煤粉及电子废弃物烟气燃烧过程中NOx生成特性的数值模拟研究

摘要

近年来大气污染问题日益严重，而NOx是非常重要的大气污染物，它对环境和人体健康造成的危害正越来越得到广泛的重视。燃料的燃烧是NOx生成的主要来源，对我国来说，煤粉燃烧和工业锅炉内燃烧是其中非常重要的两个方面。所以本文通过数值模拟的方法分别研究了不同因素影响下煤粉射流燃烧特性以及NOx生成规律和不同分层燃烧条件下余热锅炉中有机物燃烧特性以及NOx生成规律。
　　对于煤粉射流燃烧，本文研究了煤粉燃烧过程中不同因素对污染物NOx生成特性的影响，这些因素包括了煤种（烟煤、褐煤和无烟煤）、颗粒的粒径(d=10～80um)和燃烧气氛(O2/CO2、 O2/N2，其中O2质量分数为21％～60％)。对不同煤种，本文采用CPD热解模型来拟合单方程热解模型的动力学参数，在冷态和热态的模拟结果与煤粉射流燃烧实验都基本吻合的基础上，再分析了NOx的生成特性。结果表明:不同的煤种、颗粒粒径、燃烧气氛以及模拟中考虑Soot模型和燃料N在挥发分和焦炭中的不同分布都会对污染物NOx的生成产生不同的影响。
　　对于余热锅炉内电子废弃物烟气的燃烧，冶炼电子废弃物时会产生可燃的有机物烟气，这些未燃尽的可燃有机物需要在余热锅炉内燃烬，以防止其进入尾部的烟气处理系统，增加烟气处理难度和成本。本文根据余热锅炉入口烟气中冶炼电子废弃物所产生可燃有机物浓度变化的情况，用数值模拟的方法研究了不同分层燃烧下余热锅炉内的燃烧特性和NOx排放的规律，对锅炉喷口分层布置进行优化设计。在对两种出口边界条件——压力出口边界和出流出口边界条件进行验证以及对烟气中复杂有机物处理方法比较的前提下，本文具体分析了入口烟气中有机物质量分数分别为2.655％、5％和10％时，不同喷口层数（2层、3层和4层）和不同喷口分布位置对余热锅炉内有机物燃烧以及NOx生成的影响。根据NOx生成和余热锅炉热利用的情况，得到不同有机物浓度下各自的最优喷口布置方案。研究表明:当入口烟气中有机物质量分数不同时，为了保证余热锅炉内燃烧的平稳、防止出现局部高温以及控制NOx生成，模拟所得到的分层燃烧的最佳喷口布置方案将会有所区别。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 NOx的危害

1．3 NOx生成机理和排放控制技术

1．3．1 NOx生成机理

1．3．2 NOx排放控制技术

1．4 国内外研究现状

1．5 本文研究内容和创新点

第二章 数学模型和数值方法

2．1 引言

2．2 基本控制方程

2．3 湍流模型

2．4 气固两相流动模型

2．4 气相湍流燃烧模型

2．4．1 通用有限速率反应模型

2．4．2 非预混燃烧模型

2．4．3 预混燃烧模型

2．4．4 部分预混燃烧模型

2．5 煤粉燃烧模型

2．5．1 热解模型

2．5．2 焦炭燃烧模型

2．6 辐射模型

第三章 煤粉射流燃烧中NOx生成特性的数值模拟

3．1 实验装置与物理模型

3．2 数值计算方法

3．3 计算域与边界条件

3．4 模拟结果与讨论

3．4．1 模型验证

3．4．2 不同颗粒直径对污染物生成的影响

3．4．3 不同燃烧气氛对污染物生成的影响

3．4．4 不同煤种对污染物生成特性的影响

3．4．5 模拟中NOx和Soot之间耦合的影响

3．4．6 燃料N在挥发分和焦炭中的不同分布对NOx的影响

3．5 本章小结

第四章 余热锅炉有机物分层燃烧以及NOx生成的数值模拟

4．1 引言

4．2 余热锅炉概述

4．2．1 物理模型、网格划分与边界条件

4．2．2 余热锅炉参数

4．3 数值计算方法

4．4 模拟结果与讨论

4．4．1 验证部分

4．4．2 不同有机物质量分数下的分层燃烧工况的比较

4．5 结论

第五章 全文总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 工作展望

参考文献

硕士期间研究成果以及发表论文情况