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富氧燃烧过程中的NOx控制及其系统效率研究

作　者: 游卓
导　师: 岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 富氧燃烧 NO_x 无穷分级燃烧 CCS 分级燃烧煤粉燃烧数值模拟流程仿真中试试验锅炉改造
分类号: TK16
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国的一次能源结构以煤为主。煤及其它化石燃料燃烧利用过程中的C02排放是造成全球温室变暖的主要原因,燃烧过程释放的NOx是目前我国环境污染的最重要的污染物之一。富氧燃烧作为最重要的二氧化碳捕获技术之一,在NOx排放控制上具有很大潜力,研究化石燃料的富氧燃烧过程及其NOx的排放过程具有重要意义。本文按照富氧无穷分级均相反应机理→煤粉在小型间歇式O2/C02气氛下释放NOx的机理试验→小型连续式沉降炉富氧分级燃烧NOx控制机理试验→中试型富氧分级燃烧热态试验→富氧燃烧大型应用数值仿真的研究路线对富氧燃烧过程中的NO、生成与控制进行了研究,并探索了降低富氧燃烧过程及其他CCS系统的碳捕获成本的方法。建立了一维有限元模型研究无穷分级燃烧的NO控制以及富氧燃烧气氛的影响。使无穷分级燃烧发挥最大的NO、控制作用有赖于合理的配风参数和温度、停留时间等环境参数的选择。提出了富氧燃烧时依赖CO2的不分支链反应机理,解释了CO2在无穷分级时一次风中氧气相对不足时抑制NOx生成、氧气相对充分时促进NOx生成的现象。富氧燃烧气氛下由于没有N2,在高温时不生成热力型NOx。在水平管式炉研究煤粉富氧燃烧过程中的NOx释放机理。氧气浓度的提高造成了反应时间的缩短和NO的浓度提高。NO、在氧气浓度达到70%以上后趋于稳定。02/C02混合物中氧气比例的提高以及C02浓度的下降使得温度对NOx的影响被减弱。煤阶越高的煤样在O2/C02气氛中燃料N向NOx的转化率可能更高。在沉降炉上研究煤粉富氧分级燃烧对NOx的控制,并建立了一维的两相反应模型进行分析。在未分级条件下,由于氧气浓度提高造成的停留时间变长,煤粉在30%氧气浓度的O2/C02富氧燃烧气氛下的NOx排放量是相同条件的空气下燃烧时的77%-80%。分级富氧燃烧条件下,延长一次风在还原区的停留时间可使NOx降低25%-29%。富氧燃烧条件下的气化反应有助于NO在焦炭表面的还原,抑制焦炭NOx的生成,并且在还原性气氛下更加显著。整体氧气浓度为74%的高浓度富氧燃烧中试试验中测得的NOx生成规律受分级配风的影响趋势与沉降炉试验和数值模型获得的趋势一致。在保证稳定着火的前提下,减少一次氧量、提高三次氧量可降低高氧气浓度富氧燃烧时的NOx排放。一次风中采用空气送粉的富氧燃烧可能在高温条件下生成大量热力型NOx。通过热力计算和三维CFD模型从热力性能角度验证了大型锅炉富氧燃烧改造的可行性。提出了绝热火焰温度与改造前一致的改造原则,作为富氧燃烧改造时氧气浓度选择的依据,可操作性强。利用三维CFD模型对富氧燃烧改造后NOx控制策略进行了研究。富氧燃烧改造后,不考虑烟气再循环的再燃作用时NOx生成量可降低至改造前的47.3%。OFA风率从0提高到20%时,NOx的生成量降低了近1/3。提高OFA风率会使主燃区的还原性气氛加强,并减少主燃区烟气量、延长含N元素的物质在还原区的停留时间,造成NOx生成量下降。富氧燃烧改造后,由大量烟气再循环形成的NO再燃使富氧燃烧的NOx净生成量降低72%。单位发电量的污染物排放与减排与发电效率密切相关。通过流程仿真的手段对比主流的碳捕获技术并对富氧燃烧流程的效率提升进行了探索。富氧燃烧技术、IGCC-CCS系统、基于氨法吸收的燃烧后Post-CCS技术在当前技术条件下都造成系统效率下降,碳捕获代价均在电耗1.30MJ/kgCO2左右。加压富氧燃烧可使富氧燃烧的碳捕获电耗降低25.6%。所提出的液氧自增压流程可使其系统净效率提高2.5%。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-17
