氧分级煤粉燃烧特性及NOx释放机理的研究

目录

摘要........................................................................................................................ I ABSTRACT ......................................................................................................................... I 第一章绪论.. (1)

1.1 引言 (1)

1.1.1 中国能源发展现状 (1)

1.1.2 煤燃烧领域的限排问题 (3)

1.2 研究背景介绍 (7)

1.2.1 氧分级燃烧的理论基础 (7)

1.2.2 空气分级燃烧的研究现状 (15)

1.2.3 增氧分级燃烧的研究现状 (16)

1.2.4 氧-燃料分级燃烧的研究现状 (18)

1.3 本论文的研究内容 (19)

1.3.1 氧分级煤粉燃烧特性及NO x释放机理的问题 (19)

1.3.2 论文研究路线 (20)

第二章实验设备及数据测量方法 (23)

2.1 引言 (23)

2.2 固定反应床试验台 (25)

2.2.1 固定反应床实验台介绍 (25)

2.2.2 固定反应床传热传质分析 (29)

2.2.3 实验数据采集及处理 (33)

2.3 20 kW下行火焰试验炉 (34)

2.3.1 下行火焰试验炉介绍 (34)

2.3.2 下行炉传热传质分析 (38)

2.3.3 实验数据采集及处理 (42)

第三章固定反应床煤粉燃烧试验研究 (45)

3.1 引言 (45)

3.2 试验工况 (46)

3.2.1 试验介绍 (46)

3.2.2 实验工况参数 (46)

3.3 结果与分析 (47)

3.3.1 煤粉颗粒粒径对燃料型NO生成量的影响 (47)

3.3.2 燃烧环境温度对燃料型NO生成量的影响 (50)

3.3.3 氧气浓度对燃料型NO生成量的影响 (52)

3.3.4 在O2/N2气氛下热力型NO和燃料型NO的关系 (52)

3.3.5 反应气氛对NO生成量的影响 (55)

3.3.6 着火特性和燃烧速率特性的对比 (56)

3.3.7 燃烧过程中燃料型NO生成特性 (60)

I

3.4 总结 (66)

第四章下行炉氧分级燃烧试验研究及数值模拟 (69)

4.1 引言 (69)

4.2 试验工况 (69)

4.2.1 试验介绍 (69)

4.2.2 数值模拟模型介绍 (72)

4.2.3 煤燃烧化学反应模型 (74)

4.3 下行炉空气分级燃烧试验及数值模拟 (81)

4.3.1 炉膛内O2与CO的分布 (81)

4.3.2 炉膛内温度分布 (87)

4.3.3 炉膛内各参数云图 (90)

4.3.4 炉膛内沿程NO分布 (96)

4.3.5 小结 (102)

4.4 下行炉增氧分级燃烧试验及数值模拟 (103)

4.4.1 基准工况云图 (103)

4.4.2 炉膛内沿程物理化学参数分析 (107)

4.4.3 焦炭气化过程的分析 (113)

4.4.4 炉膛内沿程NO分布 (116)

4.4.5 小结 (118)

4.5 下行炉氧-燃料分级燃烧数值模拟 (119)

4.5.1 基准工况云图 (119)

4.5.2 炉膛内沿程物理化学参数分析 (121)

4.5.3 焦炭气化过程的分析 (125)

4.5.4 炉膛沿程NO分布 (126)

4.5.5 小结 (130)

4.6 总结 (131)

第五章基于20 kW下行炉的NO机理研究 (133)

5.1 NO释放机理 (133)

5.2 NO释放机理的不足 (135)

5.2.1 还原区NO浓度偏差现象 (135)

5.2.2 峰值CO浓度时NO浓度预测失效现象 (135)

5.2.3 NO释放机理的改善方向 (136)

5.3 MFR数值模拟模型 (141)

5.3.1 MFR数值模拟模型介绍 (141)

5.3.2 MFR数值模型的假设、简化及调整 (142)

5.4 MFR对20 kW下行炉的模拟 (145)

5.4.1 模型改进 (145)

5.4.2 边界参数 (146)

5.4.3 模拟结果 (147)

5.5 MFR模型下一步改进方向 (150)

II

第六章改进的模型对50 kW下行炉内燃烧过程的预测 (153)

6.1 背景介绍 (153)

6.1.1 综合热态试验炉 (153)

6.1.2 50 kW下行燃烧试验炉 (155)

6.2 数值模拟 (156)

6.2.1 数值模型及边界条件 (156)

