CFB富氧燃烧下飞灰沉积的试验和数值模拟研究

发布时间：2017-08-09 14:11

  本文关键词：CFB富氧燃烧下飞灰沉积的试验和数值模拟研究

  更多相关文章： 循环流化床 富氧燃烧 飞灰沉积 SO_2脱除 沉积模型

【摘要】：循环流化床富氧燃烧技术是目前公认的最具应用前景的CO_2的减排技术之一。该技术结合了循环流化床燃烧技术与富氧燃烧技术双方的诸多优点,达到“强强联手”的效果,在其商业化的进程中更具竞争力。但在将这种技术大规模应用于电站锅炉前,很有必要对一些潜在的问题开展基础性研究。本课题主要针对循环流化床富氧燃烧条件下锅炉尾部受热面上的飞灰沉积问题进行了试验和模拟研究。首先,本文选取晋城无烟煤和朔州烟煤两种典型的煤种,在一个小型流化床试验台上开展了燃烧和沉积试验。比较了空气、21%O_2/79%CO_2和30%O_2/70%CO_2三种燃烧气氛下飞灰的沉积特性。研究结果表明:流化床富氧燃烧方式对飞灰的沉积特性有明显的影响;30%O_2富氧燃烧条件下,PM10的浓度明显高于空气燃烧条件下,尤其在0.3微米以下,这种差异性更加明显,并且具有略大的粒径分布。分析认为,流化床富氧燃烧对飞灰形成的影响可能是导致飞灰沉积加剧的原因之一。其次,基于流化床燃烧试验台,重点研究了晋城无烟煤在空气和30%O_2富氧燃烧条件下,在沉积灰形成的初始阶段内,添加石灰石脱硫对飞灰的沉积特性的影响。考察了钙硫摩尔比,探针表面温度和燃烧气氛等因素对飞灰沉积特性的影响。研究结果表明:添加石灰石脱硫对飞灰的沉积特性有明显影响;飞灰的沉积倾向与沉积灰中碱金属含量呈现一定的线性关系,并与探针的表面温度和烟气温度之间的差值呈明显的线性关系。在前面研究的基础上,本文比较了两种煤种在流化床空气燃烧和富氧燃烧条件下的SO_2释放和脱除特性。研究结果表明:氧浓度(21-50%)对SO_2释放有显著影响,而床温(840-920℃)对其无显著影响;对于晋城无烟煤,空气和30%O_2富氧燃烧气氛下的最佳脱硫温度均为880-900℃,而对朔州烟煤,两种燃烧气氛下的最佳脱硫温度均为860℃;石灰石的利用率与燃烧方式和煤种有关。为了进一步理解飞灰的沉积机理,本文建立了一套完整的热态飞灰沉积试验和测量系统,研究了飞灰的沉积过程,考察了探针表面温度、烟气流速和探针尺寸等因素对飞灰沉积的影响。初步考察了沉积灰的碳酸化现象,并设计了一种简便的方法现场测量了沉积灰的有效热导率。研究结果表明:飞灰的沉积过程是一个动态过程;在400-770℃范围内,沉积灰温度对沉积灰的有效热导率无明显影响;烟气流速、探针表面温度、探针尺寸对飞灰沉积过程影响明显;在模拟富氧燃烧气氛下,Ca O颗粒所形成的沉积物的碳酸化反应现象明显,这表明在富氧条件下,有必要考虑碳酸化反应对沉积量的贡献;在模拟富氧燃烧烟气气氛下,沉积灰的有效热导率要高出模拟空气燃烧烟气气氛条件下约0.02W/m/K。最后,采用Fluent14.5商业软件,以热态飞灰沉积试验台为模拟对象,采用基于法向弹性力、重力和范德华力之间关系的沉积模型,考察了Fluent的参数设置,以及探针表面温度、烟气流速和烟气气氛等因素对飞灰沉积过程的影响,并与飞灰沉积试验结果进行了对比分析。模拟研究结果表明:湍流扩散对颗粒的运动轨道有显著影响,而颗粒的轨道数对颗粒轨迹没有明显影响;沉积颗粒的分布呈现探针中心处低而两侧高的“双峰”形;探针表面温度和烟气成分对颗粒的沉积没有明显影响,而提高烟气流速会明显降低颗粒的沉积。从总体情况来看,模拟结果与试验结果有一定差距,沉积模型有待进一步改进。
【关键词】：循环流化床 富氧燃烧 飞灰沉积 SO_2脱除 沉积模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X701;TK16
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-17
• 常用符号表17-18
• 第1章 绪论18-30
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义18-21
• 1.2 循环流化床富氧燃烧技术的研究现状21-23
• 1.3 富氧燃烧对飞灰沉积及SO_2释放的影响的研究现状23-26
• 1.3.1 富氧燃烧对飞灰形成的影响23-24
• 1.3.2 富氧燃烧对沉积灰形成的影响24-25
• 1.3.3 富氧燃烧对SO_2释放的影响25-26
• 1.4 飞灰沉积的数值模拟的研究现状26-28
• 1.5 本文的主要研究内容28-30
• 第2章 流化床富氧燃烧非脱硫工况下飞灰的沉积特性试验研究30-50
• 2.1 引言30
• 2.2 流化床燃烧试验台30-33
• 2.3 测量方法和仪器33-38
• 2.3.1 飞灰的采集33-36
• 2.3.2 沉积灰的采集36-37
• 2.3.3 烟气成分的测量37-38
• 2.3.4 灰样的测试和分析38
• 2.4 试验样品和试验条件38-42
• 2.4.1 试验样品38-39
