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挥发分反应特性和立体分级燃烧对NO_x排放的影响

作　者: 张晓辉
导　师: 孙绍增
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: NO_x 立体分级燃烧系统燃尽风热解动力学模型煤粉
分类号: TK224.11
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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NO_x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NO_x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NO_x所采用的高化学当量比燃烧条件下,NO_x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NO_x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,NO_x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NO_x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NO_x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NO_x排放进行模拟,采用结合FG-DVC热解模型的FLUENT后处理平台,对NO_x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NO_x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NO_x燃烧技术,降低电站锅炉NO_x排放,提高燃烧效率,降低能耗提供理论依据及技术参考。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-33
  1.1 研究背景  13-19
    1.1.1 煤粉燃烧过程  13-14
    1.1.2 氮氧化物的生成和控制机理  14-17
    1.1.3 低NO_x 燃烧技术简介  17-19
  1.2 空气分级燃烧技术的发展  19-21
    1.2.1 垂直空气分级燃烧  20
    1.2.2 水平空气分级燃烧  20-21
  1.3 “风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术  21
  1.4 立体分级低NO_x燃烧系统的概念  21-22
  1.5 热解模型发展介绍  22-29
    1.5.1 FG-DVC 模型  22-24
    1.5.2 CPD 模型  24-28
    1.5.3 FLASHCHAIN 模型  28-29
  1.6 气化反应动力学机理  29-30
    1.6.1 GRI3.0 反应机理  29-30
    1.6.2 Dagaut 反应机理  30
    1.6.3 Glarborg 反应机理  30
  1.7 本文的研究目的和内容  30-32
  1.8 本章小结  32-33
第2章烟煤的TG-FTIR 定量试验研究  33-66
  2.1 研究目的及意义  33
  2.2 热分析方法  33-35
  2.3 试验内容及方法  35-40
    2.3.1 试验内容  35-36
    2.3.2 试验系统  36-39
    2.3.3 试样元素及工业分析  39-40
  2.4 动力学模型建立方法  40-44
    2.4.1 微分法  42-43
    2.4.2 积分法  43-44
  2.5 热解动力学模型的建立  44-48
  2.6 热解产物的成分分析  48-65
    2.6.1 FTIR 的分析方法及应用  48-49
    2.6.2 FTIR 定量分析方法的建立  49-52
    2.6.3 烟煤热解气体的定性分析  52-56
    2.6.4 烟煤主要热解产物的定量分析  56-65
  2.7 本章小结  65-66
第3章热解模型及NO_x控制机理研究  66-82
  3.1 FG-DVC 热解模型介绍与应用  67-70
    3.1.1 模型机理  67-68
    3.1.2 模型应用  68-70
  3.2 热重试验及FG-DVC 模型验证  70-72
    3.2.1 试验样品  70
    3.2.2 试验设备及试验条件  70-71
    3.2.3 结果比较及分析  71-72
  3.3 真实燃烧条件下热解产物的模拟  72-75
    3.3.1 初始温度及加热速率的确认  72-73
    3.3.2 热解产物种类及析出量的确认  73-75
  3.4 热解气燃烧模型及机理  75-77
    3.4.1 燃烧模型的选取  75-77
    3.4.2 燃烧机理  77
  3.5 结果及讨论  77-80
    3.5.1 初始燃烧温度的确定  77-78
    3.5.2 不同化学当量比下NO 转化率的确定  78-80
  3.6 本章小结  80-82
第4章立体分级燃烧系统方案及工业试验  82-108
  4.1 立体分级燃烧系统方案设计  82-93
    4.1.1 中储仓式制粉系统锅炉机组方案设计  82-89
    4.1.2 直吹式制粉系统锅炉机组方案设计  89-93
  4.2 立体分级低NO_x燃烧系统的工业应用  93-107
    4.2.1 主要测量仪器  93-94
    4.2.2 工业试验结果及分析  94-107
  4.3 本章小结  107-108
第5章低NO_x燃烧系统的数值模拟研究  108-143
  5.1 炉内三维燃烧过程数值模拟所采用的模型  108-114
    5.1.1 气相湍流模型  108-111
    5.1.2 气固两相流动模型  111-113
    5.1.3 辐射换热模型  113-114
    5.1.4 煤粉燃烧模型  114
  5.2 煤燃烧过程中NO_x生成模型  114-116
    5.2.1 NO_x 污染物生成模型  114-115
    5.2.2 本文选用的模型  115-116
  5.3 锅炉炉内燃烧过程的数值模拟  116-128
    5.3.1 模拟对象概况  116
    5.3.2 数学模型及计算方法  116
    5.3.3 边界条件  116-118
    5.3.4 中储仓式锅炉燃烧模拟结果及分析  118-124
    5.3.5 直吹式锅炉燃烧模拟结果及分析  124-128
  5.4 立体分级燃烧系统NO_x模拟研究  128-142
    5.4.1 中储仓式锅炉机组的NO_x 析出特性  128-132
    5.4.2 直吹式锅炉机组的NO_x 析出特性  132-142
  5.5 本章小结  142-143
结论  143-146
研究工作的未来展望  146-147
参考文献  147-157
附录模型中主要参数设置  157-159
攻读博士学位期间发表的论文  159-162
致谢  162-163
作者简历  163

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