重油oxy-fuel燃烧方式下燃烧特性的试验研究

摘要

oxy-fuel燃烧技术作为CO2的捕集方式之一，自提出以来一直受到学者的大量关注，具有较高的CO2捕集效率和较好的节能减排技术优势。重油oxy-fuel燃烧技术可应用于油田注汽锅炉，捕集CO2的同时实现对重油和CO2的资源化利用，并减少重油燃烧污染物的排放。目前国内外对于关于重油oxy-fuel燃烧的研究较少，火焰特性、温度特性和污染物排放特性的研究以及最佳燃烧工况的选取具有重要的实际意义。
　　oxy-fuel燃烧方式与空气燃烧最大的区别在于燃烧气氛及氧浓度的改变，本文中将过量空气系数改称过量氧气系数，氧浓度的升高将引起供气量的减少。供气量过小，射流速度不足，燃烧火焰稳定性差，有回火的风险。提高供气量就需要提高过量氧气系数，这意味着更高的制氧成本。通过观察火焰和尾部烟气情况选取各个氧浓度工况下的最低过量氧气系数，并计算各个工况下的烟气量、烟气成分浓度及烟气平均比定压热容。选择及计算结果表明随着燃烧氧浓度的升高最低过量氧气系数增大，而供气量却是减少的，相应烟气量也减少。氧浓度在27％～35％时，干烟气中CO2浓度理论上可以达到90％以上，过量氧气系数的增大使得烟气中剩余的氧含量提高。oxy-fuel燃烧方式中烟气平均比定压热容比空气燃烧时大，随着温度的升高而增大。
　　在最低过量氧气系数下进行重油oxy-fuel燃烧火焰特性、温度特性及污染物排放特性试验研究。在氧浓度为27％～29％时火焰形态及温度场分布与空气燃烧时最为相似，随着氧浓度的升高，火焰颜色由橙黄色转变为黄白色，火焰区域温度水平升高，且高温部分越来越靠近燃烧器出口处。由于N2和CO2物理性质的差异，oxy-fuel燃烧火焰传播速度小，相同氧浓度下oxy-fuel燃烧整体温度水平低于O2/N2气氛燃烧。
　　污染物排放特性的研究表明，在高浓度CO2气氛下，CO的停留时间变长，NO在核心反应区的生成受到抑制，随着氧浓度的升高，燃烧反应速率增加，CO的停留时间缩短，而NO最高浓度值增大，烟气量的减少使炉膛内NO整体浓度水平上升，但是尾部烟气NO的排放体积量不受氧浓度变化的影响。
　　重油和柴油试验对比表明，两者温度场形态分布大致相同，但是相同氧浓度及下重油的燃烧速度比柴油的燃烧速度慢，火焰区域的温度水平表现为柴油高于重油，且核心反应区的温度变化更为剧烈。重油试验中尾部烟气NO的排放量高于空气燃烧，而在柴油试验中尾部烟气NO的排放量为空气燃烧时的一半，两种燃料的试验结果相反，初步认为燃料性质对燃料型NO的生成有重要影响。
　　氧浓度范围为27％～31％适用于油田注汽锅炉，采用oxy-fuel燃烧技术捕集CO2进行驱油提高原油采收率经济性受原油价格影响较大，在如今国际原油价格持续走低，国内采油成本不断升高的情况下需要慎重考虑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 oxy-fuel燃烧技术

1．2．1 技术原理

1．2．2 技术特点

1．2．3 研究现状

1．3 重油应用现状

1．3．1 重油分类

1．3．2 重油燃烧的难点

1．3．3 重油燃烧技术改进措施

1．4 本文研究目的及内容

第2章 重油oxy-fuel燃烧机理

2．1 油燃料燃烧原理

2．2 燃烧化学反应速率

2．3 火焰传播与稳定理论

2．4 火焰热辐射

2．5 NOx反应机理

第3章 试验装置与试验工况的选择

3．1 试验系统

3．1．1 供气系统

3．1．2 燃烧系统

3．1．3 测量装置

3．2 元素分析

3．2．1 理论需氧量计算

3．2．2 发热量计算

3．3 过量氧气系数的选取

3．3．1 选择依据

3．3．2 选择结果

3．4 燃烧烟气量的计算

3．4．1 理论烟气量计算

3．4．2 烟气平均比定压热容计算

3．5 本章小结

第4章 重油oxy-fuel燃烧特性研究

4．1 测量范围及测量点的布置

4．2 燃烧火焰特性研究

4．3 燃烧温度特性研究

4．3．1 氧气浓度对燃烧温度的影响

4．3．2 惰性组分对燃烧温度的影响

4．3．3 燃料种类对燃烧温度的影响

4．4 污染物排放特性研究

4．4．1 CO组分场分析

4．4．2 NO组分场分析

4．4．3 尾部烟气污染物排放情况

4．5 本章小结

第5章 油田注汽锅炉技术应用分析

5．1 最佳燃烧工况选取

5．2 CO2驱油经济分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