• 2.4.2 试验工况39-41
• 2.4.3 实验操作步骤41-42
• 2.4.4 数据处理42
• 2.5 沉积灰的特性42-46
• 2.5.1 沉积倾向42-43
• 2.5.2 沉积灰的形貌43-45
• 2.5.3 沉积灰的化学组分45-46
• 2.6 飞灰的特性46-49
• 2.6.1 PM10的释放46-47
• 2.6.2 飞灰的化学组分47-48
• 2.6.3 飞灰的粒径分布48-49
• 2.6.4 灰样的含碳量分析49
• 2.7 本章小结49-50
• 第3章 流化床富氧燃烧脱硫工况下飞灰的沉积特性试验研究50-61
• 3.1 前言50
• 3.2 试验设备和试验方法50-52
• 3.2.1 试验设备50
• 3.2.2 试验样品50-51
• 3.2.3 试验操作条件51
• 3.2.4 数据的处理和分析51-52
• 3.3 钙硫比的影响52-56
• 3.3.1 沉积倾向52-53
• 3.3.2 沉积灰的碳酸化度53-54
• 3.3.3 沉积灰的化学组分54-55
• 3.3.4 沉积倾向与化学组分的相关性分析55-56
• 3.4 探针表面温度的影响56-59
• 3.4.1 沉积倾向56-57
• 3.4.2 沉积灰形貌57-58
• 3.4.3 沉积灰的化学组分58-59
• 3.5 空气和富氧燃烧的比较59-60
• 3.5.1 沉积倾向的比较59
• 3.5.2 沉积灰化学组分的比较59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第4章 流化床富氧燃烧下SO_2的释放和脱除的试验研究61-72
• 4.1 前言61
• 4.2 试验设备和试验方法61-64
• 4.2.1 试验设备61
• 4.2.2 试验样品61-62
• 4.2.3 试验操作条件62-63
• 4.2.4 试验工况63
• 4.2.5 数据的处理63-64
• 4.3 氧浓度对SO_2释放的影响64-65
• 4.4 床温对SO_2释放的影响65-66
• 4.5 床温对SO_2脱除的影响66-69
• 4.6 钙硫比对SO_2脱除的影响69-71
• 4.7 本章小结71-72
• 第5章 模拟烟气下飞灰沉积的试验研究72-95
• 5.1 引言72
• 5.2 热态飞灰沉积试验台72-83
• 5.2.1 主体加热炉73-74
• 5.2.2 给料系统74-75
• 5.2.3 配气系统75-77
• 5.2.4 沉积灰采集系统77-81
• 5.2.5 图像在线采集系统81-82
• 5.2.6 烟尘处理系统82-83
• 5.3 试验样品的制备和操作步骤83-85
• 5.3.1 试验样品83
• 5.3.2 试验操作步骤83-85
• 5.3.3 试验条件85
• 5.3.4 数据的处理85
• 5.4 沉积灰的形成过程85-89
• 5.5 沉积灰有效热导率的测量89-91
• 5.5.1 测量过程及结果分析89-90
• 5.5.2 误差来源分析90-91
• 5.6 探针表面温度的影响91
• 5.7 烟气流速的影响91-92
• 5.8 探针尺寸的影响92-93
• 5.9 碳酸化现象93-94
• 5.10 本章小结94-95
• 第6章 飞灰沉积的数值模拟研究95-121
• 6.1 基本方程和模型介绍95-102
• 6.1.1 离散相模型95
• 6.1.2 颗粒的运动方程95-96
• 6.1.3 湍流模型96-98
• 6.1.4 辐射传热模型98-99
• 6.1.5 沉积模型99-102
• 6.2 模型的选择和参数的设置102-107
• 6.2.1 物理建模及网格的划分102-103
• 6.2.2 湍流模型的选择103
• 6.2.3 辐射传热模型选择103-104
• 6.2.4 沉积模型的选择104
• 6.2.5 所用煤灰的物性104-105
• 6.2.6 边界条件的设置105
• 6.2.7 计算流程105-106
• 6.2.8 模拟工况106-107
• 6.3 流场验证和模拟参数的影响107-111
• 6.3.1 流场的验证107-109
• 6.3.2 湍流扩散的影响109-110
• 6.3.3 颗粒跟踪数的影响110-111
• 6.4 飞灰沉积的稳态模拟结果与分析111-120
• 6.4.1 探针表面温度的影响112-115
• 6.4.2 烟气流速的影响115-118
• 6.4.3 烟气成分的影响118-119
• 6.4.4 稳态模拟结果和实验结果的对比分析119-120
• 6.5 本章小结120-121
• 结论121-124
• 参考文献124-139
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果139-142
• 致谢142-144
• 个人简历144

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本文编号：645672