6.2.2 50 kW下行炉模拟结果 (157)

6.3 改进的MFR数值模型的模拟结果 (160)

6.4 总结 (161)

第七章全文总结 (163)

7.1 全文总结 (163)

7.1.1 固定反应床煤粉燃烧实验 (163)

7.1.2 下行炉氧分级燃烧试验及数值模拟 (163)

7.1.3 NO释放机理的研究 (164)

7.1.4 50 kW下行炉的设计及模拟预测 (165)

7.2 研究成果总结 (165)

参考文献 (167)

致谢 (175)

攻读学位期间发表的学术论文目录 (177)

III

IV

图表清单

图1 我国化石能源消耗量的结构图[2]与GDP增长率曲线。 (2)

图2 洁净能源技术成本下降情况[5]。 (3)

图 3 各类燃料发电量[5]。 (3)

图 4 三种主要的CO2捕获方案，参考文献[10]重绘。 (6)

图 5 煤粉颗粒氧分级燃烧技术下的燃烧过程粗略剖析。 (9)

图 6 煤粉燃烧中NO x的转化机制[26]。 (9)

图7 氧分级燃烧技术的实施方案示意图。 (11)

图8 两种煤粉燃烧设备风路布局。左图：四角切圆燃烧器布局示意图（TFS 2000TM方案），引自阿尔斯通公开资料；右图：旋流煤粉燃烧器喷口风粉混合流场示意图，1，一次风；2，直流二次风；3，旋流二次风；4，三次风。 (13)

图9 改进的固定反应床试验台。1，2，3，流量、电机和电加热控制面板；4，气体混合器；5，压力表；6，质量流量计；7，气瓶；8，9，推进机械机构（电机和推动杆）；10，在线监测电脑；11，细刚玉管；12，电加热炉膛及元件；13，密封机构；14，刚玉坩埚；15，反应管；16，烟气冷却器；17，烟气分析仪；G:样品安装详图。 (27)

图10 反应系统及组件介绍。1，刚玉坩埚；2，等温反应区域；3，细刚玉管；5，耐高温石棉垫片；6，煤粉样品；7，密封组件；8，烟气采样管。 (27)

图11 固定反应床试验台的两种煤燃烧模式示意图。 (28)

图12 煤粉颗粒与α-Al2O3间的传热机制。 (31)

图13 反应管中燃烧环境温度的测量。 (31)

图14 推送过程中刚玉坩埚反应床和煤粉样品的温度变化过程。T f：反应管内的温度分布；T b：刚玉坩埚反应床的预测温度；T p：煤粉样品的温度。 (31)

图15 刚玉坩埚反应床及耐高温石棉垫片（半剖图）。 (32)

图16 三种粒径下神华煤粉在27 vol.%氧气浓度，1573 K（即1300°C）时NO x的测量数据。 34图17 20 kW下行火焰试验炉。1，给粉机；2，烟气成分采样管系；3，燃尽风注入管系；4，转子流量计；5，水平烟道及换热器；6，布袋除尘器；7，预设模块；8，观火孔；9，温度热电偶；10，电加热接线盒；11，炉内压力测点；12，沿程取灰孔；13，排渣门；14，旋流煤粉燃烧器。 (35)

图18 20 kW下行炉实验系统流程图。 (36)

图19 下行炉的实物照片（左）、主炉体剖视图及炉膛空间尺寸参数（右）。 (36)

图20 某工况下的炉膛内煤粉燃烧过程数值模拟结果，21 vol.% O2/N2，燃烧器空燃比0.696，空气助燃气体，燃尽风x=1300 mm。 (40)

图21 某工况下的炉膛内煤粉气化反应速率云图，数值单位：kgmol m-3 s-1。 (40)

图22 在不同氧气浓度下，煤粉燃烧产物（烟气）在炉内的停留时间，工况：燃烧器空燃比为

0.840，燃尽风位置为（x=1300 mm）。 (41)

图23 实验原始数据相关记录表。 (43)

图24 不同工况下，单位氧消耗量的燃料型NO生成量（mg NO/mg O2）。 (48)

图25 不同反应气氛下燃烧环境温度对燃料型NO生成量（Y NO）的影响。 (50)

图26 当燃烧环境温度为1873 K时，N2和Ar气氛下NO浓度的记录及数据后期处理。 (53)

V

图27 Ar和N2气氛下燃料型NO和热力型NO生成量变化情况。 (54)

图28 神华煤粉在（SH50-0.27-CO2-1573 K）工况下的实验结果：NO累积百分比与时间和燃尽率的关系。 (57)

