循环流化床锅炉降氧抑氮燃烧模式的模拟与试验研究

发布时间：2020-09-29 15:44

　　 随着国家经济的飞速发展,国家对环境的重视程度日益提高,现在更是大力发展核能、风能、太阳能等新能源,以期待有一天能够取代污染严重的传统能源。最近几年以来雾霾天气频繁出现,现已不仅仅局限于北方,南方地区也大范围受到雾霾天气影响,因此国家不断提高排放标准,来降低人们对大气污染物的排放。虽然电厂CFB锅炉NOx的排放比传统燃煤锅炉低,但是已不能满足国家日益严格的排放标准,因此本文对电厂现有CFB锅炉进行烟气再循环改造,并通过电厂试验和三维仿真对其进行深入研究,以此方法证明模拟仿真的准确性和循环改造方案的可行性和优越性,为后续电厂进行降低NOx排放的锅炉改造提供了一定的理论基础。根据电厂CFB锅炉的结构尺寸和实际安装位置,确定除去部分部件外的锅炉进出口以及给料口的位置和大小,忽略部件为油枪、水冷壁等。分别对锅炉密相区和稀相区进行网格划分,密相区为锅炉炉膛主燃烧区域,因此对密相区进行加密处理,然后利用FLUENT软件对锅炉燃烧以及锅炉NOx的排放进行仿真计算。通过仿真结果和电厂锅炉实际运行中监控室所得数据进行对比分析,三维仿真所得到的温度场以及NOx排放结果均与电厂数据相吻合,其中仿真所得到的结果不仅温度控制在1300K左右,其炉膛内温度场的分布也满足电厂锅炉结构,而且仿真所得NOx的排放值也在现有电厂排放范围内,即低于300mg/Nm~3(标干,SNCR前)。因此所设计的锅炉三维模型和进行三维仿真所用的方程模型能够满足计算要求。针对锅炉NOx的排放要求,对电厂锅炉进行烟气再循环改造试验,从而达到降氧抑氮的效果。从水平烟道段利用引风机接引部分清洁烟气至一次风引风机入口处,从而利用一次风室进入炉膛参与炉膛内煤粉燃烧。采用烟气再循环技术时,烟气再循环率为20%,锅炉过量空气系数1.2保持不变,因此相应减少部分进入炉膛的一次风,从而使得所引入的清洁烟气既能起到冷却的作用又能降低进入炉膛的含氧量,形成相对的低氧燃烧,从而降低NOx的生成。锅炉燃烧应为一次风、二次风等的协同作用,因此进行烟气再循环改造以后,也对二次风系统进行一定的优化改进,从而使得整个锅炉系统达到最优状态。监测改造后锅炉NOx排放浓度,通过计算可得:改造后锅炉各负荷下NOx的排放值降低了大约25%。对进行烟气再循环改造前后不同负荷下的锅炉进行CFD仿真,包括330MW、210MW、140MW和70MW,其中330MW为满负荷运行,70MW时锅炉处于超低负荷运行状态。将相同负荷下改造前后所得CFD仿真结果进行比较,例如仿真所得温度场、温度的分布范围以及NOx的排放浓度,着重对比改造前后NOx排放值的变化,其中NOx值均为未进行脱硝前的数值,这与电厂报告保持一致。通过对比可以发现,改造后的锅炉在四种负荷下其温度场仍保持相似的变化趋势,且温度都控制在950℃左右,满足电厂实际运行中的需求。并且改造后相同负荷下锅炉NOx的排放值明显降低。由仿真结果可得,锅炉改造前后负荷较大时,锅炉NOx的排放值也相对较大,与电厂实际运行中给煤粒和供风量相对应。三维仿真所得到的仿真结果为电厂降低NOx排放提供了一定的理论支撑,同时也为电厂进一步降低污染物的排放奠定了一定的设计基础。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM621.2;X773
【部分图文】：

第 1 章 绪论1.1 研究背景与意义随着国家经济的不断提高，国家逐渐由大力发展经济向可持续发展经济进行发展。到目前为止，能源以及环境问题仍然是现代社会所面临的两大难题，截至2017 年，我国消耗的一次能源中煤炭始终位居首位，尽管已从 2010 年 80%的比重显著下降，但在能源结构中的比重仍然略高于 60%，这在一定程度上体现了我国对煤炭行业的依赖程度。国家日益注重风能、核能等的发展，以期待将来能够取代煤炭所占的地位[1], 仅 2017 年我国就消耗煤炭量为 38.6 亿吨，2018 年预计降幅为 3000 万吨左右，即消耗量为 38.3 亿吨左右，2017 年我国煤炭消费量增长0.4%，这是自 2013 年“对污染宣战”以来煤炭消费量首次增长。图 1.1 表示的是我国各类型发电量占比统计与预测[2]。

第 2 章 流化床锅炉仿真的理论基础CFB 锅炉炉膛内发生各种流动反应，其中包括挥发分析出和燃烧、焦气固流动等。通过对煤粉的燃烧过程进行一定的简化，能了解其燃烧的过程，以计算机模拟的方法来研究煤粉的燃烧过程以及燃烧中 NOx 的放。其基本思路是以守恒定律为基础来建立流体湍流流动和燃烧过程的组，然后通过结合仿真中所建立的数学模型，来解析煤粉燃烧和排放的 NOx 生成机理煤粉燃烧过程中，NOx 的生成途径根据其生成机理可以分为三种：燃、热力型 NOx 以及快速型 NOx，热力型 NOx 所占比例最多可达 90%Ox 所占比例最小，而热力型 NOx 只有在达到一定温度时才会产生，最0%[48]。图 2.1 表示了三种 NOx 的产生与温度之间的关系。

图 2.2 燃料型 NOx 生成机理燃烧过程中一部分氮会随着挥发分的释放而一起释放出来，其余残余在焦炭中的氮被称为焦炭氮。挥发分氮和焦炭氮形有一定的差别，其中挥发分中的氮化合物以 HCN 和 NH3 H3的比例又受到煤种的影响，其中煤粉中挥发分越高，此比分越多，煤粉胺 N 的含量越高，而经过热解时胺 N 主要转现氧化气氛时，HCN 和 NH3会被氧化成 NOx，而出现还原气被还原为 N2。图 2.3 和图 2.4 分别表示 HCN 和 NH3的反应

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本文编号：2829933