水煤浆在低温预热条件下MILD燃烧的数值模拟研究

发布时间：2020-07-26 18:30

【摘要】：随着工业的不断发展,能源危机和环境问题逐渐加剧,寻找高效节能清洁的燃烧方式和能源成为解决当前难题的重中之重。我国的能源储量决定了煤炭是我国的基础能源,是我国能源安全基石,将在很长一段时间是我国的主要能源供给。水煤浆技术是一种新型清洁的煤炭利用技术。相比重油、原煤等燃料,水煤浆具有较好的经济、节能和环保特性,易于运输,低氮氧化物排放。MILD(ModerateIntensive Low Oxygen Dilution)燃烧是一种新型燃烧技术,具有低污染、高效能、温度分布均匀、低噪音等一系列优点。将MILD燃烧技术和水煤浆技术相结合,可望解决目前水煤浆燃烧应用中的问题,拓展MILD燃烧的应用领域,具有很好的工业应用前景。首先,本文以IFRF(International Flame Research Foundation)试验炉为研究对象,采用CFD数值模拟的方法研究了不同浓度的水煤浆在O_2/N_2气氛下常规旋流燃烧和MILD燃烧特性以及污染物排放的区别;随后研究了在低温预热非预混燃烧条件下入射流对于水煤浆扩散MILD燃烧的影响,具体针对一次风速度大小、入射流间距以及一次风角度进行了研究,比较了上述因素对流场、燃烧特性以及污染物排放等的影响;最后针对低温预热条件下水煤浆富氧MILD燃烧,研究了CO_2、H_2O以及压力对于水煤浆富氧MILD燃烧的影响,为水煤浆MILD燃烧技术的工业应用提供借鉴和指导。研究结果表明,在低温预热条件下,水煤浆MILD燃烧相对于常规旋流燃烧,流场内烟气循环更强,温度更低分布更均匀,尾部烟气中NO_x大幅减少;在非预混燃烧形式下,一次风喷嘴布置会影响炉膛内部的流场以及燃料和氧化剂之间的混合,从而影响炉膛内部的流场和燃烧强度,进而影响炉膛内的温度、焦炭燃尽时间以及污染物的形成等;相比于O_2/N_2气氛,在O_2/CO_2气氛下水煤浆MILD燃烧炉膛温度更低,NO_x大幅降低,焦炭燃尽时间更短,增加CO_2浓度更有利于水煤浆形成MILD燃烧,降低NO_x生成;氧气浓度一定时,改变H_2O浓度对于炉膛内部温度和NO_x生成影响较小,但可以扩大高温区域面积以及改善焦炭的着火;增大炉膛整体压力可以有效提升炉膛温度,加速挥发分析出,增强气体扩散,加强炉膛内燃烧强度以及促进焦炭气化反应进行,降低焦炭着火时间,促进NO_x的还原,降低尾气中NO_x的排放。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：

内部循环,烟气,温度关系,卷吸率

中科技大学硕士学位论文人[8]还通过 CH4的 MILD 燃烧实验，得到了炉膛内烟气如图 1-1 所示。在 CH4的 MILD 燃烧区域中 Kv 大于 2.5研究 MILD 燃烧都会考察其内部烟气卷吸率，作为衡量 Mgiolo 等人[20]针对不同种类的燃料进行了 MILD 燃烧的研烧需要 Kv 大于 4 且炉膛温度大于 1073 K~1123 K，而采于 3.5，炉温高于 873 K~923 K 即可。

测点分布,燃烧实验,几何结构,单位

2.1 模拟对象与水煤浆 MILD 燃烧模拟方法2.1.1 几何模型与网格本文以 Weber 等人[20]设计的 IFRF 实验炉为研究对象，其几何结构和尺寸如图 2-1所示。炉体长度为 6.25 m，横截面为 2 m×2 m。一次风喷口和二次风喷口内径分别为0.125 m 和 0.0273 m。CWS（Coal Water Slurry）通过位于中心两侧的一次风喷口进入炉膛，二次风通过中心处的二次风喷口进入炉膛内。实验数据的测点分布在如图 2-1中的 7 个不同位置的截面。水煤浆进行旋流燃烧采用的炉体以 Weber 设计的旋流稳定燃烧炉为研究对象[48]，其几何结构和尺寸与直流炉相同，仅在燃烧器和尾部出口部分有变化。如图 2-2 所示，燃烧器包括中心处的两个导管，分别通入水煤浆燃料流以及旋流氧化剂流。

示意图,旋流燃烧,实验炉,单位

图 2-2 旋流燃烧实验炉示意图（单位：mm）炉膛结构的对称性，仅对 1/4 实验炉进行网格建模和模拟，MILD约为 520000，旋流燃烧模型网格数约为 570000，对靠近燃烧器和行加密，网格分别如图 2-3、2-4 所示。为便于对比验证，实验所用uasare 煤[14]，元素分析与工业分析如表 2-1 所示，导入网格后采用进行模拟计算。

【参考文献】