3MW_(th)富氧燃烧煤粉锅炉的数值模拟研究

以国内首台3 MW_(th)富氧燃烧煤粉锅炉为研究对象,借助CFD软件对煤粉空气燃烧和富氧燃烧工况进行数值模拟研究。通过与实验结果对比发现,模拟得到的炉膛温度分布、换热量以及出口组分与实验测量结果吻合,这表明本文使用改进的辐射特性模型以及4步化学反应机理能够很好地预测炉内温度、传热以及烟气组分分布。通过模拟研究,对比分析了空气燃烧与富氧燃烧的炉内特性。研究结果表明:富氧燃烧时,CO_2的显著增加使得燃烧器区域出现高浓度CO;富氧燃烧的整体温度分布与空气燃烧相似,但峰值温度有较大的降低;炉内辐射传热较空气燃烧略有下降。     

富氧燃烧条件下煤焦的燃尽特性

本文利用平面火焰携带流反应器研究了DT烟煤在富氧燃烧条件下的燃烧实验。采用灰示踪法分析煤焦的燃尽和元素释放特性,并采用等密度模型计算了基于氧化反应C+0.5O_2→CO的表观反应动力学参数。研究结果表明;煤粉在富氧燃烧条件下的燃尽慢于空气燃烧;富氧燃烧条件下,煤焦与CO_2的气化反应会导致煤焦表面对O的化学吸附,进而导致氧元素释放速率减慢;高氧浓度条件下,高浓度CO_2对煤焦燃尽的抑制作用大于CO_2气化反应对煤焦燃尽的促进作用,降低环境氧浓度可以逐步提高CO_2气化反应对煤焦燃尽的贡献。     

基于简单碰撞理论煤粉燃烧动力学模型的研究--PART Ⅱ:颗粒表面的氧气浓度分布模型

为了较准确地预报炉内煤粉燃烧速率,正确区分TGA中滞止煤粉表面与炉内载流煤粉表面氧气浓度的变化规律是非常关键的。从TGA中非稳态条件下坩埚内颗粒表面氧气浓度分布的数理解知,煤样的氧化过程是同时进行的,只是上部的氧化速率大一些,底部的氧化速率小一些;同一样品,同一升温速率,试样的堆积厚度的差异,会影响实验结果的重复性。分析表明,在初始和反应结束时,坩埚内颗粒表面氧气浓度等于环境浓度;反应速率达到最大值时,颗粒表面氧气浓度达到最小值。颗粒在炉内流动燃烧过程中,环境中氧气浓度值是单调减少的,煤焦表面氧的浓度是非线性变化的。     

单颗粒流化床富氧燃烧特性研究

在二维热态可视化流化床实验平台上深入研究了O_2/N_2和O_2/CO_2气氛下单个煤颗粒燃烧特性。实验中流化床床温为1088 K,O_2浓度为10%~40%,拟球形煤颗粒粒径为6 mm,两根热电偶分别记录煤燃烧过程中颗粒中心及表面温度的变化规律。实验结果表明:O_2/CO_2气氛下O_2扩散速率低于O_2/N_2气氛,使得煤颗粒的平均表观燃烧速率、升温速率及温度峰值降低,燃尽时间延长;提高O_2浓度后燃烧特性得以改善。为获得与空气气氛相近的燃尽时间,O_2/CO_2气氛下O_2浓度约需25%,但O_2浓度需30%才可达到和空气气氛相近的燃烧温度峰值。     

O2/CO2循环燃烧中NOx的中试实验研究

O2/CO2 循环燃烧技术不仅便于回收烟气中 CO2,还能大幅度减少 SO2 和 NOx 排放.在国内第一台中试规模O2/CO2 循环燃烧台架上,对炉膛内部不同燃烧区域和尾部烟气的 NOx 排放进行研究.结果表明,本实验台架燃烧一段是 NOx 排放的重点提升区,Air 气氛下 NOx 浓度上升了 109.7%,在 O2/CO2 和 O2/RFG 气氛下 NOx 浓度没有明显增加,分别上升 23.2% 和 21.6%,燃烧二段 NOx 浓度基本没发生变化.尾部烟气中,与 Air 工况相比,O2/CO2 循环燃烧工况下脱硝率为 83.41%,另外喷钙对 NOx 的脱除也有不同程度的提升.     

