大型超临界、超超临界锅炉低NOx燃烧系统研究

摘要

煤炭是我国最主要的一次能源，这决定了我国电力工业以煤电为主的格局。然而煤的燃烧将导致严重的环境污染问题，燃煤电站的污染物排放已成为我国目前最主要的大气污染源。 高参数超临界和超超临界机组具有效率高、污染物排放少的特点，是我国发展洁净煤发电技术的优先选择。本文主要围绕600Mw超临界和1000MW超超临界机组的低NO<,x>燃烧系统开展了一系列研究。 在煤粉锅炉中，一次风粉的均匀分配是防止炉内结渣、高温腐蚀，降低不完全燃烧损失的需要，也是实现低NO<,x>燃烧的前提条件。在直吹式制粉系统中，主要通过煤粉分配器实现一次风粉的均匀分配。本文采用试验和数值模拟相结合的方法对百万千瓦级超超临界锅炉配套的煤粉分配器进行了详细的研究，对比分析了分配器前弯管的安装角度、入口直管长度等因素对分配效果的影响，得出当弯管与分配器成90度安装，且竖直布置分配器时可以获得比较理想的分配效果。 本文应用计算机数值模拟技术研究了1000MW超超临界锅炉内的流动、燃烧和NO<,x>的生成情况，并对不同工况下的飞灰含碳量进行了对比分析。本文所研究的1000MW锅炉采用单炉膛双切圆的燃烧方式，并运用低NO<,x>同轴燃烧技术(LNCFS)来降低NO<,x>的排放。数值模拟结果表明：单炉膛双切圆的燃烧方式既保留了单切圆燃烧的所有优点，同时还能获得均匀的炉内空气动力场和热负荷分配，降低炉膛顶部区域的烟速和烟温偏差；LNCFS系统采用炉内径向和轴向空气分级相结合的燃烧技术，NO<,x>排放量可以降到300mg/Nm<'3>(折算到6％氧量)以下；采用分离布置燃尽风SOFA系统后，主燃区处在较强的还原性气氛下，局部热负荷偏高区域的水冷壁有可能发生高温腐蚀；采用空气分级技术时，对主燃区和SOFA风区的风量分配进行合理优化，可以在降低NO<,x>排放的同时提高煤粉燃尽率。 目前国产的600MW超临界机组已在全国范围内大量投产运行，这些机组采用了先进的低NO<,x>旋流或直流燃烧技术，取得了节能减排的显著效果。为了掌握超临界机组低NO<,x>燃烧系统的技术特点和运行特性，本文对国内现役的两台600MW机组进行了燃烧调整及性能试验，这两台机组分别采用了低NO<,x>轴向旋流燃烧(LNASB)和低NO<,x>同轴直流切向燃烧系统(LNCFS)。试验结果表明，这两种燃烧系统都能实现提高低负荷稳燃能力和燃烧效率，同时降低NO<,x>排放的目标。通过试验还得出了锅炉较佳的运行控制参数，为指导锅炉运行提供了科学依据。文中还对其中一台锅炉的燃烧和NO<,x>生成情况进行了数值模拟，模拟结果与燃烧试验的结果基本吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章总论

1.1超临界、超超临界机组的定义及特点

1.1.1超临界、超超临界机组的蒸汽参数

1.1.2超临界和超超临界机组的优点

1.1.3超临界、超超临界机组的技术特点

1.2超临界和超超临界机组发电技术在国内外的发展

1.2.1国外超临界和超超临界技术的发展

1.2.2国外百万千瓦级超超临界锅炉的发展和现状

1.2.3超临界和超超临界技术在国内的发展

1.3超临界、超超临界锅炉的低NOx燃烧系统

1.4煤粉分配器

1.4.1一次风粉分配均匀性的重要性

1.4.2煤粉分配器的类型

1.5煤粉炉内流动、燃烧和污染物生成的综合数值模拟

1.5.1数值模拟对电站锅炉运行的意义

1.5.2百万千瓦超超临界锅炉的燃烧数值模拟

1.5.3 NOx污染物生成的模拟现状

1.6本文研究内容

第二章本文研究的1000MW锅炉介绍

2.1锅炉整体布置

2.2锅炉特点

2.3燃烧器系统设计说明

2.3.1炉内燃烧器布置

2.3.2风量分配调节系统

2.3.3燃烧器系统的设计特点

2.4锅炉的主要技术规范

第三章煤粉分配器的数值模拟研究

3.1弯管与分配器流场的数值模拟

3.1.1物理模型

3.1.2两相流数值模拟方法简介

3.1.3网格的划分

3.1.4模型边界条件

3.2计算结果及分析

3.2.1入口长度3D，夹角0度工况

3.2.2入口长度3D，夹角90度

3.2.3入口长度5D，夹角0度

3.2.4入口长度18D，夹角0度

3.3本章小结

第四章煤粉分配器试验研究

4.1引言

4.2煤粉分配器竖直布置工况试验

4.2.1试验系统

4.2.2冷模试验参数计算

4.2.3试验工况及测试方法

4.2.4试验结果分析

4.3煤粉分配器水平布置实验

4.3.1试验目的

4.3.2实验工况

4.3.3试验结果分析

4.4本章小结

第五章煤粉锅炉燃烧和NOx生成过程的综合数值模拟方法

5.1四角切圆锅炉内流动的数值模拟方法

5.1.1描述湍流流动数学模型

5.1.2伪扩散问题的解决方法

5.2煤粉炉内煤粒运动和燃烧历程的模拟方法

5.2.1炉内气固两相之间的耦合

5.2.2煤粉颗粒的反应模型

5.2.3煤粉颗粒的控制方程

5.2.4煤粉颗粒湍流扩散的模拟方法

5.3湍流化学反应的PDF模拟

5.4煤粉炉内传热过程的数值模拟方法

5.5 NOx的生成模拟

第六章1000MW锅炉燃烧、NOx生成的数值模拟

6.1数值模拟的目的

6.2数值模拟结果分析

6.2.1模拟工况参数情况

6.2.2温度分布的模拟结果分析

6.2.3炉内氧量分布

6.2.4 CO2和CO在炉内的分布

6.2.5 NO生成量的预测情况

6.2.6煤粉颗粒的燃尽情况分析

6.2.7扭转残余计算

6.2.8烟温偏差计算

6.3本章小结

第七章600MW超临界锅炉燃烧调整及性能试验研究

7.1引言

7.2潮州电厂600MW超临界锅炉燃烧调整及性能试验

7.2.1潮州电厂超临界变压螺旋管圈直流锅炉简介

7.2.2潮州电厂2号机组空气动力场试验

7.2.3潮州电厂2号锅炉制粉系统性能试验

7.2.4潮州电厂2号锅炉热效率性能试验

7.2.5.潮州电厂2号机组污染物排放性能试验

7.3珠海电厂600MW超临界锅炉燃烧调整及性能试验

7.3.1珠海电厂超临界变压螺旋管圈直流锅炉简介

7.3.2珠海发电厂4号机组冷态通风试验

7.3.3珠海电厂4号锅炉热效率性能试验

7.3.4珠海电厂4号锅炉燃烧和污染物排放的数值模拟

7.4本章小结

第八章全文总结

参考文献

攻读博士学位论文期间发表论文情况

致谢