挥发分反应特性和立体分级燃烧对NO_x排放的影响

论文摘要

结合我国目前经济发展及能源利用状况,开发出具有低成本、高效、安全的燃烧法脱除NOx排放技术已成为控制污染物排放的一个重要目标。本文以此为出发点,对电站锅炉燃煤过程中的NO析出影响因素展开机理研究,并通过在不同负荷机组上进行工业验证,开发出立体分级低NOx燃烧系统。首先对我国某高挥发分烟煤展开热重—红外光谱仪联用（TG-FTIR）机理试验研究,采用Coasts-Redfern积分法对热解动力学参数进行求解,发现当n=1时其相关系数最佳,建立了升温速率为20、40和80K/min时的热解动力学模型,动力学模型模拟结果与试验结果吻合较好;同时,深入研究了热解条件对挥发分析出产物及含量的影响,确定了在不同升温速率下的CH4、CO等主要析出产物及含氮化合物（NH3）占原煤的质量份额。随后,把热重试验结果,与FG-DVC模型的计算结果进行对比,二者吻合较好,说明该热解模型可以用于描述我国烟煤的热解过程及产物。对真实燃烧条件下的挥发分组分及含量进行计算,采用GRI3.0反应机理的PFR反应器模型,对不同化学当量比下的燃料N生成NO的转化率“CR”进行计算。发现随着化学当量比的增加,NO转化率逐渐降低。得出在燃烧法脱除NOx所采用的高化学当量比燃烧条件下,NOx完全转化达到稳定需要较长时间,约为0.2s左右,并据此确定了对于高挥发分烟煤,为了达到降低NOx排放的目的,由主燃烧区至燃尽区的停留时间不能少于0.32s的结论。从而确立了面向电站锅炉的立体分级燃烧系统方案。分别对中储仓式和直吹式制粉系统锅炉机组开展工业试验研究,在保证机组稳定运行基础上,NOx排放浓度取得大幅度降低,其中50MW中储仓式制粉系统锅炉机组可将NOx排放量控制在450mg/m3以下;对200MW直吹式制粉系统锅炉机组进行改造后,可将NOx排放量有效控制在350mg/m3以下,最低可降至250mg/m3左右,取得了巨大的经济及社会效益,从而在不同容量机组上验证了前期机理研究方案的可靠性。最后,采用验证后的模型和计算方法对不同容量机组上的燃烧及NOx排放进行模拟,采用结合FG-DVC热解模型的FLUENT后处理平台,对NOx排放水平进行模拟计算,结果与试验值吻合较好,验证了模型的稳定性和可靠性。为低NOx燃烧技术改造结果的预报奠定了模拟研究基础。本研究工作对推广及应用立体分级低NOx燃烧技术,降低电站锅炉NOx排放,提高燃烧效率,降低能耗提供理论依据及技术参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 煤粉燃烧过程
• 1.1.2 氮氧化物的生成和控制机理
• x 燃烧技术简介'>1.1.3 低NO_x燃烧技术简介
• 1.2 空气分级燃烧技术的发展
• 1.2.1 垂直空气分级燃烧
• 1.2.2 水平空气分级燃烧
• 1.3 “风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术
• x燃烧系统的概念'>1.4 立体分级低NO_x燃烧系统的概念
• 1.5 热解模型发展介绍
• 1.5.1 FG-DVC 模型
• 1.5.2 CPD 模型
• 1.5.3 FLASHCHAIN 模型
• 1.6 气化反应动力学机理
• 1.6.1 GRI3.0 反应机理
• 1.6.2 Dagaut 反应机理
• 1.6.3 Glarborg 反应机理
• 1.7 本文的研究目的和内容
• 1.8 本章小结
• 第2章 烟煤的TG-FTIR 定量试验研究
• 2.1 研究目的及意义
• 2.2 热分析方法
• 2.3 试验内容及方法
• 2.3.1 试验内容
• 2.3.2 试验系统
• 2.3.3 试样元素及工业分析
• 2.4 动力学模型建立方法
• 2.4.1 微分法
• 2.4.2 积分法
• 2.5 热解动力学模型的建立
• 2.6 热解产物的成分分析
• 2.6.1 FTIR 的分析方法及应用
• 2.6.2 FTIR 定量分析方法的建立
• 2.6.3 烟煤热解气体的定性分析
• 2.6.4 烟煤主要热解产物的定量分析
• 2.7 本章小结
• x控制机理研究'>第3章 热解模型及NO_x控制机理研究
• 3.1 FG-DVC 热解模型介绍与应用
• 3.1.1 模型机理
• 3.1.2 模型应用
• 3.2 热重试验及FG-DVC 模型验证
• 3.2.1 试验样品
• 3.2.2 试验设备及试验条件
• 3.2.3 结果比较及分析
• 3.3 真实燃烧条件下热解产物的模拟
• 3.3.1 初始温度及加热速率的确认
• 3.3.2 热解产物种类及析出量的确认
• 3.4 热解气燃烧模型及机理
• 3.4.1 燃烧模型的选取
• 3.4.2 燃烧机理
• 3.5 结果及讨论
• 3.5.1 初始燃烧温度的确定
• 3.5.2 不同化学当量比下NO 转化率的确定
• 3.6 本章小结
• 第4章 立体分级燃烧系统方案及工业试验
• 4.1 立体分级燃烧系统方案设计
• 4.1.1 中储仓式制粉系统锅炉机组方案设计
• 4.1.2 直吹式制粉系统锅炉机组方案设计
• x燃烧系统的工业应用'>4.2 立体分级低NO_x燃烧系统的工业应用
• 4.2.1 主要测量仪器
• 4.2.2 工业试验结果及分析
• 4.3 本章小结
• x燃烧系统的数值模拟研究'>第5章 低NO_x燃烧系统的数值模拟研究
• 5.1 炉内三维燃烧过程数值模拟所采用的模型
• 5.1.1 气相湍流模型
• 5.1.2 气固两相流动模型
• 5.1.3 辐射换热模型
• 5.1.4 煤粉燃烧模型
• x生成模型'>5.2 煤燃烧过程中NO_x生成模型
• x 污染物生成模型'>5.2.1 NO_x污染物生成模型
• 5.2.2 本文选用的模型
• 5.3 锅炉炉内燃烧过程的数值模拟
• 5.3.1 模拟对象概况
• 5.3.2 数学模型及计算方法
• 5.3.3 边界条件
• 5.3.4 中储仓式锅炉燃烧模拟结果及分析
• 5.3.5 直吹式锅炉燃烧模拟结果及分析
• x模拟研究'>5.4 立体分级燃烧系统NO_x模拟研究
• x 析出特性'>5.4.1 中储仓式锅炉机组的NO_x析出特性
• x 析出特性'>5.4.2 直吹式锅炉机组的NO_x析出特性
• 5.5 本章小结
• 结论
• 研究工作的未来展望
• 参考文献
• 附录 模型中主要参数设置
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 作者简历