富氧煤粉燃烧试验系统的数值模拟及优化

摘要

燃煤电站的二氧化碳捕集与封存技术被认为是未来中期内实现二氧化碳减排的有效措施,将常规煤粉燃烧锅炉改造为富氧煤粉燃烧是电站锅炉二氧化碳捕集、利用与封存最有应用前景的方法之一。富氧煤粉燃烧采用O2/CO2气氛取代了O2/N2气氛,CO2与N2的性质差异引起富氧煤粉燃烧在煤粉着火及火焰稳定性、燃烧反应动力学、炉内传热以及污染物生成等方面与常规空气燃烧有很大不同。富氧煤粉燃烧技术不仅可以用在新建的电站锅炉中,已有的常规空气煤粉燃烧锅炉也可以改造成富氧煤粉燃烧方式。
　　本文以40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统和3MW四角切圆空气煤粉燃烧试验系统两个不同规模的煤粉燃烧试验系统为研究对象,根据其结构、运行参数,通过建立炉膛的三维结构模型及网格生成,利用FLUENT数值计算软件进行数值模拟。
　　对40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统进行数值模拟,研究了在总氧浓度和氧化剂过量系数一定的条件下,不同的一次风氧浓度对同轴射流富氧燃烧煤粉着火距离的影响,为低一次风氧浓度下富氧煤粉燃烧火焰稳定性研究奠定基础。数值模拟结果表明,在总氧浓度为40％和氧化剂过量系数为1.15条件下,一次风氧浓度为20.9%时,着火距离较短,为附着火焰;当一次风氧浓度减小至14.6%、10.0%、5.5%和0时,着火距离明显增大,着火延迟,为分离火焰。提高二次风预热温度有助于低一次风氧浓度下富氧燃烧煤粉着火及火焰稳定性。计算结果与试验结果符合良好。
　　为了匹配与空气燃烧相同的炉内温度分布和热负荷分布,对3MW四角切圆煤粉燃烧锅炉试验系统在空气气氛和O2/CO2气氛下的煤粉燃烧分别进行数值模拟,设计了不同的数值模拟工况,确定了合适的富氧煤粉燃烧总体氧浓度,考虑到一次风煤粉输送的安全性,对降低一次风氧浓度的情况进行模拟。从炉膛内的温度分布和炉膛壁面热负荷的匹配来看,将富氧煤粉燃烧下的总体氧浓度定为30%是合适的。将一次风氧浓度降低到21%,炉膛内温度水平很低,通过提高二次风温进行优化。模拟结果表明,二次风温度的提高改善了低一次风氧浓度下的炉内温度水平。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2富氧燃烧技术简介

1.3富氧燃烧的数值模拟研究进展

1.4本文主要研究内容

第二章 40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统的数值模拟

2.1 40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统

2.2 40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验火焰稳定性测量方法

2.3煤粉燃烧数值计算模型及方法

2.4数值计算网格划分和边界条件

2.5着火距离的定义

2.6数值模拟计算结果与分析

2.7本章小结

第三章 3MW四角切圆煤粉燃烧试验系统的数值模拟

3.1 3MW四角切圆煤粉燃烧锅炉试验台简介

3.2炉膛数值计算网格划分及数值计算模型参数

3.3空气气氛下的数值计算结果

3.4本章小结

第四章 3MW试验系统富氧燃烧改造的数值模拟及优化

4.1富氧燃烧数值模拟工况设计

4.2总体氧浓度对富氧煤粉燃烧影响的数值模拟结果与分析

4.3一次风氧浓度对富氧煤粉燃烧影响的数值模拟结果与分析

4.4本章小结

第五章 总 结

参 考 文 献

致谢

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