使用蓄热式高温空气燃烧技术（HTAC）的超临界煤粉锅炉的新概念设计外文翻译资料

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使用蓄热式高温空气燃烧技术（HTAC）的超临界煤粉锅炉的新概念设计

A.克劳斯塔尔理工大学能源过程工程和燃料技术研究所,德国

B. 西里西亚理工大学热能技术研究所，波兰

摘要：在用煤粉燃烧的电站锅炉实施蓄热式高温空气燃烧的技术和生态方面已经被考虑过了。几个锅炉的概念已经在以下三个关键点的背景下进行了检查：存在密集的炉内再循环，温度和化学物质场的均匀性，以及热通量的均匀性。基于CFD的数值模拟可以确定锅炉的形状及其尺寸，还可以优化燃烧器之间的距离和燃烧区域的位置。它证明了用于煤粉锅炉的HTAC技术可能是一种可实现，高效和清洁的技术

关键词：锅炉设计 高温空气燃烧技术 MILD 无焰氧化 煤炭燃烧

文章信息：文献历史，2009年9月9号接受，2010年2月5号接受修改版，2010年4月10日在线提供

1.介绍

燃烧技术提供了全球90％以上的能源需求。^（1）严格的环境法规和减少污染物排放的国际协议（二氧化碳，一氧化碳，氮氧化物，烟尘，颗粒等）对改进燃烧技术提出了持续的要求。

煤炭在许多发展中国家是一种丰富的燃料资源，预测表明它在未来几年可能仍将是许多国家发电的主要燃料(2,3)。目前，燃煤电厂的发电量约占世界电力的40％。由于煤炭在发展中国家的能源供应中占主导地位，并且仍然是工业化国家的重要燃料，它将继续在全球发电中发挥重要作用（4,5）。发电行业面临的主要挑战是提高发电厂的效率和环境会议规定。从蒸汽参数的角度来看，粉煤发电厂可以被分成（6）：

亚临界（在水的临界点下;通常为19MPa和535℃）

超临界（超过临界点的水;通常达到24.1MPa和565℃）

超超临界（USC）（在超临界条件下;通常为30MPa和600℃）

为了提高燃煤电厂的效率，电力行业必须从亚临界到超临界蒸汽循环。 超临界设计不仅通过增加工作流体压力来提高效率，而且允许蒸汽过热至更高的温度，这提供了显着的蒸汽循环效率改进。 现代超临界燃煤电厂的效率高于45％。 超临界技术在新建发电厂中占主导地位，然而安装技术主要基于次临界蒸汽周期。

高温空气燃烧（HTAC或HiTAC）也被称为过量焓燃烧（EEC），无火焰氧化（首字母缩写FLOX）或MILD（中等和密集低氧稀释）燃烧。 HTAC技术最重要的特点是在燃烧室内存在强烈的燃烧产物循环。 该再循环导致燃烧空气流和燃料流在点火发生之前被稀释。因此，温度峰值被抑制，并且温度和物质浓度场均匀。 通常来说，HTAC技术具有低NOx和CO排放以及高而均匀的热通量。 到目前为止，HTAC技术主要是在用气体燃料或轻质油燃烧的工业炉中应用的（7）。在大多数工业炉应用中，该技术与热回收系统相结合，并且这样的组合会显着的节省燃料。

这项工作的主要目的是调查HTAC技术的粉末煤发电站锅炉的环保电力生产的适用性，重点是超临界操作。

2. HTAC技术在锅炉中的应用

尽管目前大多数应用仅限于工业炉，但HTAC技术在应用于用煤粉燃烧的电站锅炉时也有望带来显着优势。 可预见的优点如下：

辐射热通量的增加可能导致锅炉尺寸减小；

可以使用高质量的钢制造更紧凑和更小的锅炉，从而通过增加（过热）蒸汽参数来提高循环热效率；

燃烧器的简单设计和非常稳定的燃烧过程开启了使用低级煤的可能性；

增加颗粒停留时间可能会改善焦炭倦怠；

该技术可以在相对较低的过量空气下运行；

该技术提供低NO x排放；

典型的传统锅炉由辐射部分和对流部分组成。 使用空气预热器和省煤器来回收烟气废热。 在高温空气燃烧中，绝热火焰温度远高于传统锅炉的温度，并且锅炉内的传热主要受辐射。 因此，应该有可能设计一个没有对流段的锅炉，但仍保持相同的热输出。 对流传热区域的去除肯定会导致锅炉尺寸和成本的显着减少。 在第3段中，我们考虑了这样一个紧凑的设计。

