富氧环境下高炉煤气/煤粉掺烧氮氧化物排放特性研究

摘要

混烧发电技术的出现大大提高了钢铁生产过程中产生的二次能源高炉煤气的利用率,目前我国的混烧锅炉装机总量已经超过8000MW。但由于高炉煤气中大部分为不可燃气体,其可燃气体成分所占比例不足25％,在与煤粉掺烧过程中就会出现锅炉燃烧不稳定,煤粉燃尽性变差,锅炉效率降低等问题。此外,钢铁企业中还存在制氧过剩带来的放散氧问题,如何合理利用放散氧是钢铁企业实现节能减排任务中一项十分重要的工作。本文以某钢铁厂自备电站300MW高炉煤气/煤粉混烧锅炉为研究对象,利用FLUENT软件对其炉内微富氧(O2/N2)和富氧(O2/CO2)环境下的氮氧化物排放特性进行数值模拟。首先在20%的高炉煤气热量掺烧比例下通过对不同燃尽风配比下炉内燃烧过程的数值模拟优化燃尽风配比,然后在最优的燃尽风配比工况下研究微富氧和富氧环境下不同O2浓度对炉内温度场及NO浓度分布的影响规律,计算结果表明:在燃尽风比例25%以内,随着燃尽风配比的增加,炉膛内部NO浓度整体降低,当燃尽风配比超出一定范围后,会造成燃烧火焰贴墙,温度场分布不均,烟气流场被破坏。从炉内传热以及NO生成两方面综合考虑,锅炉运行最优燃尽风比例应控制在25%以内;在微富氧环境下,炉内最高温度均出现在燃烧器上部区域,并且温度分布与各组分浓度分布成对应关系,高温区对应着CO高浓度区和CO2、O2低浓度区,随着O2浓度的增大,炉内温度场明显升高,但在炉膛折焰角出口处,温度又趋于相近。NO浓度随着O2浓度的增大而升高,NO浓度的升高主要来自于炉膛内温度增大的影响;在富氧环境下,在炉膛底部及燃烧器区域,烟气温度随着O2浓度的增大而升高,但在燃烧器区域以上,呈现出相反的趋势,这主要是因为随着O2浓度的升高,烟气与炉膛壁面的辐射换热系数增大,辐射换热量增大造成的。NO浓度也随着O2浓度的增大而升高,NO浓度的升高主要来自炉膛内O2浓度升高的影响。
　　最后选取燃烧工况良好的微富氧中O2浓度27%和富氧中O2浓度35%对不同高炉煤气掺烧比例工况下的燃烧过程进行数值模拟,结果表明:在2种富氧工况下,炉膛出口CO浓度都降到了一个很低水平,表明燃尽性良好,炉膛内烟气温度场都随着掺烧比例的增加出现降低的趋势,都在炉膛的上部区域表现明显。NO浓度都随掺烧比例的增大而降低,降低趋势随着掺烧比例的增加而变缓。

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第一章 绪 论

1.1课题背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题的提出及主要研究内容

第二章 NOx的生成机理、影响因素及控制措施

2.1热力型NOx

2.2燃料型NOx

2.3快速型NOx

2.4降低NOx排放的措施

2.5本章小结

第三章 炉内燃烧过程数值计算模型

3.1基本控制方程

3.2湍流模型

3.3气固两相流模型

3.4煤粉燃烧模型

3.5辐射模型

3.6 NOx模型

3.7 本章小结

第四章 混烧锅炉实体的FLUENT建模

4.1锅炉概况

4.2燃料特性

4.3网格划分

4.4边界条件

4.5本章小结

第五章 富氧工况下掺烧过程的数值模拟及结果分析

5.1 燃尽风配比优化模拟

5.2 微富氧(O2/N2)气氛下的混烧燃烧模拟

5.3 富氧(O2/CO2)气氛下的混烧燃烧模拟

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究成果

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