高溫氧氣發生器在W火焰鍋爐中的點火特性

閆高程，　齊　心，　任　婷，　劉　石

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 北京 102206)

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高溫氧氣發生器在W火焰鍋爐中的點火特性

閆高程，齊心，任婷，劉石

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 北京 102206)

摘要：針對燃用無煙煤的W火焰鍋爐在冷態啟動過程中要消耗大量燃油的問題，提出了一種高溫氧氣直接點火技術：用少量燃油將氧氣加熱至高溫狀態，然后用高溫氧氣直接點燃無煙煤煤粉氣流.利用熱態點火實驗和數值計算方法證明了該技術的可行性和有效性.結果表明：利用高溫氧氣發生器可將氧氣安全可靠地加熱至最高可達1 450 ℃的高溫狀態；在純氧氛圍的作用下，燃油具有瞬間燃盡的特點；高溫氧氣發生器出口處的溫度場和氧氣質量分數呈現均勻分布；當高溫氧氣發生器的點火熱功率為700 kW時，無煙煤煤粉氣流的火焰溫度達到1 250 ℃，火焰長度超過8 m.

關鍵詞：W火焰鍋爐； 高溫氧氣發生器； 煤粉燃燒； 點火； 數值模擬

大型電站燃煤鍋爐在冷態點火啟動和低負荷穩燃過程中要消耗大量的燃油，相關數據表明，我國600 MW主力發電機組的平均年耗油量為451.62 t/臺，整個電力工業耗油量已達到1.6×107t/a[1]，因此各類電站燃煤鍋爐節油技術得到了日益廣泛的重視和研究.

目前，主要的電站燃煤鍋爐節油技術有3種：等離子點火技術[2]、微油點火技術[3]和微油-富氧點火技術[4].這3種技術在燃用煙煤和褐煤機組上取得了良好的節油效果，但對于燃用無煙煤的W火焰鍋爐，仍然存在煤粉燃盡率低、不能擺脫大油槍等問題，造成該類型鍋爐在冷態啟動過程中耗油量較高，經濟性較差.

研究表明，無煙煤在富氧氛圍下的著火溫度比空氣氛圍下降低約50 K，燃盡溫度下降約150 K[5]，煤粉的最大燃燒失重率增大一倍，綜合燃燒指數增大近5倍[6].因此，基于無煙煤在富氧氛圍下的燃燒特性明顯改善，筆者提出了高溫氧氣直接點火技術，以解決燃用無煙煤的W火焰鍋爐點火耗油量偏高的問題.該技術的原理是在特定的高溫氧氣發生器內用極少量燃油將常溫氧氣加熱至高溫狀態(本文實驗中氧氣溫度最高達到1 450 ℃)，然后再將高溫氧氣送入特殊設計的煤粉點火燃燒器中，直接點燃無煙煤煤粉氣流.不同于常規的點火方法，在該技術中，高溫氧氣不僅具有氧化劑的助燃作用，而且作為熱源直接點燃煤粉.

高溫氧氣直接點火技術的核心是高溫氧氣發生器和煤粉點火燃燒器.因此，筆者首先用熱態實驗方法研究了高溫氧氣發生器的性能特點，然后采用數值計算方法研究了不同工況下高溫氧氣發生器的著火特性和無煙煤煤粉氣流在W火焰鍋爐旋風筒點火燃燒器中的著火情況.

1高溫氧氣發生器

1.1高溫氧氣發生器原理

高溫氧氣發生器的原理如圖1所示.該發生器的工作流程如下：燃油經燃油噴嘴霧化后噴射到燃油穩燃室內，然后與穩燃氧氣噴嘴送入的氧氣充分混合，在電打火裝置的作用下，形成穩定持續的燃油火焰；大量的熱載體氧氣以切向旋流方式噴入到高溫氧氣加熱室中，形成強旋流流場，與油火焰強烈混合，其中少部分氧氣用于補充燃油燃盡所需的氧量，剩余的大量氧氣則吸收燃油燃燒過程中釋放的熱量，溫度急劇升高，形成高溫氧氣.

