四角切圓燃煤鍋爐超細(xì)煤粉再燃技術(shù)數(shù)值試驗研究.pdf

1、本文在對煤粉燃燒產(chǎn)生NOx污染物的原理、控制技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)與分析的基礎(chǔ)上，以我國典型的四角切圓燃燒煤粉鍋爐為研究對象，建立合理的數(shù)學(xué)模型和幾何模型對超細(xì)煤粉再燃過程進(jìn)行全尺寸三維數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了再燃燃料特性和燃燒參數(shù)對NOx排放、飛灰含碳量和鍋爐熱效率的影響規(guī)律。論文的主要工作和結(jié)論如下。 (1)建立了模擬煤粉燃燒前期流場的數(shù)學(xué)模型，氣相的湍流流動選擇Realizablκ-ε模型，氣相湍流燃燒使用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)模型

2、，煤粉顆粒相流動采用隨機(jī)軌道方法，揮發(fā)分析出模型為雙競爭反應(yīng)熱解模型，焦炭燃燒采用動力/擴(kuò)散控制燃燒模型，用P-1輻射模型計算輻射傳熱。對四角切圓燃煤鍋爐爐內(nèi)熱態(tài)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了其網(wǎng)格劃分的最優(yōu)方案，并且計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相符，證明了上述數(shù)學(xué)模型和幾何模型的有效性。 (2)采用上述數(shù)學(xué)模型與NOx后處理模擬方法對四角切圓鍋爐空氣分級燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了OFA(火上風(fēng))風(fēng)率和OFA噴口高度對NOx排放、飛灰

3、含碳量和鍋爐熱效率的影響，結(jié)果表明，增加OFA風(fēng)率可以降低NOx排放值，OFA噴口高度h對于NOx減排存在一個最佳值。NOx濃度的數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合，表明了采用NOx后處理模擬方法研究氮氧化物排放情況的可靠性。 (3)煤粉再燃技術(shù)是在空氣分級的基礎(chǔ)上實現(xiàn)燃料分級，利用上述數(shù)學(xué)模型與三個煤粉再燃還原NOx模型對超細(xì)煤粉再燃過程N(yùn)Ox生成特性與飛灰含碳量進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬后所得計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了動力/擴(kuò)

4、散控制焦炭燃燒模型對UBC預(yù)測的有效性，評估了三個煤粉再燃還原NOx模型的有效性及適用范圍。結(jié)果表明，改進(jìn)模型大大提高了模擬NOx的精確度。另外，通過分析超細(xì)煤粉再燃過程N(yùn)Ox的生成特性，表明了超細(xì)煤粉再燃具有一種減少NOx排放量較大的綜合潛力。 (4)利用合適的煤粉再燃還原NOx模型對全尺寸鍋爐的不同粒度的超細(xì)煤粉再燃過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，考察了再燃區(qū)長度、再燃燃料投射位置、再燃煤粉粒徑、再燃量及再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對NOx排

5、放、飛灰含碳量和鍋爐熱效率的影響。提出了燃燒工藝參數(shù)優(yōu)化配置方案：對于不同粒度的安徽煙煤再燃煤粉，再燃燃料噴口相對高度h0存在同一最佳值，為0.210左右，再燃區(qū)過量空氣系數(shù)存在同一最佳值，在0.8～0.9之間，此時NOx的脫除率達(dá)到最高；超細(xì)煤粉再燃量宜在10％～20％之間選擇；在實際的工程應(yīng)用中，可以在保證燃盡要求的基礎(chǔ)上增大再燃區(qū)長度；再燃煤粉的平均粒徑宜在20μm～30μm之間選擇。結(jié)果同時表明，以超細(xì)煤粉作為再燃燃料，對NOx

6、還原效果明顯改善，并能大幅度降低飛灰含碳量，提高鍋爐燃燒效率與熱效率。 (5)利用合適的煤粉再燃還原NOx模型對全尺寸鍋爐的不同煤種的超細(xì)煤粉再燃過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，綜合研究了燃料特性與燃燒工藝參數(shù)對NOx排放、飛灰含碳量和鍋爐熱效率的影響。結(jié)果表明：在相同的條件下，褐煤再燃還原NOx的效果最好，其次是安徽淮南煙煤、神府煙煤、貧煤，無煙煤效果最差；在相同的條件下，褐煤再燃帶來的飛灰含碳量最低，其次是安徽淮南煙煤、神府煙煤、貧

