燃油锅炉改油气混烧炉内燃烧过程及NOx生成的数值模拟

论文摘要

近年来,随着国际燃油价格的不断上涨,使得单独依赖燃油的锅炉用户越来越承受不了其运行费用;加上近些年,我国天然气事业的迅猛发展,天然气探明储量不断增长。为了保证生产运行持续性和经济性,大部分燃油锅炉用户已进行油改气或油改油气混烧的改造。另一方面,随着石化行业生产规模的扩大,生产过程中产生的工艺可燃副气越来越多,将其引入现有的燃油、燃煤锅炉中燃烧,已取得了良好的节能和环保效益。然而,燃料结构的调整都是在锅炉本体结构基本不变的情况下进行的,这势必会引起炉膛内的温度、热流密度重新分布,从而引起锅炉效率的改变,严重的还会引起安全事故,为了探讨燃油锅炉改油气混烧后的热力特性以及结构的适应性,有必要对炉内流动与燃烧过程进行深入研究。靠热态试验获得数据不仅耗费大量的人力、物力,而且得到的数据很少,而炉内过程的数值模拟能全面的预报炉内的真实情况。与煤粉炉相比,油气混烧锅炉虽然具有低CO2和SO2排放的特点。但人们往往忽略了它相对高的燃烧温度所导致的热力型NOx生成量的急剧增加。从文献上看,目前对于NOx的研究主要是针对燃煤锅炉而进行的,并且重点考虑的也只是由于燃料中的含氮化合物而引起的“燃料型”NOx。本文根据以燃气为主、燃油为辅的油气混烧的特点,即油气混烧的锅炉炉内温度,特别是火焰区域温度远比燃煤锅炉的高,因而不得不重点考虑“热力型”的NOx:燃油占总体的燃料的比例不高,同时由于“燃料型”NOx对温度不是特别敏感,所以暂不考虑“燃料型”NOx随燃烧影响因素的变化。本文以某电厂的一台燃油锅炉Y-130/39-1为几何原型,在对其进行油气混烧的改造后,利用FLUENT软件对炉内燃烧过程进行了较为全面的数值计算,给出了炉内的流场、温度场、壁面平均热流密度及NOx生成量分布情况。计算表明,过量空气系数、二次风旋流数对炉内温度、火焰长度和NOx的生成量具有显著影响,另外,重点分析了各个工况下的炉内温度场和NOx生成规律,并通过合理地组织炉内燃烧,最终实现高效率燃烧和低NOx排放。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要内容
• 2 NOx生成的机理及低NOx技术
• 2.1 氮氧化物生成的主要途径
• 2.2 氮氧化物NOx的生成机理和控制方法
• 2.3 常规的NOx控制技术
• 2.3.1 烟气净化技术
• 2.3.2 低NOx燃烧技术
• 2.3.3 分级燃烧技术
• 3 数学模型
• 3.1 气相湍流模型
• 3.1.1 微观模拟
• 3.1.2 概率密度函数模拟
• 3.1.3 统观模拟
• 3.2 湍流燃烧的数值模拟
• 3.2.1 各模型介绍
• 3.2.2 混合分数、概率密度函数模型
• 3.3 火焰传热的数值模拟
• 3.3.1 热流法
• 3.3.2 蒙特卡洛法
• 3.3.3 离散坐标法
• 3.4 气液两相模型
• 4 面向锅炉实体的FLUENT建模
• 4.1 锅炉及其喷嘴的简要描述
• 4.2 网格的划分
• 4.3 边界条件的确定及求解方法
• 5 改油气混烧后的可行性分析
• 5.1 常运行工况
• 5.1.1 速度场
• 5.1.2 温度分布
• 5.1.3 热力型NOx的分布
• 5.1.4 壁面热流分布
• 5.1.5 炉膛出口参数的比较
• 5.2 改油气混烧后的负荷适应性讨论
• 5.3 本章小结
• 6 炉内燃烧影响因素对NOx生成的影响
• 6.1 燃料构成
• 6.2 二次风旋流数
• 6.2.1 温度场
• 6.2.2 NOx浓度场
• 6.2.3 壁面热流密度
• 6.2.4 速度场
• 6.3 过量空气系数
• 6.3.1 温度场
• 6.3.2 NOx浓度场
• 6.3.3 壁面热流密度
• 6.4 本章总结
• 7 高效低NOx配风方式的探讨
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