煤粉锅炉两段式空气分级低NOx燃烧技术的实验研究与数值模拟

摘要

近年来，我国能源需求超常规增长、电力短缺、石油进口依赖度不断增加，能源问题已经成为制约我国经济发展的重要因素之一。当前，我国的能源结构以煤为主，并且在相当长的一段时间内将继续维持现状。煤炭的大量燃烧使用伴随产生了大量包括硫氧化物（Sox）、氮氧化物（Nox）等大气污染物，对环境带来了严重的污染，直接危害人类的身体健康。Nox是其中一种有毒有害的污染物，因此研究新的降低Nox排放的技术具有重要的意义。 两段式空气分级技术是对空气分级技术的改进，它不仅具备了空气分级高效低耗的优点，而且相较于空气分级技术能同时兼顾热效率，减缓飞灰含碳量升高的不利因素。 本文在总结前人关于空气分级和两段式空气分级研究成果的基础之上，通过实验研究和数值模拟等研究手段对两段式空气分级进行了深入的研究。 本文首先介绍了在20kW多功能低Nox燃烧实验台上进行煤粉两段式空气分级的实验研究，主要研究空气过量系数、停留时间、风量等因素对于两段式空气分级降低氮氧化物的影响。实验结果表明：主燃区空气过量系数对Nox的生成有一定影响，在一定范围内，主燃区空气过量系数越小，Nox生成量越少，低于一定值后，主燃区空气过量系数减小，Nox生成量反而上升，飞灰含碳量随着主燃区空气过量系数的增加而减小；一般来说，燃尽Ⅰ区和燃尽Ⅱ区总停留时间不变的条件下，处于还原气氛的燃尽Ⅰ区的停留时间越短，Nox的生成量越大，但是，如果燃尽Ⅰ区的停留时间低于一定范围，那么，Nox生成量反而越小；燃尽风位置及总量不变的前提下变换燃尽Ⅰ区和燃尽Ⅱ区的风量，燃尽Ⅰ区的风量越大，Nox越高，飞灰含碳量越低。 然后，本文详细介绍了两段式空气分级降低氮氧化物排放的燃烧过程和Nox生成的计算模型。模型包括湍流流动模型、湍流燃烧模型、颗粒相模型、煤粉挥发模型、焦炭燃烧模型和Nox生成化学动力学模型，并通过对比实验结果和模拟结果验证了模型的合理性。 最后，本文在600MW燃煤电站锅炉上对空气分级及两段式空气分级的脱硝效果进行计算，重点针对SOFA的高度、风量、配风方式、布置方式等影响因素。分级燃烧的计算结果能够全面反映大型煤粉锅炉炉内煤粉燃烧时的气相速度分布、温度分布、氧浓度分布以及Nox的分布情况。通过对比原始工况和空气分级改造后的工况所得到的计算结果，可以看到两段式空气分级燃烧可以有效降低Nox的排放浓度，是一种有效的低Nox燃烧方式。