7、煤，無煙煤再燃爐膛出口飛灰含碳量最高；對于不同煤種的超細(xì)再燃煤粉，再燃燃料噴口相對高度h0存在同一最佳值，再燃燃料噴口最佳位置主要與主燃料的種類有關(guān)；當(dāng)以不同煤種的超細(xì)煤粉為再燃燃料時，其對應(yīng)不同的最佳再燃區(qū)過量空氣系數(shù)。 (6)通過分析上述結(jié)果，得到了主燃料煤粉干燥無灰基揮發(fā)分含量Vdaf與再燃燃料噴口相對高度最佳值h0op之間的關(guān)系h0op=0.361Vdaf-0.155和再燃煤粉干燥無灰基揮發(fā)分含量Vdaf與再燃區(qū)過量空氣

8、系數(shù)最佳值SR2op之間的關(guān)系SR2op=0.336+3.66×10-2Vdaf-5.87×10-4Vdaf2當(dāng)對鍋爐實施煤粉再燃技術(shù)時，可根據(jù)主燃料煤粉和再燃煤粉干燥無灰基揮發(fā)分含量由上述關(guān)系式估算出其對應(yīng)的再燃燃料噴口相對高度最佳值和再燃區(qū)過量空氣系數(shù)最佳值，為燃燒參數(shù)的優(yōu)化提供了便利的途徑。 (7)基于前文得到的優(yōu)化參數(shù)對400t/h四角切圓煤粉爐設(shè)計了4個改造方案，空氣分級、天然氣再燃、超細(xì)煙煤粉再燃與超細(xì)褐煤粉再燃。模

9、擬得出了各方案的溫度場及出口溫度、組分濃度場及組分出口平均濃度、NOx濃度場及其排放濃度、碳黑(soot)的排放濃度與飛灰含碳量。形成了從NOx脫除率、鍋爐燃燒效率、鍋爐熱效率和鍋爐結(jié)渣四個角度出發(fā)，評價不同改造方案優(yōu)劣的方法。結(jié)果表明，超細(xì)褐煤粉再燃是4個改造方案中最理想的改造方案，NOx脫除率高，爐膛出口溫升較小，排煙熱量損失較小，并降低了爐膛出口不完全燃燒產(chǎn)物排放量和飛灰含碳量，增加了鍋爐的燃燒效率與熱效率，得到了比天然氣再燃更低

10、的碳黑排放量，更大程度的抑制了鍋爐結(jié)渣，控制了環(huán)境污染。超細(xì)褐煤粉是三種再燃燃料當(dāng)中最為理想的再燃燃料，它有優(yōu)越的燃盡性，與天然氣相比成本低并且對NOx有更強(qiáng)的還原性。 (8)利用基于35t/h全尺寸鍋爐數(shù)值試驗得到的優(yōu)化參數(shù)對容量更大(400t/h)、燃燒器噴口布置更復(fù)雜的鍋爐設(shè)計了改造方案，分析改造方案的模擬結(jié)果可以看出，改造方案可以獲得高效率、低污染的燃燒效果，從而在一定程度上說明了本文得到的優(yōu)化燃燒參數(shù)放大的準(zhǔn)確性。本文

11、計算結(jié)果可用于更大型號的鍋爐燃燒參數(shù)的優(yōu)化。 本文的創(chuàng)新點是： (1)通過深刻分析超細(xì)煤粉再燃過程N(yùn)Ox的生成/還原機(jī)理與超細(xì)煤粉再燃條件下的熱解特性，基于焦炭N轉(zhuǎn)化為NO模型，提出了考慮還原性組分H2對NO的還原和燃料再燃對HCN含量的影響的煤粉再燃還原NOx改進(jìn)模型，使NOx濃度的計算結(jié)果最大偏差由26％降低到9％。 (2)基于全尺寸鍋爐超細(xì)煤粉再燃過程的三維數(shù)值模擬，全面分析了再燃煤粉特性和燃燒工藝參數(shù)對N

12、Ox排放及脫除率、飛灰含碳量和鍋爐熱效率的影響規(guī)律，得到了鍋爐燃燒綜合效果較好時各參數(shù)的優(yōu)化配置。并提出了最佳再燃燃料投射位置與主燃料煤粉干燥無灰基揮發(fā)分含量的定量關(guān)系式，最佳再燃區(qū)過量空氣系數(shù)與再燃煤粉干燥無灰基揮發(fā)分含量的定量關(guān)系式。 (3)針對大型四角切圓燃燒煤粉鍋爐設(shè)計了改造方案，全方位定量分析比較了空氣分級、天然氣再燃、超細(xì)煙煤粉再燃與超細(xì)褐煤粉再燃4種改造方案，給出了各方案爐內(nèi)詳細(xì)的溫度場，組分濃度場，NOx、碳黑等