圖1　高溫氧氣發生器的結構原理圖

1.2高溫氧氣發生器實驗臺

高溫氧氣發生器實物如圖2所示，熱態點火實驗系統如圖3所示.該系統由燃油系統、氧氣系統、高壓風系統、壁溫監測系統和高溫氧氣發生器組成.其中燃油壓力為2.5 MPa，燃油質量流量為20～80 kg/h且可調；氧氣壓力為0.2～0.3 MPa，體積流量為200～1 000 m3/h；高壓風壓力為2 000 Pa；壁溫監測采用鉑銠-鉑銠熱電偶，最高測量溫度可達1 600 ℃.

(a)前端(b)后端

圖2高溫氧氣發生器實物圖

Fig.2Real picture of the high-temperature oxygen generator

1.3高溫氧氣發生器的實驗研究

高溫氧氣的溫度和體積流量是影響煤粉點火效果的關鍵參數.因此，非常有必要通過實驗研究確定不同工況下高溫氧氣體積流量與溫度的對應關系.

在實驗中，發現霧化良好的燃油在純氧氛圍下的燃燒強度非常高，在高溫氧氣發生器的出口處燃油已經基本燃盡，人眼無法直接觀察到燃油火焰，只能觀察到劇烈抖動的無色氣流熱浪.然而CCD攝像機記錄下的實驗畫面利用灰度的差異能夠識別出高溫區范圍，但卻不能識別出不同工況下的溫度差別.選取4個具有代表性的典型工況，其相應的高溫氧氣發生器火焰如圖4所示.由圖4可以看出，大功率工況(即工況4)的高溫區范圍明顯大于小功率工況的高溫區范圍.本實驗的具體數據如表1所示.

圖3　高溫氧氣發生器實驗臺系統圖

(a)工況1(350kW)(b)工況2(350kW)

(c)工況3(580kW)(d)工況4(700kW)

圖4不同工況下高溫氧氣發生器的火焰

Fig.4Flames generated by the high-temperature oxygen generator under different conditions

表1　高溫氧氣發生器點火實驗數據

通過高溫氧氣發生器在不同工況下的性能實驗，發現了燃油在高溫氧氣發生器出口瞬間燃盡的特點，并找到了高溫氧氣溫度與體積流量之間的對應關系，證明該裝置能夠利用極少量燃油安全、可靠地將氧氣加熱到最高可達1 450 ℃的高溫狀態.

2數值計算

為了從理論上全面分析和驗證高溫氧氣的點火特性，以W火焰鍋爐的旋風筒點火燃燒器為研究對象，采用Fluent軟件對煤粉氣流在高溫氧氣作用下的著火過程進行數值模擬.由于燃燒器的整體結構比較復雜，生成的網格質量較差，模擬結果精度偏低，因此將模擬對象分為2部分分別進行數值模擬.第一部分是對高溫氧氣發生器的著火特性進行數值模擬，并將高溫氧氣發生器出口端面的氧氣溫度、速度和質量分數輸出為profile文件；第二部分是對W火焰鍋爐的旋風筒點火燃燒器本體的煤粉氣流著火情況進行數值模擬，并將第一部分輸出的profile文件作為此部分高溫氧氣的入口邊界條件.

2.1計算模型的選取

數值模擬采用三維穩態計算，對連續相(氣相)采用Euler坐標系下的k-ε雙方程湍流模型[7]，采用大渦模型(LES)模擬氣相湍流燃燒[8]，火焰輻射傳熱采用離散坐標(DO)模型[9]，油滴顆粒相運動軌跡采用離散相模型[10]，油滴的碰撞和破碎采用泰勒類比破碎(TAB)模型[11]，焦炭燃燒采用動力/擴散控制燃燒模型[12].采用壓力耦合方程組的半隱式方法(Simple)對流場進行計算[13].

2.2數值計算有效性分析

2.2.1高溫氧氣溫度值的有效性分析

高溫氧氣發生器的主要表征參數是氧氣溫度，因此將數值模擬所得溫度值(即數值計算值，見圖5)與實驗值(見表1)進行比較，如表2所示.

由表2可以看出，高溫氧氣溫度值的絕對偏差最大不超過85 K，相對偏差最大為5.86%，各個工況高溫氧氣溫度數值計算值與實驗值均沒有出現明顯的背離現象，隨著點火熱功率和熱載體氧氣體積流量的變化，數值計算結果基本能夠與實驗值同步變化.

