重金属元素在电厂锅炉炉膛中燃烧及转化的数值模拟

摘要

煤燃烧过程中会释放出大量重金属污染物，其中汞污染的危害性很大，尤其引起人们的重视。美国EPA在2005年颁布了《燃煤电厂汞排放标准》，进一步规范了电厂汞排放情况。但是目前为止，国内外有关燃煤过程中汞的释放形态及赋存方式的转化和控制方法的研究还处于探索阶段，因此，研究汞形态的转化规律和合理控制汞排放的方法，对于提高燃烧质量，减轻汞对环境的污染都有重大意义。
　　本文以一台600MW旋流对冲煤粉燃烧锅炉和尾部烟道作为研究对象进行数值模拟研究，使用FLUENT软件中非预混燃烧模型和PDF模型进行数值模拟，得到炉膛及后部烟道内的温度场，浓度场，与实际锅炉燃烧情况大致一致；运用Sliger等总结的汞氧化机理，将模拟烟气成分及工况参数输入CHEMKIN中，模拟在烟气降温过程中汞的赋存形态及反应转化情况，结果表明Hg0的转化可分为两个过程：首先Hg0与Cl原子反应生成中间产物HgCl；接着HgCl与HCl反应转化成HgCl2。在FLUENT模拟计算的基础上，将CHEMKIN中详细的汞的化学反应动力学机理导入到FLUENT中。以实际全尺寸锅炉及其尾部烟道作为研究对象，采用涡耗散概念模型（EDC）探讨在温度和复杂组分的共同影响下，计算得出汞的形态转化以及不同Hg形态在炉内的空间分布在实际三维炉膛及烟道内的浓度分布。并且从模型原理和特点出发，分析汞的主要氧化途径。结果表明在燃煤烟气高温区，炉膛中汞的主要赋存形式为单质态即Hg0；汞的氧化反应主要发生在温度范围约为1200-700K的下行对流烟道区域。HgCl和HgCl2的浓度随烟气温度下降均呈迅速上升趋势；首先Hg0与Cl原子反应生成中间产物HgCl；接着HgCl与HCl反应转化成HgCl2。将CHEMKIN单独模拟结果与耦合模拟结果进行对比分析，从而探讨降温过程中气态汞转化情况及汞的形态分布，为后续汞的去除提供一定的理论依据。

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第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 煤中汞的迁移转化研究

1.3 燃煤电厂汞控制技术

1.4 本文研究内容与创新之处

1.5 本章小结

第2章 模型的选择和系统网格划分

2.1 研究对象介绍

2.2 煤粉性质分析

2.3 炉膛模型

2.4 FLUENT简介

2.5 炉膛模型的网格划分

2.6 基本假设

2.7 边界条件

2.8 本章小结

第3章FLUENT求解过程及结果分析

3.1 煤粉燃烧过程及基本物理模型选择

3.2 FLUENT模拟结果

3.3 本章小结

第4章 烟气降温过程汞的均相化学反应动力学模拟

4.1 CHEMKIN系列软件包的构成及工作原理

4.2 CHEMKIN模拟结果及分析

4.3 本章小结

第5章 煤燃烧过程中汞排放与迁移转化规律的化学动力学分析

5.1 耦合CFD和详细化学动力学模拟的研究现状

5.2 CFD与化学动力学耦合的实现

5.3 涡耗散概念模型及求解方法

5.4 结果与分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 论文结论

6.2 展望与建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