燃煤锅炉高效燃烧与低氮排放耦合技术研究

摘要

近年来，随着中国大气污染问题日益严峻，燃煤污染物控制技术得到了广泛关注。低氮燃烧技术作为主要的NOx控制技术之一，能够有效控制燃煤过程中NOx的生成。然而，低氮燃烧技术应用于各类锅炉时，普遍存在NOx控制与燃烧效率之间相互制约的问题。因此，实现高效燃烧和低氮排放的耦合对低氮燃烧技术的进一步发展具有重要意义。基于解耦燃烧技术通过热解与燃烧两个阶段，可以解除燃烧与低NOx之间矛盾的特点，本文研究了煤先热解、再燃烧分段反应特性，提出了适用于贫煤煤粉锅炉、工业层燃炉及小型民用炉的高效燃烧与低氮排放耦合技术，采用实验和数值模拟相结合的方法，对各炉型的燃烧特性和NOx生成特性进行了详细的研究，并优化了各锅炉的结构和运行工况。本文的主要内容和结论如下:
　　(1)对煤先热解、再燃烧分段反应特性进行了理论分析，针对三种典型低效率高污染炉型提出了高效燃烧与低氮排放耦合技术方案。采用综合热分析仪研究了长治贫煤先热解、再燃烧分段反应特性。结果表明，燃煤过程中采用先热解再燃烧的方式会降低半焦的燃烧反应速率，而延长热解时间对总体燃烧反应速率的减缓程度小。基于此形成了技术思路:采用先热解、再燃烧分段反应方式，尽量强化前段煤热解程度，并在后期燃烧段提供有利燃尽条件保证燃尽。并据此提出了由解耦燃烧器和多角解耦燃烧炉膛组成的贫煤解耦燃烧系统、解耦再燃复合低氮燃烧链条炉以及解耦炊暖两用炉的设计方案。
　　(2)应用冷模中试实验、冷态数值模拟及热态数值模拟方法，从边界条件和内部结构两方面对煤粉解耦燃烧器的结构、稳燃、低氮原理进行了细致的分析讨论，并对燃烧器结构和运行参数进行了优化。结果表明，该燃烧器具有合适的回流特性和阻力特性;煤粉粒径较入射煤粉质量流量对燃烧器分离特性的影响更大。该燃烧器产生的高效浓缩与低速回流区，使煤粉呈阶梯状逐级点火;阶梯状稳焰器组织煤粉射流形成长而稳定的煤粉束，形成自稳燃烧状态;煤粉束提高了焦炭对NOx的还原能力，降低了NOx的生成。燃烧器喷口采用水平分离隔板时，可有效提高热解程度，使燃烧器出口NOx浓度较初始设计降低59.36％。对该结构燃烧器的优化计算表明，最佳运行工况下出口NOx浓度较设计工况降低61.88％。
　　(3)通过冷模中试实验、冷态数值模拟，对四墙切圆/角式二次风炉膛(FWC)结构和不同二级二次风不同位置、不同摆角两个方面对空气动力场的影响进行了探究;并用热态数值模拟对FWC炉和四角切圆/墙式二次风(FCW)炉与传统四角切圆和四墙切圆炉膛进行比较，从煤粉的着火、燃烧、NOx控制及炉膛水冷壁保护等方面分析了影响炉膛稳燃和低氮性能的关键因素。结果表明，多角切圆炉膛推迟了燃烧反应，且在炉膛中心形成高温、高煤粉浓度煤粉束，有利于解耦燃烧，FWC和FCW炉较四墙和四角切圆炉膛，出口NO浓度分别降低17％和36％;同时切圆内的高湍流特性，延长了煤粉的停留时间，挥发分和CO随炉膛高度的变化曲线显示两种解耦燃烧炉型更有利于可燃物的燃尽;两种解耦炉膛内的动力场，有效组织了气流、颗粒及气体组分分布，有明显的水冷壁保护作用。综上，可以分别采用FWC与FCW两种新炉型进行改造，达到高效燃烧与低氮排放耦合的目的。
　　(4)采用数值模拟对解耦再燃复合低氮燃烧链条炉内空气动力场、燃烧特性、NOx排放特性等进行了数值模拟研究，并对锅炉结构进行了优化计算;另外，采用现场实验的方法对炊暖两用解耦炉的燃烧和污染物释放特性进行了评价分析，对该炉型减排能力和对不同煤种的适用性进行了评估，并对过程中室内污染物浓度进行了监测。对新型链条炉的研究表明，热解室与主燃烧室分隔、采用导气管将热解气引向炉排，以及炉拱上下喷入煤矿乏风为再燃气的设计，促进了主燃烧区气流与热解气流的混合，强化了热解气对主流烟气中NOx的还原反应，避免了热解燃烧炉中热解气燃烧不完全的问题;解耦燃烧与气体再燃的复合作用较热解燃烧炉进一步提高了NOx还原率。炉膛出口热解气浓度和NO浓度较传统链条炉分别降低了72％和89％。对炊暖两用解耦炉的实验研究表明，通过炉膛分区和不同区间的补风管，使燃烧效率较传统炉提高36％，SO2、NOx和CO浓度分别控制在200mg/m3，100mg/m3和300mg/m3以下。
　　本论文基于解耦燃烧反应特性的研究，针对不同燃煤锅炉提出了高效燃烧与低氮排放耦合技术，为解决炉中高效燃烧和NOx控制相互制约的问题提供理论依据和技术指导，对实现燃煤锅炉高效、清洁燃烧有一定现实意义。