表2　高溫氧氣溫度數值計算值與實驗值的比較

2.2.2高溫氧氣質量分數值的有效性分析

點火實驗所用的燃油是輕柴油，其主要成分的化學組成式為C16H34和C16H32，Fluent軟件材料庫自帶的燃油是燃料油，化學組成式為C19H30，從數值計算的角度分析，通過對物質性質的設定，可以用燃料油代替輕柴油進行數值模擬.燃料油(C19H30)在氧氣中燃燒的化學反應方程式為

2C19H30+53O2=38CO2+30H2O

(1)

通過式(1)能夠準確計算出不同給氧量情況下，一定量的燃油完全燃盡時所生成的高溫氧氣中各組分的質量配比關系(見表3).

表3　不同工況下的高溫氧氣組分

將表3中的高溫氧氣質量分數理論值與數值計算值進行比較，如表4所示.

由表4可知，高溫氧氣質量分數理論值與數值計算值的絕對偏差不超過4%，相對偏差最大為-3.95%，說明高溫氧氣質量分數的數值模擬結果與理論結果吻合良好.

綜上所述，數值模擬結果通過了網格無關性檢驗，證明數值計算方法基本正確.因此，筆者認為采用相同的數值計算方法對煤粉氣流在旋風筒點火燃燒器中的著火情況進行模擬計算，其結果也應當基本準確，可以對相關數據進行深入分析.

表4高溫氧氣質量分數理論值與數值計算值的比較

Tab.4Comparison of oxygen mass fraction between theoretical calculation and numerical simulation%

2.3高溫氧氣發生器的數值計算

由于反映柴油燃燒狀況和高溫氧氣發生器性能特點的主要指標是燃油燃燒溫度場、燃油蒸氣質量分數分布和氧氣質量分數分布，因此數值計算主要圍繞上述3個方面展開.

2.3.1計算區域的邊界條件

穩燃氧氣設為速度入口.熱載體氧氣共分為8組，沿徑向均勻分布，均設為速度入口，以假想切圓直徑20 mm的角度徑向射入燃油穩燃室內.油滴的粒徑為Rosin-Rammler分布，最小直徑為20 μm，最大直徑為60 μm，平均直徑為40 μm.環境大氣空間的邊界均為壓力出口.

計算工況的邊界條件與上述高溫氧氣點火實驗工況的參數完全相同，以確保數值計算結果與實驗數據之間具有可比性.

2.3.2溫度場

圖5給出了不同工況下高溫氧氣發生器及燃燒室軸向剖面的溫度場.通過對4個工況的比較，發現有以下特點：

圖5　不同工況下高溫氧氣發生器的溫度場

Fig.5Temperature field in the high-temperature oxygen generator under different conditions

(1) 在穩燃氧氣的助燃下，燃油穩燃室內根部燃油火焰的最高溫度為1 800 ℃左右，說明油霧燃燒非常穩定，證明穩燃氧氣的作用非常顯著.

(2) 4個不同工況的根部火焰形狀基本相同，說明熱載體氧氣體積流量和點火熱功率的變化對燃油穩燃室內的根部火焰影響較小.

(3) 在高溫氧氣加熱室的出口處，加熱后的高溫氧氣基本達到了最高溫度，下游區域的高溫氧氣溫度沒有進一步升高，說明燃油在高溫氧氣加熱室內部基本燃盡，這與實驗臺觀察到的實際燃燒情況一致.

2.3.3速度場

高溫氧氣發生器的一個主要特點是氧氣的強旋流設計，氧氣的流場特點對燃油的燃盡速度、溫度場和氧氣質量分數分布均有重要影響.因此，以工況1和工況2為代表，給出了高溫氧氣發生器熱載體氧氣噴嘴截面的徑向速度場(見圖6)和軸向速度場(見圖7和圖8).

圖6工況1的徑向速度場

Fig.6Radial velocity field in case 1

圖7　工況1的軸向速度場

分析圖6可以發現：

(1) 熱載體氧氣在幾何模型中以假想切圓直徑20 mm的角度從8個熱載體氧氣噴嘴射入高溫氧氣加熱器，然后各股高溫氧氣受到相鄰上游氣流的推動，最終形成的冷態切圓直徑約為35 mm，這與理論分析相同.