富氧燃烧详细机理评估及机理简化

在富氧燃烧中,反应物被大量CO_2稀释,其反应动力学发生明显变化。本文系统地研究了甲烷富氧燃烧的详细机理和骨架机理.为此,首先对6个详细机理在典型富氧燃烧实验下的氧化性能进行评估.然后将预测精度最好的详细机理与不同NO_x机理进行耦合与验证,找出对NO预测最好的机理。最后将预测氧化和NO都最好的详细机理进行了机理简化,并进行了系统验证。结果表明,USC-MechⅡ机理在富氧燃烧工况下具有最好的氧化预测精度,且有效考虑了富氧燃烧下CO_2化学影响引起的CO浓度变化;USC-MechⅡ机理耦合GRI-Mech 2.11中NO_x机理对NO排放预测精度最好;本文简化得到的38组分、180步反应的骨架机理在点火延迟时间、火焰传播速度以及PSR中温度和NO排放预测等方面和详细机理具有很好的一致性。     

准二维狭缝ODPP/OESC的研究分析

针对准二维狭缝燃烧系统,进行了扩散燃烧、预混燃烧、空气部分预混燃烧以及稀氧部分预混/富氧补燃(ODPP/OESC)等燃烧技术的排放特性对比;并进行了稀氧部分预混/富氧补燃技术中不同预混氧浓度、不同补燃氧浓度、不同预混当量比以及不同补燃位置火焰的燃烧特性以及污染物的生成特性的对比分析。研究结果表明,ODPP/OESC的燃烧工艺,能够有效地实现燃烧过程中高效率和低排放的双优化,随着预混当量比的增大以及后期补燃位置的增大,快速型NO_x生成比重明显增大。     

基于赤铁矿载氧体的污泥化学链燃烧研究

基于污泥处置技术的减容化、无害化、稳定化和资源化的目的,本文首次采用化学链燃烧技术来处置污泥,实验基于赤铁矿载氧体在1 kW_(th)串行流化床上开展。研究了燃料反应器温度对污泥燃烧特性的影响,并对比了淮北无烟煤和污泥化学链燃烧特性的差异,以及考察了赤铁矿长期运行的物化性能。实验结果表明,在本实验的工况下,没有焦炭随载氧体进入到空气反应;随着燃料反应器温度的增加,污泥和煤的碳转化率均增加,但污泥的碳转化率要高于煤;同时,水蒸气的加入可提高污泥的碳转化率,但水蒸气的量对其影响较小;赤铁矿在长时间运行中,体现了良好的反应以及抗烧结性能。     

氧/燃料燃烧条件下方解石的转化行为

将45~63μm和90~150μm的方解石矿物在空气与氧/燃料条件下进行沉降炉实验,研究了燃烧气氛、颗粒粒径以及SO_2对方解石转化行为的影响。研究表明:方解石颗粒在氧/燃料燃烧条件下发生破碎,气氛中CO_2浓度越高,方解石的破碎越弱;方解石样品粒径越大,破碎越明显。气氛中CO_2的浓度越高,CaCO_3的分解越弱,90~150μm的方解石分解程度大于45~63μm的方解石。气氛中存在体积分数为0.3%的SO_2时,氧/燃料燃烧条件下CaSO_4的生成量大于空气燃烧气氛,SO_2的存在促进CaCO_3的转化。     

煤粉再燃对600 MW锅炉NOx排放的影响

在国内某台燃用褐煤的600 MW机组锅炉上进行了煤粉再燃技术示范并进行了工业试验.机组在600 MW负荷下运行时,NOx排放可控制在274 mg/m3(烟气中氧量折算到6%,下同)的水平,比改造前下降了65.36%,同时燃烧效率没有降低.进行了常规通风、空气分级和煤粉再燃三个工况下的试验,结果表明,煤粉再燃对NOx的控制效果最好,其次为空气分级.再燃煤粉比例对NOx排放也有明显的影响,在试验条件下,随着再燃燃料比例的增加,NOx排放呈降低趋势.     