图29 不同燃烧气氛下的煤粉燃烧特性（上图为着火时间，下图为燃烧持续时间比率）。 (57)

图30 CO2气氛下氧气浓度为21 vol.%时的NO累积百分比等值线图。 (62)

图31 描述燃料型NO累积百分比随着各因素变化的3D图及程序。 (62)

图32 在不同工况下的NO生成释放曲线，包含燃烧环境温度、氧气浓度、反应气氛对其的影响。 (63)

图33 实验结果与CPM模型的数据对比。左：实验结果；右：CPM模型数据。 (65)

图34 下行炉炉膛煤粉燃烧数值模拟计算域。该图中绘制了第3、4、5、6和7个燃尽风喷口。

(73)

图35 数值模拟所采用的煤粉燃烧反应机制和燃料型NO的转化模型。 (74)

图36 固定反应床上通过分离式燃烧得到的各类煤种在不同工况下的挥发分NO生成量占总燃料型NO生成量的百分比。 (79)

图37 下行炉中O2和CO浓度的沿程变化。第一行：传统燃烧模型；第二行：参考的气化模型

[87]；第三行：基于实验数据得到的“改进的气化模型”。SR：燃烧器空燃比；sim：数

值模拟结果；exp：下行炉实验结果。 (82)

图38 文献[28]中采用的某型下行炉试验台。 (85)

图39 采用“改进的气化模型”对参考文献[28]中的试验结果进行模拟对比。 (86)

图40 各模型下炉内温度分布的模拟预测。第一行：传统燃烧模型；第二行：参考的气化模型

[87]；第三行：改进的气化模型。 (88)

图41 下行炉炉膛内主要物理化学参数的云图。工况：SR=0.696，21 vol.%O2/N2，Ms=0.45，

20 kW。单位：温度（K），速度（m/s），化学组分浓度（摩尔百分比），煤粉颗粒浓度（kg/m3），

x轴(m)。 (91)

图42 各化学反应速率的分布云图。工况：SR=0.696，21 vol.%O2/N2，Ms=0.45，20 kW。反应速率：kmol/(m3s)。 (92)

图43 煤粉燃烧过程中燃料N元素转换机制的关键参数。 (97)

图44 三种燃烧反应模型下的NO x分布云图及沿程浓度变化，工况：SR=0.696、0.840、0.996和1.200，Ms=0.45，21 vol.%O2/N2，云图单位：摩尔百分比。Ref.即为“参考的气化模型”[87]。 (98)

图45 燃烧器空燃比（Burner SR）对最终NO排放浓度值的影响。 (100)

图46 从文献[28]中截取的关于HCN和NH3的沿程浓度变化趋势。 (102)

图47 工况（30 vol.% O2/N2, Ms=0.45, SR=0.840）下炉膛内主要化学组分的分布云图。单位：温度（K），速度（m/s），煤粉浓度（kg/m3）和化学组分（摩尔百分比）。 (104)

图48 工况（30 vol.% O2/N2, Ms=0.45, SR=0.840）下炉膛内主要化学反应速率云图。单位：kgmol/(m3s)。 (105)

图49 在不同氧气浓度下，煤粉燃烧产物（烟气）在炉内的停留时间，工况：燃烧器空燃比为

0.840，燃尽风位置为（x=1300 mm）。 (106)

图50 工况（SR=0.840，Ms=0.45）下氧气浓度对炉膛沿程参数的影响。 (109)

图51 工况（30 vol.% O2/N2，Ms=0.45）下SR对炉膛沿程参数的影响。 (109)

VI

图52 工况（30 vol.%O2、SR=0.840）下燃尽风位置（Ms）对炉膛沿程参数的影响。 (113)

图53 各因素对焦炭气化反应（R6）速率的影响。 (113)

图54 下行炉中NO污染物沿程浓度分布试验数据及数值模拟结果对比，SR值均为0.840。116图55 工况（30 vol.%O2/CO2，SR=0.840，Ms=0.45）时主要化学组分（O2，CO2）和焦炭气化反应的云图。单位：温度（K），速度（m/s），化学组分（mole of fraction），化学反应速率（kgmol/（m3s））。 (120)

图56 氧气浓度对各参数的影响。 (122)

图57 燃烧器空燃比（SR）对各参数的影响。 (122)

图58 燃尽风位置（Ms）对各参数的影响。 (124)

图59 燃烧器空燃比（SR）对NO浓度的影响。 (127)

