煤粉锅炉低NOx燃烧数值模拟及生物质气化再燃的研究

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）、烟尘在内的大气污染物，对环境带来了严重的污染，直接危害人类的身体健康，已经引起广泛的关注。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。 本文首先从分析燃烧过程中Nox 的生成机理着手，介绍了Nox生成的主要途径，包括热力型、燃料型和快速型三种。从理论上阐述了分段燃烧降低煤粉锅炉Nox 排放的原理，并且对目前国内主要研究机构和大学在煤粉锅炉燃烧数值计算方面的研究现状进行了介绍，根据文献资料和计算经验选择不同的数值计算燃烧模型，对煤粉锅炉Nox 的生成量进行数值计算。本文对用到的数值计算模型进行了介绍，包括Realizable κ-ε双方程湍流流动模型、模拟气相湍流燃烧的混合分数/概率密度函数模型、颗粒相离散模型、模拟煤粉挥发份析出的单步反应模型以及模拟Nox 生成的化学动力学模型，基本阐述了本文所用到的煤粉燃烧的数值模拟过程。 然后，文章以某电厂的分段燃烧低Nox 系统的改造项目为背景进行了数值计算，并与现场的测量数据进行了对比。分段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段改造后的工况所得到的计算结果，可以看到空气分段燃烧可以有效降低Nox 的排放浓度，是一种有效的低Nox 燃烧方式。 最后，本文还对生物质气化再燃降低Nox 的技术进行了研究。介绍了目前国内外生物质能源的利用现状及各种主要生物质能利用技术，作为目前世界能源领域的研究热点之一，生物质能的利用应该引起国内能源界的足够重视，并以多功能Nox 实验台架为计算背景，在对比天然气再燃工况下数值计算和实验结果的基础上，模拟实验台架上生物质气化再燃对Nox 排放的影响，得出生物质气化再燃也是一种有效降低Nox 排放的技术，加之生物质能是一种资源丰富、无污染的新能源，其利用方式值得进一步深入研究。