在煤或其他矿物燃料燃烧的锅炉中，可能难以应用蜂窝或球再生器，因为它通常在炉应用中完成，因为飞灰会堵塞再生器。 电站锅炉通常容量大，因此燃烧空气的流量很大。 在短时间内将这种量的燃烧空气预热到高温在技术上不容易。 我们认识到这个重要问题必须在未来得到解决和解决。 在本文中，我们只专注于燃烧室设计。

一些作者已经实验使用HTAC技术的发电厂[8,9]，但仅有两次尝试[10,11]将该技术应用于用粉煤燃烧的电站锅炉。Kawai等人[10]提出了一种新概念锅炉，其中煤和废物的气化过程衍生的低BTU合成气可在高温下燃烧空气。 锅炉类似于装有蓄热式燃烧器的工业炉。小型锅炉的特点是：均匀的热通量，传热的增加，燃烧噪音水平的降低和NOx排放的抑制。

Zhang等人 [11]提出了一个配备PRP燃烧器的锅炉（PRP代表一次空气浓缩和预热）。 低挥发性石油焦和无烟煤在工业规模（12 MWth）试验设施中燃烧，PRP燃烧器安装在锅炉侧壁上。 除了新的燃烧器结构外，还对燃烧器进行了进一步的改造。结论是：燃烧器可以在预热室内部和外部形成两级热气体再循环。燃烧室内可燃混合物的快速加热促进了燃料颗粒的热解，挥发性物质释放过程，抑制了点火延迟并提高了燃烧稳定性。 与使用常规低NO x燃烧器的同一设备中测量的结果相比，使用石油焦炭时炉出口处的NO x浓度处于相同水平，并且当燃烧无烟煤时NO x浓度降低了50％。

表格1 锅炉设计程序

表2 使用的数学模型的特点[12]

3. HTAC锅炉的设计

然后，我们着手开发一个用委内瑞拉Guasare煤炭发电的概念性130 MWth锅炉。 该锅炉的目的是拥有一个辐射部分，其设计和布局可保证在MILD燃烧状态下运行。 锅炉应配备非常规但简单的燃烧器，其特点可以是高动量（强）中心（燃烧空气）射流和两个（弱煤）射流[12]。锅炉设计程序由表1中列出的步骤组成。在以下三个关键点分析了几个锅炉概念：密集炉内再循环的存在，温度和化学物质的均匀性物种场和热通量的均匀性。 已经进行了数值模拟以确定锅炉的形状及其尺寸，以优化燃烧器之间的距离和燃烧器块的位置。 为此，开发并验证了基于CFD的数学模型。 该模型已在我们的随附论文[12]和全文中进行了全面描述表2列出了主要特征。

锅炉设计程序由表1中列出的步骤组成。在以下三个关键点分析了几个锅炉概念：密集炉内再循环的存在，温度和化学物质的均匀性物种场和热通量的均匀性。 已经进行了数值模拟以确定锅炉的形状及其尺寸，以优化燃烧器之间的距离和燃烧区域的位置。 为此，开发并验证了基于CFD的数学模型。 该模型已在我们的随附论文[12]和全文中进行了全面描述，表2列出了主要特征。

3.1 锅炉形状

这项工作的第一个挑战是找到适合HTAC技术的锅炉形状。 已经执行了三种不同的锅形式的计算，这些形式在图1中被标记为A，B和C.设计前两种（A和B）设计以便与标准PC锅炉相似。 第三个（C）锅炉是作者的创新概念，发明创造一个适当的燃烧产物内部再循环。