(2) 熱態著火時最終形成的切圓直徑約為80 mm，這是由于在熱態著火狀態下，溫度升高，氣體體積急劇膨脹，氣流速度加快，各股高溫氧氣的動量增大，推動下游氣流的力量增強，造成切圓直徑進一步增大，這也與理論分析相同.

(3) 從冷態和熱態的徑向速度場可知，高溫氧氣發生器內的氣流旋轉非常明顯，擾動強烈，這個特征對燃油的燃盡速度、溫度場和氧氣質量分數分布產生了本質的影響.

通過圖7與圖8的比較可以發現：

圖8　工況2的軸向速度場

(1) 熱載體氧氣的體積流量較大時，在高溫氧氣加熱室的出口處形成了較為明顯的回流區，如工況1(高溫氧氣體積流量為600 m3/h)所示；隨著熱載體氧氣體積流量的減小，回流強度變小，逐漸變為停滯區(回流速度基本為零)，如工況3(高溫氧氣體積流量為400 m3/h)所示.

(2) 回流強度的變化趨勢表明，高溫氧氣速度越大，高溫氧氣加熱室內的切向旋流強度越大，形成的回流區越明顯.

2.3.4燃油蒸氣質量分數分布

根據燃油燃燒理論，油滴在燃燒前受熱、蒸發、汽化，成為氣態后才開始燃燒，因此燃油蒸氣質量分數分布特點對燃油的燃燒有重要影響.圖9給出了不同工況下的燃油蒸氣(C19H30)質量分數的分布.通過分析圖9，發現高溫氧氣發生器內燃油蒸氣的質量分數分布有如下特點：

(1) 當高溫氧氣體積流量較大時(如工況1)，熱載體氧氣形成的切向旋流非常明顯，形成較強的回流區，在此速度場的影響下，燃油蒸氣被旋轉的高溫氧氣卷吸、甩到了高溫氧氣加熱室的壁處，形成“凹”形的質量分數分布圖.

(2) 隨著熱載體氧氣體積流量的減小(如工況2)，切向旋流強度逐漸減小，高溫氧氣卷吸燃油蒸氣的力量減弱，燃油蒸氣的質量分數分布逐漸由“凹”形變為“凸”形.

圖9　燃油蒸氣的質量分數分布

(3) 燃油蒸氣主要分布在高溫氧氣加熱器內部和出口附近區域，說明燃油的汽化和燃燒在此區域內已基本完成.在燃燒室的其他區域已基本觀察不到剩余燃油蒸氣的存在，說明燃油蒸氣已經完全燃盡，這個特征與實驗現象相吻合.

2.3.5氧氣質量分數分布

圖10給出了不同工況下高溫氧氣發生器的氧氣質量分數分布.由圖10可以發現：

(1) 各工況中心軸線區域的氧氣質量分數比其他區域略低，這是由于燃油從高溫氧氣發生器的中心軸線處噴入，中心區域的油滴濃度相對較高，在其燃燒過程中消耗了較多的氧氣，導致中心區域的氧氣質量分數較低，這與理論分析結果一致.

(2) 除軸線區域以外的其他區域，氧氣質量分數分布相對均勻，這主要是由于高溫氧氣發生器內的切向旋流強度大，擾動強烈，形成了均勻的氧氣質量分數分布.

圖10　不同工況下高溫氧氣發生器的氧氣質量分數分布

上述數值計算結果表明，高溫氧氣發生器具有切向旋流強度大、燃盡速度快和氧氣質量分數分布均勻的特點，且數值計算結果與實驗值接近.

2.4旋風筒點火燃燒器的數值計算

2.4.1旋風筒點火燃燒器原理

以中國大唐集團公司合山發電廠W火焰直流鍋爐的旋風筒燃料預熱型煤粉燃燒器為原型，提出了高溫氧氣旋風筒點火燃燒器的改造方案(見圖11).以該方案為原型，完成了高溫氧氣點火過程的數值計算，燃燒室計算區域為直徑2.5 m、長8 m.

