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300MW锅炉半焦煤粉掺混的燃烧过程及NO_x排放的数值模拟

发布时间:2020-07-05 18:47
【摘要】:半焦是由烟煤或者褐煤在中低温下干馏得到的可燃固体产物。如若半焦能够在煤粉锅炉上与煤粉的混合燃烧中得到大比例的掺烧,不仅能够扩大电厂煤粉锅炉中与煤粉混合燃烧的燃料范围,而且有利于煤炭分质利用下游产品。但是半焦着火温度高,想要在大规模掺烧的同时保证半焦的燃尽率,需要较高的燃烧温度,这与降低炉内氮氧化物排放的要求是相违背的。因此研究使用分级燃烧技术来实现半焦煤粉混合燃烧的低NO_x排放尤为必要。本文使用CFD数值模拟的方法来研究300MW四角切圆锅炉半焦煤粉掺混燃烧的NO_x排放情况。首先采用浓淡煤粉直流射流实验系统,在半焦掺混比例为45%情况下,研究半焦掺混煤粉的燃烧状况,得到的相关燃烧数据与运用Fluent软件在相同的工况下得到的模拟数据相对比,从而验证本文中使用的数理模型的可靠性。在模型得到验证的基础下,本文改变不同参数,研究了300MW锅炉在变掺混比、变粒径、变燃尽风率、变再燃燃料比和调整半焦煤粉燃料层的情况下,NO_x的排放规律。首先对锅炉燃烧进行了不同半焦掺混比例下的数值模拟,研究表明随着半焦掺混比例的增加,炉膛中心温度升高,掺混半焦的煤粉燃料在炉内的着火距离(从一次风喷口到燃料达到着火温度的距离)也在增大,同时炉内NO_x排放量增大以及燃尽率降低。并且当半焦掺混比例达到60%时,半焦的着火距离大幅度提高。在半焦掺混煤粉比例一定的情况下,针对不同半焦粒径的掺混燃烧进行了数值模拟研究,结果表明在半焦掺混比例一定的情况下,随着半焦颗粒粒径的降低,主燃区CO浓度增大,半焦着火距离减小。并且随着半焦颗粒粒径的降低,炉膛出口燃尽率增大并最终保持稳定。在半焦掺混煤粉比例一定情况下,针对炉膛不同的燃尽风率情况下的半焦煤粉燃烧进行了数值模拟,研究表明随着燃尽风率的增加,炉内的温度也不断的降低,主燃区的CO浓度升高,炉内NO_x生成量也随之降低。当燃尽风率为15%,半焦的掺混比例为60%时的炉膛出口NO_x排放量为483.7mg/Nm~3,燃尽率为96.2%,既能满足燃料达到比较高的燃尽率,又能保证燃烧的低NO_x排放。在燃料分级条件下,半焦作为再燃燃料,半焦煤粉混合燃料作为主燃区燃料(其中半焦混合60%)时,研究了不同再燃燃料比对NO_x排放的影响。研究表明,随着再燃燃料比的增大,再燃区NO浓度增长率降低,其中再燃燃料比25%时增长率最低,这不仅仅是由于炉内的温度降低的原因,还因为半焦焦炭对NO_x的还原作用,从而降低NO_x的排放。在燃料分级条件下,研究了当半焦占据三层燃料层,剩下两层都是烟煤燃料层时,半焦和煤粉分布在不同燃料层的燃烧状况。研究表明当半焦燃料层分布在主燃区上部,煤粉燃料分布在主燃区下部时,既能获得较高的氮氧化物还原率,又能兼顾煤粉半焦的燃尽及经济性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM621.2;X773
【图文】:

课题,半焦,燃烧状况,掺混比例


图 1-1 课题的研究思路本课题的主要研究内容如下:(1)把浓淡煤粉实验台在半焦掺混比例为 45%时的燃烧状况实验数据工况设置一致的 Fluent 数值模拟得到的燃烧状况数据作对比,并对该工实验数据和模拟数据进行了误差分析来验证本文中提出的数值模拟所使数学模型的可靠性。(2)在空气分级燃烧的基础下,模拟了不同的半焦掺混比例,不同的颗粒粒径,不同的燃尽凤率在炉内的燃烧状况,同时分析了各个工况因炉内组分浓度分布,NOx排放以及燃尽率的影响。(3)在燃料分级燃烧的基础上,模拟分析了半焦作为再燃燃料时再燃比对 NOx排放的影响以及半焦分布在不同燃料层的半焦煤粉分级燃烧,同时分析各个工况的组分浓度分布以及燃尽率的变化,获得有效降低 N放又能保证煤粉燃尽率的混半焦燃烧方案。

布置图,燃烧器喷口,炉膛高度,炉膛


- 20 -网格划分文的研究对象是整个加热炉。在网格划分中,将炉膛划分为:燃烧器烧器下端到冷灰区、燃烧器上端到低火焰角区、火焰角区和火焰角上文使用 Gambit 软件对炉膛模型划分网格,由于锅炉在燃烧区域的喷吹四角切圆,划分的网格形式也应与四角切圆流场相贴合,并且燃烧区动换热最为剧烈,且容易产生伪扩散,因此工作量和难度都增加了。是由流体的横向扩散和有限差分截断误差引起的。垂直流动方向存在差;时间和体积导数的有限差分产生截断误差。使用 Gambit 划分燃烧器区域网格时,该区域的横截面使用 Pave 方法格。沿着炉膛边缘排列四边形网格,并一直延伸到区域内部,直到网整个区域。由于 Pave 方法生成的四边形网格能与炉膛边缘很好的拟(a) (b)图 3-1 炉膛的几何模型(a)和燃烧器喷口沿炉膛高度布置图(b)

网格图,网格,炉膛高度,燃烧区域


哈尔滨工业大学工程硕士学位论文规则的网格数量少,增加了网格质量,生成的发射型网格相符合,因此降低了伪扩散的影响。考虑到了燃烧器喷口烈,因此在一次风、二次风、三次风射流入口加密了网格格增加模拟的准确性。同时沿着炉膛高度使用 Cooper 的方,提高网格的质量,进一步降低伪扩散的影响。在使用划分网格完成后,还对该网格进行了网格无关性分析,得 160 万时既能满足网格的质量要求又能保证模拟的精确度燃烧器横截面网格如图 3-2 所示。

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本文编号:2742995

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