如图2所示，锅炉的几何形状和进口的结构决定了锅炉内的再循环模式。 在对称锅炉中产生的强化再循环会导致更均匀的温度场，更低的温度峰值，适度的氧气浓度和完全可燃气体和焦炭。 表3列出了设计A，B和C的计算峰值温度和燃尽。该表还列出了预测温度和氧气场的标准偏差。设计C的较低值表明最高程度的均匀性。 作为仿真的结果，对称锅炉已经被发现是三种所考虑的设计中最适合的，因此进一步的工作关注于这个概念。

3.2 单个燃烧器之间的距离

在HTAC技术中，燃烧器和燃烧室之间的相互作用是非常重要的。 第二个计算系列的目标是优化燃烧器之间的距离及其与燃烧室的关系。测试了三种不同配置的燃烧器：带有五个燃烧器的锅炉，带三个燃烧器的锅炉和仅带一个燃烧器的锅炉，如图3所示。

据观察，单个燃烧器之间的距离影响锅炉内的混合条件，特别是空气和燃料射流与燃烧产物的稀释。 单燃烧器锅炉产生令人不满意的全球再循环，而带有五个燃烧器的锅炉的夹带不足（见图4和表4）。 因此，为了进一步研究，选择1.5米的燃烧器间距并使用五个燃烧器以保持130 MWth的热输入。

图1.所考虑的燃烧室形式的图示， 距离30厘米，距离80厘米，对称配置

图2 燃烧室内的预测再循环区域

表3 锅炉形状测定的结果

图3.被检锅炉的几何形状：带有五个燃烧器（左），三个燃烧器（中间）和一个燃烧器（右）

3.3 燃烧区域的位置

第三个仿真系列已经开展，以检查HTAC锅炉的向下燃烧结构并将结果与燃烧器进行比较。当燃烧器位于底部时，由于结渣问题和烧结灰破坏燃烧器的风险，已经测试了向下燃烧的结构。下燃式锅炉的几个优点已经确定; 在向下燃烧的结构中再循环路径比向上燃烧的结构中的再循环路径更长，导致更强的热传递（参见图5和表5）。因此，观察到较低的烟气温度。 此外，向下发射的配置具有更均匀的热通量。因此，已选择向下发射的配置进行进一步调查。

3.4 锅炉尺寸;

HTAC应用的一个最重要的优点是高热通量。因此，可以构建紧凑的燃烧室并降低投资成本。第四个计算系列是为了找到燃烧室而进行的一方面可以确保燃烧气体与水/蒸汽混合物之间的有效热交换，另一方面确保燃烧密度的高值。 测试了三种不同的尺寸，并且它们在图6中被命名为小型锅炉，中型锅炉和大型锅炉。 已经观察到（见图7和表6），这可能会导致无法使用。在高温下存在，其焓不能有效地提高用过的。相反，在大型锅炉中，虽然热通量均匀，但比中型锅炉低两倍。因此，选择中型锅炉配置作进一步调查。

4. HTAC锅炉的最终配置

在前面的调查的基础上，选择了HTAC锅炉的最终配置，如图8所示。锅炉高13米，横截面为7米*6米。它配备有一个燃烧器，由位于顶部的五个相同的燃烧器组成;因此锅炉是一个向下燃烧的锅炉。烟气1米* 1米方形出口也位于顶部，它们对称地位于燃烧器的两侧。五个燃烧器中的每一个都配备有热空气的中央喷射器和两个位于喷射器两侧的煤枪。粉煤通过直径140mm的喷嘴引入炉内，通过480毫米喷嘴燃烧空气。锅炉配有两个灰斗。燃烧空气被预热到1200K，并且在环境温度（300K）下供应煤及其运输空气。采煤速度为3.2 kg / s，运输空气几乎是其两倍。燃烧空气的质量流量等于33.1公斤/秒。空气射流以高速（120m / s）供应，煤喷射速度为30m / s。该锅炉的总热量输入为130 MW。燃料热输入等于100MW，因此每个燃烧器运

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