圖11　高溫氧氣旋風筒點火燃燒器結構示意圖

由于反映煤粉燃燒強度的主要指標是燃燒溫度、揮發分的析出與燃燒、煤中焦炭的燃盡量和風粉氣流中氧氣的消耗量，因此對以上4個指標進行數值計算，并利用計算軟件后處理的“volume integrals”功能，采用“sum”選項統計出包括燃燒器和計算區域在內的揮發分析出量、焦炭燃盡量和氧氣消耗量等主要指標.

2.4.2數值計算幾何模型

為了改善網格質量，提高計算精度，在不影響計算結果的前提下，對旋風筒點火燃燒器幾何模型進行了簡化，如圖12所示.

2.4.3邊界條件

高溫氧氣入口邊界條件：將高溫氧氣發生器數值計算結果進行后處理，將該發生器出口端面的氧氣溫度、速度和質量分數輸出為profile文件，作為旋風筒點火燃燒器高溫氧氣的入口邊界條件.

風粉氣流的入口設為速度入口.煤粉粒徑為Rosin-Rammler分布，最小直徑為25 μm，最大直徑為95 μm，平均直徑為60 μm.燃燒室出口為壓力出口.

圖12　三維旋風筒點火燃燒器的幾何模型

2.4.4煤質分析

采用該電廠的設計煤種進行數值模擬，即85%質量分數的貴州無煙煤與15%質量分數的合山本地煤的混煤，其煤質分析如表5所示.

表5　煤質分析

2.4.5溫度場

圖13給出了旋風筒點火燃燒器及燃燒室軸向剖面的溫度場.由圖13可以看出，工況1和工況2的點火熱功率為350 kW，由于高溫氧氣溫度較低，對無煙煤的加熱速率相對較慢，不能將無煙煤迅速加熱至著火溫度，不足以讓無煙煤持續穩定燃燒，導致反應鏈斷裂，所以整個燃燒室的溫度場比較低，尤其是工況1，在燃燒室出口處的溫度急劇下降，說明煤粉火焰已經熄滅.工況3的點火熱功率為580 kW，燃燒室中心區域的溫度保持在950～1 150 ℃，在空氣氛圍下，垂直升降爐中無煙煤著火時的最低氣體溫度為1 018 ℃[14].因此，可以認為此時的無煙煤煤粉氣流處于臨界著火狀態.工況4的點火熱功率為700 kW，燃燒室中心區域的溫度為1 250 ℃左右，高溫區域進一步擴大，此溫度場已經達到了無煙煤穩定燃燒的要求，說明該工況取得了良好的點火效果.

圖13　不同工況下旋風筒點火燃燒器的溫度場

2.4.6揮發分質量流量分布

揮發分的分布區域和析出量反映了煤粉是否能夠及時著火燃燒.圖14和圖15給出了不同工況下揮發分的質量流量分布和析出量.由圖14和圖15可以看出，隨著點火熱功率的增大，揮發分的析出量迅速增大，工況4的揮發分析出量占了煤粉揮發分總含量的98%，說明煤粉在燃燒室內的燃燒已經非常強烈.

圖14　不同工況下揮發分的質量流量分布

圖15　不同工況下揮發分的析出量

2.4.7焦炭燃盡量分布

無煙煤的燃燒過程主要是焦炭的燃燒，焦炭燃盡量能夠直接表征煤粉燃燒的強度和穩定性.圖16和圖17給出了不同工況下的焦炭燃盡量分布及其占煤粉焦炭總含量的比例.由圖16可以看出，工況1和工況2在燃燒室的后半部分觀察不到焦炭燃盡區域，說明已經沒有煤粉在此處燃燒，這一結論與溫度場的分布特征一致；工況3和工況4整個燃燒室區域內都可以觀察到明顯的焦炭燃盡區域，說明煤粉在整個燃燒室區域都在著火，工況4在燃燒室內的焦炭燃盡量占煤粉焦炭總含量的45%，說明煤粉在8 m(即燃燒室的長度)的燃燒行程中，已經有45%的煤粉燃盡，證明煤粉的燃燒是非常強烈的.由圖15和圖17可以看出，煤粉的揮發分析出量曲線與焦炭燃盡量曲線具有類似之處，說明焦炭燃盡量明顯受到揮發分析出量的影響.