1 绪论  17-51
  1.1 引言  17-18
  1.2 燃料在高浓度CO_2气氛下的燃烧特性  18-29
    1.2.1 高浓度CO_2气氛下的着火与火焰传播  18-21
    1.2.2 富氧燃烧环境下的煤焦动力学  21-23
    1.2.3 富氧燃烧过程中的燃尽特性  23-24
    1.2.4 富氧燃烧火焰的辐射特性  24-25
    1.2.5 针对富氧然燃烧的燃烧器  25-27
    1.2.6 富氧燃气轮机的相关研究  27-29
  1.3 富氧燃烧过程中的污染物排放  29-44
    1.3.1 氮氧化物  29-38
    1.3.2 硫氧化物  38-43
    1.3.3 其他污染物  43-44
  1.4 富氧燃烧系统的能效与优化  44-48
    1.4.1 加压富氧燃烧  44-46
    1.4.2 然气富氧燃烧循环  46-48
  1.5 本文研究内容  48-51
2 无穷分级控制NO_x及富氧燃烧气氛的影响的理论研究  51-67
  2.1 引言  51-52
  2.2 穷分级燃烧的数学模型  52-54
    2.2.1 模型建立  52-54
    2.2.2 研究方案  54
  2.3 影响NO_x无穷分级燃烧控制的因素  54-60
    2.3.1 温度的影响  54-57
    2.3.2 一次风率的影响  57-58
    2.3.3 停留时间的影响  58-59
    2.3.4 有限分级和无穷分级的对比  59-60
  2.4 富氧燃烧气氛下的无穷分级  60-65
    2.4.1 温度的影响  60
    2.4.2 CO_2的影响  60-61
    2.4.3 一次风率的影响  61-64
    2.4.4 漏风的影响  64-65
  2.5 本章小结  65-67
3 煤粉富氧燃烧过程中NO_x释放的机理试验  67-85
  3.1 引言  67
  3.2 煤粉富氧燃烧零维试验方案  67-69
  3.3 煤粉富氧燃烧影响NO释放过程的机理研究  69-82
    3.3.1 氧气浓度的影响  69-77
    3.3.2 温度对富氧燃烧气氛下的NO释放过程的影响  77-81
    3.3.3 不同煤种在富氧燃烧气氛下的NO释放过程  81-82
  3.4 本章小结  82-85
4 煤粉富氧分级燃烧控制NO_x的实验和机理研究  85-109
  4.1 引言  85
  4.2 一维分级富氧燃烧试验介绍  85-89
    4.2.1 试验设备与系统  85-87
    4.2.2 试验方案  87-89
  4.3 煤粉富氧分级燃烧一维模型介绍  89-93
    4.3.1 挥发分析出的模拟  89-90
    4.3.2 气相反应动力学  90-91
    4.3.3 焦反应动力学  91
    4.3.4 焦炭N的转化和NO在焦炭表面的还原  91-92
    4.3.5 模型求解过程  92-93
  4.4 煤粉富氧分级燃烧时的NO_x生成与还原机理  93-98
    4.4.1 温度和富氧燃烧气氛对NO_x生成的影响  93-95
    4.4.2 还原区停留时间对分级燃烧NO控制的影响  95-96
    4.4.3 分级富氧燃烧气氛对NO排放的影响  96-97
    4.4.4 温度对分级燃烧NO排放的影响  97-98
    4.4.5 一次风率的影响  98
  4.5 富氧燃烧条件下分级燃烧对NO_x影响的机理研究  98-103
    4.5.1 影响富氧燃烧条件下NO排放的因素  98-99
    4.5.2 高浓度CO_2气化反应的影响  99-102
    4.5.3 NO在焦炭表面的还原机理  102-103
  4.6 高O_2浓度富氧燃烧时NO_x控制的中试试验  103-106
    4.6.1 试验台与测量仪器  103-105
    4.6.2 试验方案  105
    4.6.3 配风方式对NO_x的影响  105-106
