富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧特性的研究

摘要

随着CO2的捕集、封存和利用研究的不断深入，CO2驱油日益受到重视，同时以蒸汽驱油为目的油田注汽锅炉也被广泛使用。基于此背景，提出了将富氧燃烧方式应用于油田注汽锅炉捕集CO2，并将产品资源化利用的多联产工艺，实现有效驱油的同时封存CO2，减少污染物排放。
　　 针对这项技术的工业应用进行了基础性的研究。首先搭建了富氧燃烧试验系统;然后采用数值模拟计算，对80KW燃油锅炉的燃烧特性进行了研究，用于试验的指导;最后从技术和经济性两个方面对油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术进行了可行性分析。主要的研究内容包括以下几个方面:
　　 (1)中试规模试验系统的设计及搭建。整个富氧燃烧试验系统包括锅炉燃烧系统，气体配比系统，控制系统，数据采集系统，二氧化碳压缩系统。试验系统可用于后续对燃油锅炉的燃烧特性和污染物排放特性的试验研究，从而对整个工艺进行优化，用于指导工业应用。
　　 (2)燃油锅炉燃烧特性的数值模拟研究。以80KW燃油锅炉为研究对象，采用流体软件Fluent，建立了k-ε湍流模型、PDF燃烧模型和P-1辐射换热模型，分别对空气气氛和富氧燃烧方式下燃油锅炉的燃烧情况进行了数值模拟研究。结果表明在富氧燃烧方式下，由于CO2具有较大的比热，炉内整体温度水平小于空气气氛，但随着氧浓度的增加炉内整体温度水平提高，燃烧得到强化。辐射换热量由于高的CO2浓度而高于空气气氛下，并随着氧浓度的增加而变大，而对流换热随着氧浓度的增加而减小。氧浓度在32％时，换热量更接近于空气工况。在实际运行中，要综合考虑受热面的温度区域，选择合适的O2/CO2配比率，氧含量约为25％-32％。
　　 (3)油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术可行性分析。从技术上分析整个工艺流程可实现在注汽锅炉尾部烟气中捕集CO2，并且得到的多种副产品进行资源化利用，实现污染物一体化协同脱除。基于因素敏感性经济分析得出当气体利用率在30％以上时，油田注汽锅炉采用富氧燃烧多联产工艺捕集CO2是可行的，且年用气量较大时可得到很好的经济效益。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 富氧燃烧技术

1．3 富氧燃烧技术研究进展

1．3．1 富氧燃烧技术试验研究现状

1．3．2 富氧燃烧技术数值模拟研究现状

1．3．3 富氧燃烧技术经济性分析

1．4 研究目的和内容

第2章 富氧燃烧试验系统

2．1 锅炉燃烧系统

2．1．1 燃油锅炉

2．1．1 燃烧器

2．2 CO2压缩机系统

2．2．1 设计基础数据及压缩机选择

2．2．2 CO2压缩机主要技术参数

2．3 控制系统

2．3．1 控制原理

2．3．2 设备组成

2．4 气体配比系统

2．5 数据采集系统

2．6 本章小结

第3章 富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模型

3．1 数学模型的建立

3．1．1 基本守恒方程

3．1．2 湍流流动模型

3．1．3 湍流燃烧模型

3．2．4 辐射换热模型

3．2 几何模型建立

3．2．1 几何模型

3．3．2 网格的划分

3．3 模拟工况及相关参数

3．3．1 燃科的处理

3．3．2 模拟工况及边界条件

3．4 本章小结

第4章 富氧燃烧方式下燃油锅炉的燃烧特性

4．1 数值模型的验证

4．2 空气气氛下的燃烧特性分析

4．2．1 温度场的分布特征

4．2．2 速度场的分布特征

4．2．3 组分场的分布特征

4．2．4 壁面辐射力的分布特征

4．3 富氧燃烧方式下的燃烧特性分析

4．3．1 温度场随氧浓度的变化

4．3．2 组分场随氧浓度的变化

4．3．3 壁面热负荷随氧浓度的变化

4．4 本章小结

第5章 油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术的可行性分析

5．1 油田注汽锅炉富氧燃烧多联产捕集CO2的工艺分析

5．1．1 工艺流程

5．1．2 产品资源化利用

5．1．3 CO2和N2的应用

5．2 油田注汽锅炉富氧燃烧多联产捕集CO2的经济效益

5．2．1 油田注汽锅炉的基本参数

5．2．2 单位燃料增加的耗费与收益

5．2．3 年运行费用与收益

5．2．4 因素敏感性分析

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

攻读硕士学位期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表