圖16　不同工況下焦炭燃盡量的分布

圖17　不同工況下焦炭燃盡量的比較

2.4.8氧氣質量分數分布

圖18反映了不同工況下燃燒室內氧氣的消耗情況，圖19給出了不同工況下燃燒室出口處的平均氧氣質量分數.由圖18和圖19可以看出，工況3和工況4的氧氣質量分數出現急劇下降，說明氧氣消耗量大大增加，反映出煤粉揮發分和焦炭燃燒強烈，消耗較多氧氣.與其他工況相比，工況4下燃燒室出口處的平均氧氣質量分數為4.4%，處于高溫缺氧燃燒狀態，說明該工況若能繼續增大供氧量，煤粉燃燒可進一步改善.

圖18　不同工況下燃燒室內的氧氣質量分數分布

圖19　不同工況下燃燒室出口處的平均氧氣質量分數

綜上所述，當高溫氧氣發生器的點火熱功率W=350 kW時，高溫氧氣未能將無煙煤煤粉氣流穩定點燃；當W=500 kW時，煤粉氣流基本能夠點燃，溫度場反映出煤粉氣流處于著火所需溫度的臨界狀態；當W=700 kW時，火焰中心溫度達到1 250 ℃左右，揮發分析出量占煤粉揮發分總含量的98%，焦炭燃盡量占煤粉焦炭總含量的45%，說明煤粉氣流著火非常穩定.

旋風筒點火燃燒器的數值計算結果表明，用高溫氧氣點燃W火焰鍋爐旋風筒點火燃燒器的無煙煤煤粉氣流是可行和有效的.

3結論

(1) 高溫氧氣發生器利用少量燃油即可將氧氣安全可靠地加熱至最高可達1 450 ℃的高溫狀態.

(2) 在高溫氧氣發生器的純氧氛圍下，燃油的燃燒速度非常迅速，在高溫氧氣加熱室的出口位置，燃油已基本全部燃盡.

(3) 在強旋流速度場作用下，高溫氧氣發生器出口處的溫度場和氧氣質量分數均呈現均勻分布.

(4) 當高溫氧氣發生器的點火熱功率為700 kW時，無煙煤煤粉氣流的火焰溫度達到1 250 ℃，火焰長度超過8 m，說明無煙煤煤粉氣流著火穩定，證明用高溫氧氣來點燃W火焰鍋爐的無煙煤煤粉氣流是可行的.

參考文獻：

[1]王怡弘．微油點火燃燒器點火性能測試研究[D]．杭州：中國計量學院，2013．

[2]張孝勇，王雨蓬，郭永紅，等．HM型等離子燃燒器多級燃燒特性數值模擬[J]．中國電機工程學報，2006，26(4)：60-65．

ZHANG Xiaoyong，WANG Yupeng，GUO Yonghong，etal．Using CFD to simulate lignite plasma ignition burner stage by stage combustion feature[J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(4)：60-65．

[3]陳磊，范浩杰，吳磊，等．煤粉燃燒器使用少油點火技術的數值模擬[J]．動力工程學報，2011，31(3)：165-169．

CHEN Lei， FAN Haojie， WU Lei，etal．Numerical simulation on tiny-oil ignition technology for pulverized-coal burners[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31(3)：165-169．

[4]LIU Guowei，QU Daozhi，DONG Peng，etal．Experiment and numerical simulation on high-temperature oxygen-enriched oil-free pulverized coal ignition[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. Shanghai：IEEE， 2012．

[5]韓亞芬．富氧條件下煤燃燒特性的熱重法實驗研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007．

[6]唐強，王麗朋，閆云飛．富氧氣氛下煤粉燃燒及動力學特性的實驗研究[J]．煤炭轉化，2009，32(3)：55-58．

TANG Qiang，WANG Lipeng，YAN Yunfei．Characteristics experimental research of pulverized coal combustion and dynamic under oxygen-enriched atmosphere[J]．Coal Conversion，2009，32(3)：55-58．

[7]冉景煜，劉麗娟，黎柴佐．一種旋風燃燒器內煤顆粒燃燒及沉積特性的研究[J]．動力工程學報，2012，32(11)：837-840．

RAN Jingyu，LIU Lijuan，LI Chaizuo．Study on combustion and deposition characteristics of coal particles in a cyclone burner[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32(11)：837-840．