城市干化污泥循环流化床燃烧过程中NO和N2O的排放特性

在15 kW循环流化床实验台上进行了城市干化污泥的燃烧实验,研究了污泥含水率、燃烧温度、过量空气系数、二次风比率等因素对NO和N₂O排放特性的影响。实验结果表明:污泥含水率从4.5%增加至17.5%时,NO排放浓度明显降低,N₂O排放浓度明显升高;燃烧温度升高,NO排放浓度呈上升趋势,N₂O排放浓度则呈下降趋势;增大过量空气系数会促进NO和N₂O的生成;提高二次风比率可以降低NO和N₂O的排放浓度。城市干化污泥在循环流化床燃烧过程中NO和N₂O的排放浓度高于污泥与煤混烧时的排放浓度,但燃料N向NO和N₂O的转化率低于与煤混烧过程。     

加压富氧燃烧模式下SOx/NOx强耦合促进SO3形成的机理研究

加压富氧煤粉燃烧技术由于净发电效率高被认为是最有可能得到应用的燃煤CO2控制技术之一,但受燃烧压力影响,烟气中的酸性气体(SOx/NOx)分压显著提高,导致腐蚀风险加剧,而目前对该问题相关的基础研究很少。本文利用详细反应机理(72组分,428反应),基于实验数据对照,揭示了加压富氧模式下SOx/NOx强耦合促进SO3和NO2形成的协同效应。动力学机理计算结果表明:SOx/NOx的交互作用可促进SO2和NO向SO3和NO2的转化,并且该促进效应在一定的温度和加压条件下十分显著。基于反应路径和敏感性分析,本文最终发展了一个能用于准确预测加压富氧燃烧模式下SO3和NO2在后火焰区形成特性的9步骨架反应机理。     

循环流化床高氧气浓度下的煤燃烧试验

在燃烧室高度6000 mm、直径140 mm、热功率0 15 MW的循环流化床燃烧试验系统上,研究煤在40%以上氧气浓度中的燃烧特性。试验结果表明,循环流化床在O2/N2气氛下、平均氧气浓度48.8%～52.3%范围内,可以实现普通烟煤的稳定燃烧;通过优化试验参数,煤的燃烧效率达到95.6%;物料循环量为404 kg/h,循环倍率为17.6。     

关于煤粉火焰稳定性和煤粉预燃室及火焰稳定船的作用

沿用预混可燃气体的火焰稳定理论常不能正确地分析煤粉火焰的稳定问题,不宜于用来指导煤粉燃烧设备的设计和运行。本文着重分析了在中国电站煤粉锅炉中已广泛采用的煤粉预燃室和新型火焰稳定船式煤粉燃烧器中煤粉颗粒的运动和燃烧过程,认为在燃烧设备中组织好含煤粉的气流的运动,使能在燃烧室中形成局部的高煤粉浓度、高温和合适氧浓度的区域,成为稳定的煤粉着火有利区,是保持煤粉火焰稳定的原则。此煤粉火焰稳定原则可以阐明各种保持煤粉火焰稳定的技术措施,也有利于分析和开发新的煤粉燃烧技术。     

煤粉与煤焦燃烧时颗粒物的生成特性研究

在实验室沉降炉中进行煤粉热解制焦、煤焦燃烧及煤粉燃烧实验,研究了煤焦燃烧过程对颗粒物生成的影响.研究发现,煤焦燃烧生成的PM1和PM10浓度均低于煤粉燃烧时,说明热解制焦过程对PM1和PM10生成的影响很大;随着温度由1073 K升至1573 K,煤焦燃烧生成PM1浓度与煤粉燃烧生成PM1浓度之比减小,而PM1-10之...     