目录

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景及意义

1．2 煤高效燃烧与低NOx燃烧机理研究现状

1．2．1 燃煤着火、稳燃、燃尽机理

1．2．2 燃煤NOx控制机理

1．2．3 高效燃烧与低氮排放的关系

1．3 解耦燃烧技术研究现状

1．4 煤粉炉稳燃及低NOx燃烧技术研究现状

1．4．1 煤粉炉着火稳燃技术研究现状

1．4．2 煤粉炉低NOx燃烧技术研究现状

1．4．3 燃贫煤电站锅炉运行中的主要问题

1．4．4 贫煤煤粉炉低NOx稳燃技术研究现状

1．5 层燃锅炉稳燃及低NOx燃烧技术研究现状

1．6 燃煤锅炉数值模拟研究现状

1．7 本文主要研究内容

第二章 燃煤锅炉高效燃烧与低氮排放耦合方案设计

2．1 解耦燃烧NOx控制机理分析

2．2 煤热解燃烧分段反应特性研究

2．2．1 实验样品及方法

2．2．2 实验结果与讨论

2．3 贫煤煤粉锅炉解耦燃烧系统设计

2．3．1 多尺度解耦煤粉燃烧系统

2．3．2 贫煤解耦燃烧器

2．3．3 贫煤解耦燃烧炉膛

2．4 高效燃烧低氮排放耦合层燃炉设计

2．4．1 解耦再燃复合低氮燃烧链条炉

2．4．2 炊暖两用解耦燃烧炉

2．5 本章小结

第三章 贫煤解耦燃烧器实验及数值模拟研究

3．1 贫煤解耦燃烧器冷态实验及冷态数值模拟

3．1．1 冷态实验

3．1．2 数值模拟方法及网格划分

3．1．3 结果分析与讨论

3．2 贫煤解耦燃烧器热态数值模拟

3．2．1 贫煤解耦燃烧器热态数值模拟方法

3．2．2 结果分析与讨论

3．3 贫煤解耦燃烧器的数值模拟优化

3．3．1 贫煤解耦燃烧器喷口结构优化

3．3．2 运行工况优化

3．4 本章小结

第四章 贫煤解耦炉膛实验及数值模拟研究

4．1 多角切圆解耦炉膛冷态实验及冷态数值模拟

4．1．1 四墙切圆／角式二次风炉膛(FWC)冷态实验

4．1．2 网格划分及冷态数值模拟方法

4．1．3 结果分析与讨论

4．2 多角切圆解耦炉膛热态数值模拟

4．2．1 热态数值模拟物理模型

4．2．2 数值模拟方法及网格划分

4．2．3 结果分析与讨论

4．3 本章小结

第五章 解耦层燃炉实验及数值模拟研究

5．1 解耦再燃复合低氮燃烧链条炉数值模拟研究

5．1．1 数值模拟方法

5．1．2 边界条件及模拟工况

5．1．3 三种层燃炉燃烧模拟研究

5．1．4 炉拱结构对新型层燃炉的影响

5．1．5 热解气入口形式对新型层燃炉的影响

5．2 解耦炊暖两用炉实验研究

5．2．1 实验用煤及实验方法

5．2．2 结果分析与讨论

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文的主要结论

6．2 主要创新点

6．3 今后工作的建议和展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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