超细粉再燃低NO_x燃烧技术的数值模拟与实验研究

论文摘要

燃煤电厂煤炭直接燃烧产生的NO_x不仅危害环境,也直接威胁着人类的健康,因此控制电站锅炉NO_x排放的技术应运而生,燃料再燃是其中比较有效的方法之一,针对可能需要增加第二种燃料及燃尽率差的缺点,提出了以超细化煤粉作为再燃燃料,本论文在863项目“超细化煤粉再燃低NO_x燃烧技术研究”的资助下对超细粉再燃进行了数值模拟和试验研究。论文以超细粉再燃低NO_x燃烧技术的三段燃烧综合体为研究对象,在中试试验的基础上对中试试验CRF炉、600MW示范机组四角切圆锅炉和330MW旋流燃烧器墙式锅炉进行超细粉再燃的数值模拟研究。首先对CRF炉进行常规燃烧与超细粉再燃NO_x生成的数值模拟与中试试验,试验结果超细粉再燃的NO_x脱除率为52.3~65.4%,数值模拟NO_x脱除率为58.20~75.06%。超细粉再燃与常规燃烧相比NO_x脱除率与再燃区NO_x还原率不成正比,它是由NO_x还原率与燃尽区NO_x新的生成综合决定的。其次600MW机组四角切圆燃煤锅炉的数值模拟所得NO_x脱除率为42.36~62.8%。对于大容量四角切圆锅炉的数值模拟,本文给出了一个可以有效减小伪扩散、流体流动方向与网格线方向一致、数目较少、计算精度较高的结构网格,该网格的数值计算结果清晰得捕捉到了四个角向火侧和背火侧靠近壁面处的小回流,而且计算温度与炉膛温度实测值较好的吻合。对NO_x的数值模拟,计算简单、耗时较少的耦合求解及软件自带常规模型的后处理求解均可以满足工程定性分析,但定量分析结果不理想,因此本文通过所用软件的用户自定义接口接入了一个NO_x的改进模型,该模型对NO_x的生成和还原在不同的氛围内采用不同的反应速率,且充分考虑了燃料再燃对NO_x的中间产物HCN的影响,因此计算结果比原软件自带常规模型更清晰的反映出NO_x生成和还原的变化,更适用于超细粉再燃技术。最后330MW机组旋流燃烧器墙式锅炉的数值模拟NO_x脱除率为50.57%。针对该锅炉可燃物损失大的问题,通过热解实验分析原因,提出改造方案,对原旋流燃烧器及改造方案的气固两相流进行了实验和数值模拟的验证,结果表明改造方案可以有效解决存在的问题,而且不会造成NO_x排放的增加。上述试验与数值模拟结果均表明,超细粉再燃较小的出口烟气温升对炉膛出口后受热面安全方面的影响较小,超细粉再燃对煤粉燃尽程度的影响较小。从超细粉再燃NO_x脱除率和其对锅炉安全及燃烧效率方面的影响来看,其工业应用是切实可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 引言
• 1.1 前言
• 1.2 氮氧化物的危害
• 1.3 氮氧化物的排放量及国家排放标准
• x排放技术'>1.4 降低NO_x排放技术
• x燃烧技术'>1.5 超细粉再燃低NO_x燃烧技术
• 1.5.1 国外再燃技术的发展历程
• 1.5.2 国内再燃技术的发展历程
• 1.6 本论文的主要内容
• x的生成/还原机理'>第二章 NO_x的生成/还原机理
• 2.1 热力型NO
• 2.2 快速型NO
• 2.3 燃料型NO
• 2.4 NO 的还原
• 2.4.1 同相还原
• 2.4.2 异相还原
• 2.5 湍流流动中的NO 生成
• 2.6 本章小结
• x生成子模型'>第三章 燃煤锅炉流动、传热、燃烧及 NO_x生成子模型
• 3.1 气相湍流流动模型
• 3.2 气固两相湍流流动模型
• 3.3 气相湍流燃烧模型
• 3.4 辐射换热模型
• 3.5 挥发分析出模型
• 3.6 焦炭燃烧模型
• x模型'>3.7 NO_x模型
• 3.7.1 简化的动力学模型
• 3.7.2 Arrhenius-EBU 模型
• 3.7.3 概率密度函数
• 3.7.4 关联矩模型
• 3.8 本章小结
• 第四章 CRF 炉的中试试验研究与数值模拟
• 4.1 CRF 炉的常规燃烧与超细粉再燃的中试试验
• 4.1.1 试验台及试验仪器简介
• 4.1.2 试验煤种
• 4.1.3 试验工况
• 4.1.4 试验结果与分析
• 4.1.5 结论
• 4.2 CRF 炉的常规燃烧与超细粉再燃的的数值模拟
• 4.2.1 数值计算中使用的各模型
• 4.2.2 计算工况
• 4.2.3 网格划分
• 4.2.4 数值计算结果与分析
• 4.2.5 结论
• 4.3 试验及数值模拟结果的比较
• x改进模型'>4.4 NO_x改进模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 600MW 机组四角切圆锅炉的的数值模拟
• 5.1 元宝山#3 炉简介
• 5.2 数值计算中使用的各模型
• 5.3 减小伪扩散的网格划分
• 5.3.1 结构网格数值模拟结果比较与分析
• 5.3.2 非结构网格数值模拟结果比较与分析
• 5.3.3 网格对数值计算结果的影响
• 5.4 计算工况
• 5.5 数值计算结果与分析
• 5.5.1 数值计算结果炉膛内温度与实测值的比较
• 5.5.2 常规燃烧与超细粉再燃的比较
• x的耦合求解'>5.5.3 NO_x的耦合求解
• x的后处理求解'>5.5.4 NO_x的后处理求解
• x脱除率'>5.5.5 超细粉再燃的NO_x脱除率
• 5.6 结论
• 5.7 本章小结
• 第六章 330MW机组旋流燃烧器墙式锅炉的数值模拟与实验研究
• 6.1 旋流燃烧器墙式锅炉的介绍
• 6.2 常规燃烧与超细粉再燃的数值模拟
• 6.2.1 数值计算中使用的各模型
• 6.2.2 计算工况
• 6.2.3 数值计算结果与分析
• 6.2.4 结论
• 6.3 旋流燃烧器的的实验研究与数值模拟
• 6.3.1 实验部分
• 6.3.2 数值计算
• 6.3.3 数值模拟与实验结果的比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士期间发表的文章
• 攻读博士期间参加的科研工作