究燃煤炉膛内辐射传热效率，达到节约能源，降低污染物排放的目的，提出一种大型炉膛内辐射熵产及辐射火用的试验测量方法，并应用于一台200 MW发电机组的670 t/h燃煤锅炉上。通过在锅炉上安装CCD相机获取炉内辐射图像，基于辐射反问题求解方法重建炉膛底部、燃烧器区域及炉膛出口3个截面的炉内温度分布及辐射特性，进而获得炉内煤粉燃烧介质和水冷壁的辐射熵产、辐射熵产数及辐射火用，并分析了炉内温度分布的均匀性及壁面辐射热流对燃煤锅炉内辐射熵产和辐射火用的影响。结果表明，随着燃煤锅炉内温度分布均方差增大，煤粉燃烧介质吸收、发射及散射过程的不可逆性增大，辐射传热效率越低，燃烧介质产生的辐射熵产从419 W/K增至629 W/K，辐射熵产数从0.048增至0.067;随着水冷壁面热流增大，水冷壁面辐射传热过程的不可逆性增大，辐射传热效率降低，水冷壁产生的辐射熵产从1.566 kW/K增至4.575 kW/K，辐射熵产数从0.258增大至0.346;在燃煤锅炉的燃烧器区域，由于燃烧温度相对最高，其辐射换热过程相对最剧烈，有用功相对最多，因而辐射火用相对最大;而对于温度相对最低的炉膛出口区域，其辐射换热过程相对最弱，有用功相对最少，因而辐射火用相对最小。由此可见，对于实际炉膛而言，提高炉膛内温度场的均匀性，尤其是提高炉膛燃烧器区域内温度场的均匀性，对于提高燃煤炉膛辐射传热效率具有重要的意义。

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2019年第03期

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