  4.7 本章小结  106-109
5 大型燃煤电站锅炉富氧燃烧改造的可行性验证  109-125
  5.1 引言  109-110
  5.2 1000MW超超临界锅炉富氧燃烧改造的模拟方案  110-114
    5.2.1 模拟改造对象  110-111
    5.2.2 改造方案  111-113
    5.2.3 CFD建模  113-114
  5.3 1000MW锅炉富氧燃烧改造的可行性  114-119
    5.3.1 富氧改造后的温度场  114-115
    5.3.2 改造后的速度场  115-117
    5.3.3 燃尽特性  117-118
    5.3.4 碳捕获性能  118-119
  5.4 600MW锅炉富氧燃烧改造的热力计算  119-123
    5.4.1 计算对象和方案  119-120
    5.4.2 富氧燃烧改造后的蒸汽品质  120-121
    5.4.3 改造后换热面出口烟温  121
    5.4.4 改造后烟气侧换热系数  121-122
    5.4.5 排烟热损失  122-123
  5.5 本章小结  123-125
6 1000MW锅炉富氧燃烧改造后NO_x控制方法的模型研究  125-139
  6.1 引言  125
  6.2 模拟方案与模型建立  125-129
    6.2.1 模拟研究方案  125-127
    6.2.2 NO生成和还原模型  127-129
  6.3 富氧燃烧条件下的NO_x生成与还原  129-132
    6.3.1 反应气氛对NO_x的影响  129-130
    6.3.2 OFA风率对NO_x的影响  130-131
    6.3.3 漏风对NO_x的影响  131-132
    6.3.4 OFA布置位置对NO_x的影响  132
  6.4 再循NO的还原  132-136
    6.4.1 富氧燃烧时再循环对NO_x的还原  132-134
    6.4.2 OFA风率的影响  134
    6.4.3 OFA布置位置的影响  134-135
    6.4.4 漏风率的影响  135-136
  6.5 本章小结  136-139
7 富氧燃烧及其它CCS技术的能效对比  139-161
  7.1 引言  139-140
  7.2 CCS技术的流程仿真介绍  140-143
    7.2.1 CCS技术介绍  140-142
    7.2.2 Aspen Plus流程仿真软件介绍  142-143
  7.3 主要CCS技术仿真流程模型的建立  143-150
    7.3.1 参考电站  143-144
    7.3.2 富氧燃烧系统  144-147
    7.3.3 IGCC-CCS系统  147-149
    7.3.4 超超临界Post-CCS系统  149-150
  7.4 采用主要CCS技术的燃煤电站能效分析  150-152
    7.4.1 系统净效率  150-151
    7.4.2 碳捕获的能量消耗  151-152
  7.5 加压富氧燃烧的流程仿真研究  152-155
    7.5.1 切换式液氧自增加流程  153-154
    7.5.2 燃烧室压力的影响  154-155
    7.5.3 燃料水分的影响  155
  7.6 CCS系统的效率优化方案  155-159
    7.6.1 发电参数提升对CCS系统效率的影响  155-157
    7.6.2 降低碳捕获率的部分CCS方案评估  157-158
    7.6.3 主要CCS技术展望  158-159
  7.7 本章小结  159-161
8 全文总结及工作展望  161-169
  8.1 主要研究内容与结论  161-166
  8.2 论文创新点  166
  8.3 未来工作展望  166-169
参考文献  169-189
作者简历  189-190

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