[8]王頂輝，王曉天，郭永紅，等．燃盡風噴口位置對NOx排放的影響[J]．動力工程學報，2012，32(7)：524-527．

WANG Dinghui，WANG Xiaotian，GUO Yonghong，etal． Influence of OFA nozzle position on NOxemission[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32(7)：524-527．

[9]宋景慧，李兵臣，李德波，等．不同燃盡風風量對爐內燃燒影響的數值模擬[J]．動力工程學報，2014，34(3)：177-181．

SONG Jinghui，LI Bingchen，LI Debo，etal．Numerical simulation on effects of OFA rate on in-furnace combustion of boilers[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2014，34(3)：177-181．

[10]李德波，徐齊勝，沈躍良，等．四角切圓燃煤鍋爐變SOFA風量下燃燒特性數值模擬[J]．動力工程學報，2014，34(12)：921-931．

LI Debo，XU Qisheng，SHEN Yueliang，etal．Numerical simulation on combustion characteristics in a tangentially-fired boiler with variable volumes of SOFA[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2014，34(12)：921-931．

[11]畢明樹，張叢，周一卉．煤粉濃淡空氣分級燃燒過程的數值模擬[J]．動力工程學報，2010，30(8)：613-616．

BI Mingshu, ZHANG Cong，ZHOU Yihui．Numerical simulation on processes of pulverized coal bias air-staged combustion[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30(8)：613-616．

[12]孫保民，王頂輝，段二朋，等. 空氣分級燃燒下NOx生成特性的研究[J]．動力工程學報，2013，33(4)：262-266.

SUN Baomin，WANG Dinghui，DUAN Erpeng,etal．Investigation on NOxformation characteristics under air-staged combustion[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33(4)：262-266．

[13]王志剛，張海，陳昌和，等．煤焦反應動力學參數對電站鍋爐燃燒影響的數值研究[J]．中國電機工程學報，2007，27(2)：20-25．

WANG Zhigang，ZHANG Hai，CHEN Changhe，etal．Numerical investigation of effects of diffusion-kinetics parameters to the comprehensive combustion simulation[J]．Proceedings of the CSEE，2007，27(2)：20-25．

[14]顧廣錦，周月桂，金旭東，等．O2/CO2氣氛下無煙煤著火溫度的實驗與模型研究[J]．熱力發電，2014，43(1)：31-35．

GU Guangjin，ZHOU Yuegui，JIN Xudong，etal．Ignition temperature of anthracite coal in O2/CO2atmospheres：experimental study and modeling prediction[J]．Thermal Power Generation，2014，43(1)：31-35．

Ignition Characteristics of High-temperature Oxygen Generator in a W-flame Boiler

YANGaocheng,QIXin,RENTing,LIUShi

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract：To solve the problem of large oil consumption in cold start-up process of W-flame anthracite-fired boilers, a new ignition technology was proposed with the use of high-temperature oxygen. The specific way is to heat the oxygen to a high temperature with little oil, and then use the high-temperature oxygen to ignite the stream of pulverized anthracite. Hot-state experiments and numerical simulations were implemented to validate the feasibility and effectiveness of the proposed technology. Results show that oxygen can be safely heated to 1 450 ℃ using a high-temperature oxygen generator. In a pure oxygen environment, fuel oil would burn out instantaneously. At the outlet of high-temperature oxygen generator, both the temperature and oxygen mass fraction are uniformly distributed. When the ignition heat power is 700 kW, the flame temperature of pulverized anthracite stream would get up to 1 250 ℃, with the flame length being more than 8 meters.

Key words：W-flame boiler; high-temperature oxygen generator; pulverized coal combustion; ignition; numerical simulation

收稿日期：2015-06-04

修訂日期：2015-07-14

基金項目：智能化分布式能源系統創新引智基地資助項目(B13009)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2015XS89，13XS08)

作者簡介：閆高程(1977-)， 男，山西太原人，博士，主要從事電站鍋爐煤粉燃燒理論與污染物防治方面的研究.

文章編號：1674-7607(2016)05-0343-09中圖分類號：TK223.2

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

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