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文檔簡介
1、電力生產中以煤炭為主的化石燃料的燃燒排放了大量的二氧化碳,溫室氣體的快速增加導致了溫室效應和全球變暖,其引發(fā)的全球氣候變化和環(huán)境問題已經給人類帶來了越來越大的影響。國際社會對此給予了越來越多的關注,達成了一系列以《京都議定書》為代表的國際間碳減排合作協議,并加速了燃煤電廠碳減排技術的發(fā)展。在眾多針對燃煤電廠煙氣中CO2的收集和儲存的技術中,使用氧氣與循環(huán)煙氣混合后替代空氣參與燃燒的煤粉燃燒技術(也被稱為富氧燃燒或O2/CO2循環(huán)燃燒),
2、是當前在技術和經濟上最能被工業(yè)界所接受的一項碳減排燃燒技術。
與煤粉在空氣下的燃燒相比,煤的O2/CO2循環(huán)燃燒技術由于沒有N2的參與,爐膛尾部煙氣中CO2濃度能夠達到90%以上,便于進行捕集和回收,且煙氣容積的大量減少降低了熱損失和處理成本。已有研究表明,煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒的燃燒特性與污染物排放特性均不同于傳統(tǒng)空氣下的燃燒,如火焰溫度降低、穩(wěn)定性變差等。通過采用新型的燃燒器及合理的配風技術,能夠使火焰溫度和爐膛傳熱
3、特性與空氣下燃燒時接近,并且在污染物的脫除方面有很大的減排潛力。在本文研究之前國內對這項技術的中型和大型試驗研究尚無,對于該項技術在試驗運行參數、O2/CO2燃燒器開發(fā)、燃燒特性和污染物生成機理等方面的研究還非常缺乏。
本文采用熱天平(TGA)與紅外煙氣分析儀聯用,對三種煤及其煤焦進行了不同O2濃度下的O2/N2和O2/CO2氣氛下的燃燒實驗,并對燃燒產生的煙氣進行了紅外實時監(jiān)測分析,對比了兩種氣氛下煤的燃燒反應特性,得到了處
4、在化學動力學控制區(qū)域范圍內動力學參數,并采用多種計算方法相結合找出了最概然機理函數。通過對比煙氣濃度隨溫度的變化規(guī)律,分析了高濃度CO2對煤的反應速率的影響以及污染物生成規(guī)律的影響。
設計并搭建了以豎直燃燒爐為主體的國內首臺中試規(guī)模O2/CO2循環(huán)燃燒綜合試驗臺,對煤在空氣下和O2/CO2氣氛下的燃燒進行了多工況試驗,對比分析了煤粉在不同O2濃度及不同煙氣循環(huán)方式下的燃燒特性和溫度場。尋找最佳煙氣循環(huán)率及其它運行參數,以使空氣
5、下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下的爐內溫度場和傳熱狀況相近,且爐膛出口煙氣中CO2達到回收標準。根據O2/CO2循環(huán)燃燒的特點,采用數值模擬和試驗研究相結合的方法,對O2/CO2旋流燃燒器的設計方法進行了探索。對改進后的燃燒器進行了冷態(tài)空氣動力場試驗,確定了氣流擴展角及回流區(qū)大小。在中試臺架上進行的熱態(tài)試驗用來研究燃燒器在空氣下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下的燃燒特性及污染物排放特性。研究表明,改進后O2/CO2旋流燃燒器具有良好的可調性,
6、氧-煤混合度和燃燒性能有明顯的提高。這些研究對今后O2/CO2燃燒器的研究和設計有非常強的指導意義。
利用CFD軟件對整個爐膛全尺度建模,選取了合適的湍流流動、燃燒與傳熱的數學模型對煤粉在空氣和O2/CO2氣氛下的燃燒進行了計算,并對模擬結果與實測數據進行了對比分析,數據吻合度良好,說明模擬能夠反映真實的燃燒過程。并在FLUENT軟件上對變更煙氣循環(huán)參數后的燃燒過程進行了探討,對實際運行給出了建議和指導。另外,FLUENT軟件
7、在燃燒器設計過程中,在確定燃燒器的關鍵參數如旋流強度和葉片安裝角度上起到了重要的作用。
對中試臺架上煤在空氣下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下燃燒時爐內污染物生成規(guī)律進行了理論分析和試驗研究,研究了NOx和SO2的濃度分布及排放規(guī)律,探索了在O2/CO2循環(huán)燃燒條件下進行爐內噴鈣實現對NOx和SO2進行聯合脫除的方法。并使用FLUENT和CHEMKIN對O2濃度不同的O2/N2和O2/CO2氣氛下的燃燒進行了模擬計算和機理分析,研
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