图60 氧气浓度对NO浓度的影响。 (129)

图61 燃尽风位置（Ms）对NO浓度的影响。 (130)

图62 煤粉燃烧过程及燃料N的生成过程，引自[30]。 (133)

图63 焦炭氮转换机制的改善。 (137)

图64 天然气空气分级燃烧工况下含氮化学组分浓度变化情况。 (139)

图65 大同烟煤空气分级燃烧工况下含氮化学组分浓度变化情况。 (139)

图66 MFR数值模型的详细化学动力学模型原理图，重绘[9]。 (144)

图67 原MFR得到的CO浓度的模拟与实验结果对比[9]。 (144)

图68 MFR数值模拟中20 kW下行炉的炉膛壁面温度分布。 (146)

图69 炉膛沿程主要参数分布情况。 (147)

图70 炉膛沿程NO和含氮化学组分的分布情况。 (148)

图71 当过量空气系数=1时，炉膛沿程NO和含氮化学组分的分布情况。 (148)

图72 各工况下烟气中含氮组分的变化趋势。 (149)

图73 炉膛沿程氮转化系数（Nitrogen Conversion Efficiency，NCE）变化情况，实验结果和不同化学基元反应下MFR数值模拟结果之间的对比[9]。 (150)

图74 综合热态试验炉。 (154)

图75 50 kW下行炉主要结构图纸。左：主炉体三维图；中：主炉体剖视图；右：燃烧器。. 155图76 50 kW下行炉的数值模拟计算域。 (156)

图77 50 kW下行炉沿程烟气中主要成分变化情况。 (158)

图78 50 kW下行炉烟气中NO的变化情况。 (159)

图79 改进的MFR数值模型对50 kW下行炉的工况预测结果。 (160)

表格1 《GB 13223-2011 火电厂大气污染物排放标准》中燃煤锅炉污染物的排放限值。 (4)

表格2 洁净煤技术分类。 (7)

表格3 四角切圆炉LNCFS TM系列和TFS 2000TM空气分级方案[48]，重制。 (12)

表格4 Testo 350-Pro型便携式烟气分析仪的测量范围、精确度、分辨率和响应时间。 (33)

表格5 神华煤粉工业分析及元素分析。 (46)

表格6 实验工况参数表。 (46)

表格7 不同组分气体的摩尔比热容。 (56)

表格8 燃料型NO的CPM数学模型。 (61)

VII

表格9 下行炉整体参数及大同烟煤的元素分析及工业分析。 (71)

表格10 21 vol.%氧气浓度下边界条件参数。V.F.：体积百分比；SR：空燃化学当量比。 (71)

表格11 25 vol.%氧气浓度下边界条件参数。V.F.：体积百分比；SR：氧气化学当量比。 (71)

表格12 30 vol.%氧气浓度下边界条件参数。V.F.：体积百分比；SR：氧气化学当量比。 (71)

表格13 基于下行炉实验数据和其他学者的研究而改进的煤燃烧化学反应机制。 (75)

表格14 模拟的两个工况参数表。 (86)

表格15 焦炭氧化机制。 (94)

表格16 三个燃烧模型下的NO最终排放值的统计，工况（21 vol.%O2/N2，Ms=0.45）。 (99)

表格17 两个焦炭气化反应对CO贡献比例的变化。 (114)

表格18 工况（30 vol.%氧气浓度，Ms=0.45）时，NO最终排放浓度与SR值的关系。 (118)

表格19 各工况下NO最终排放值对比，Ms=0.45。 (126)

表格20 文献[147,149]中数值模型中所采用的焦炭氮异相反应机制。 (134)

表格21 试验边界工况参数表。 (137)

表格22 GASMET DX4000傅利叶红外光谱烟气分析仪测量的主要含氮化学产物。 (138)

表格23 Darvell等学者制取焦炭时所采用的五种常见含氮生物质，引自[150]。 (139)

表格24 基于天然气燃烧试验的GRI-Mech 3.0中关于[N]、CHO-[N]类活化基团的主要化学反应。 (143)

表格25 MFR数值模拟模型主要假设及简化内容。 (143)

表格26 MFR数值模拟程序模拟20 kW下行炉边界条件及相关参数。 (146)

表格27 综合试验台试验部分功能总览。 (153)

表格28 综合试验台主要参数（设计煤：烟煤）。 (154)

表格29 50 kW下行炉的主要参数。 (157)

表格30 50 kW下行炉的典型代表工况边界条件参数。 (157)

VIII