富燃料丙烷/空气预混火焰特性的微重力实验研究

地面常重力(1g)条件下,丙烷/空气预混火焰向上传播的富燃极限为9.2%C_3H_8,而向下传播时的富燃极限仅为6.3%C_3H_8,二者之间存在明显差距。利用微重力条件下的实验,对燃料浓度从6.5%到8.6%(微重力实验中测定的可燃极限)范围内的丙烷/空气预混火焰特性进行了研究。实验发现,重力对近极限丙烷/空气火焰的传播有显著影响,影响程度随着当量比的增加而增大。微重力下丙烷/空气的富燃极限为8.6%C_3H_8(φ=2.24),明显高于1g条件下向下传播火焰的可燃极限,略低于向上传播火焰的可燃极限。随着当量比的增大,根据压力变化曲线计算的火焰层流燃烧速度从8.5cm/s逐渐减小到2.7 cm/s,可燃极限处的层流燃烧速度与前人实验数据一致。     

甲烷/二氧化碳多孔介质富燃部分氧化实验研究

本文采用多孔介质燃烧器对甲烷/二氧化碳富燃部分氧化开展实验研究,研究了燃料中CO_2添加量对于非催化部分氧化重整制取合成气的影响。当空气流量为5L/min时,调节入口CO_2/CH_4比例及当量比,确定了多孔介质富燃燃烧的稳定区间,测试了稳定工况下的温度分布和出口组分。当量比为1.3时,稳定工况下CO_2/CH_4可达到1.5。当量比为1.6,CO_2/CH_4为0.5时,燃料重整效率可达到47.7%。燃料中CO_2的加入可在一定程度上促进水气变换反应逆过程的进行,回收部分显热,提高燃料重整效率,同时可减少CO_2净排放。     

富氧燃烧烟气喷淋脱水过程数值模拟

富氧燃烧系统中,脱硫后的高湿烟气需要经过脱水处理才能作为循环烟气利用,喷淋塔是一种常用的脱水设备。本文用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对喷淋塔的烟气脱水过程进行了三维建模模拟,得到了喷淋塔内的温湿度分布并用实验结果进行了验证。通过该模型分析了喷嘴的操作参数和运行特性对液滴平均运动时间和脱水效果的具体影响,讨论了数值模拟中出口烟气"过饱和"现象的成因,研究了不凝气组分对脱水过程的影响,为富氧燃烧脱水系统的设计提供了基础数据和理论方法。     

煤粉燃烧SCT模型氧气可达比表面积的实验研究

本文针对煤粉燃烧SCT模型中的氧气可达比表面积,进行了不同煤种的TG实验和N2/BET比表面积的测试,研究了煤粉燃烧过程中不同温度下比表面积在不同孔径下与燃尽度和燃烧速率的相关性,研究表明:煤粉在燃烧过程中的平均孔径大于3～11 nm时,该孔径以上的累积比表面积与燃尽度有很好的相关性;高阶煤的氧气可达比表面积在反应过程中逐渐增加,而低阶煤的氧气可达比表面积在反应过程中的变化不是很显著;通过大量的实验说明,不是所有的比表面积在反应过程中都发挥作用,而氧气可达比表面积可以很好地反映燃烧速率的变化.     

高温空气煤粉直燃技术的数值模拟

本文通过数值计算的方法,对高温空气煤粉直燃燃烧器的多种运行工况进行了数值试验研究,分析了煤粉气流入口速度、煤粉浓度和高温空气速度等主要因素对煤粉气流着火的影响,模拟结果还可以反映出高温空气无油点火燃烧器内的流动、燃烧和传热情况。与试验数据的对比分析表明,数值模拟结果与试验数据趋势一致。研究结果对此燃烧器的结构及运行参数的优化提供了指导。