水煤浆空气分级燃烧技术降低NOx排放试验研究及数值模拟研究

摘要

大气污染问题已经成为当今世界人类共同面对的主要问题之一，氨氧化物作为工业大气污染物中的一种也受到越来越多人们的关注，化石燃烧排放的氮氧化物是总氮氧化物的来源之一，水煤浆作为新型燃料也需要对其燃烧过程中排放的氮氧化物进行控制。
　　本文以水煤浆燃烧过程中氮氧化物生成转化规律为主要研究对象，通过试验室小型试验台架燃烧试验研究，结合数值模拟方法，研究水煤浆燃烧过程中氮氧化物生成和转化过程中的影响因素和影响规律。通过燃烧试验，研究了不同燃烧配风方式下水煤浆不同燃烧阶段内氮氧化物的生成和转化规律。在试验室条件下，水煤浆采用空气分级燃烧技术，在控制总过量空气系数为1.15，分级空气比例达到18％时，NOx的排放量降低到212 mg/m3(折算至ψ(O2)=6％)。水煤浆燃烧过程中燃烧初期的氧气浓度对氮氧化物的生成量起主要作用。实际燃烧过程中水煤浆各个燃烧阶段内，调整燃烧初期的氧浓度来降低氮氧化物的生成量是最有效的降低整体氮氧化物生成量的方法之一。HCN作为挥发分N的中间产物在燃烧过程中可以存在的条件比较苛刻，只有在低氧环境(氧浓度≤2％)条件下才能出现，HCN在燃烧过程中的不同阶段对于挥发分N向NOx的转化起着不同的作用。
　　结合机理研究和数值模拟的结果，在一台新建的670 t/h水煤浆锅炉燃烧器设计中应用了空气分级燃烧技术，并且结合水煤浆少油点火技术和压缩空气雾化水煤浆技术对这台锅炉进行了燃烧调整试验研究。通过锅炉空气分级燃烧特性试验针对过量空气系数、燃尽风风门调节比例等因素对水煤浆燃烧特性及氮氧化物排放量的影响进行了试验研究。
　　通过数值模拟技术对大型电站水煤浆锅炉进行了数值模拟研究，模拟结果表明在大型电站锅炉水煤浆燃烧过程中需要对各层水煤浆燃烧初期的氧气浓度进行控制才能有效的降低整体NOx的生成量，数值模拟结果与现场试验结果相吻合，同时结合设计条件和试验条件下数值模拟的结果，对大型水煤浆锅炉的运行和燃烧调整提出了指导性的意见，为进一步的水煤浆空气分级燃烧技术研究提供了设计依据和数据基础。