燃料对生物质炉排炉燃烧特性影响的数值模拟研究

对于生物质往复炉排炉实际运行中所面临的燃料波动及适应性问题,以额定蒸发量为130 t/h的往复式水冷炉排炉为模型,用CFD(计算流体力学)技术对锅炉在不同生物质燃料条件下的燃烧过程及污染物排放特性进行了模拟。结果表明,不同入炉燃料的不同成分对其燃烧过程及产生的烟气成分有一定的影响。模板混合燃料中氮元素含量较高导致其燃烧时第一烟道出口截面NO_X排放浓度达到了412.9 mg/m~3,设计燃料、黄秆混合燃料及灰秆混合燃料对应NO_X排放浓度则分别为:206.3 mg/m~3, 190.5mg/m~3, 262.3 mg/m~3。在采用推荐配风方式时,生物质炉排炉对不同入炉燃料的适应性达到了预期,建议生物质电厂在实际运行中选用氮含量较低的燃料。     

单颗粒燃料燃烧特性研究方法综述

随着环境问题的日益突出,更加清洁高效地将煤炭及生物质燃料转化为电能和热能是当前需要攻克的难题。由于火力发电厂所用燃料颗粒小,燃烧速度较快,湍流燃烧过程复杂,因此深入地了解煤、生物质等固体燃料颗粒的燃烧特性是优化燃烧过程,提高燃料燃烧效率并降低污染物排放的重要前提。该文综述单颗粒煤和生物质等固体燃料的燃烧模型以及数值仿真研究的常用方法,并对热重分析技术、可视化技术和流化床技术等单颗粒燃烧特性实验研究方法的进展和成果进行详细论述。通过对固体燃料颗粒燃烧特性研究难点、研究方法等进行总结对比,提出现有研究方法的局限,进一步探究煤和生物质燃烧特性的研究方向和研究前景。     

广东地区生物质成型燃料燃烧动力学特性研究

采用德国NETZSCH STA409PC同步热分析仪对广东地区生物质成型燃料分别在20 K/min、30 K/min和40 K/min的升温速率下进行了热重动力学实验,实验从室温升至终止温度1273 K,并由热重实验数据计算可燃特性指数、燃烧特性指数等特征参数和动力学参数,分析升温速率对其燃烧特性的影响。计算结果表明,随着升温速率的提高,最大失重速率点向高温一侧偏移,最大失重速率升高,可燃特性指数、燃烧特性指数和燃尽特性指数都随之升高。热解燃烧阶段反应级数较大,为1.32~1.45,焦炭燃烧阶段较小,为0.91~1.15,且该阶段反应级数随升温速率的提高有一个减小的趋势。热解燃烧阶段活化能低于焦炭燃烧阶段,且随升温速率变化不明显,分别为88.32~103.80 k J/mol和101.31~123.72 k J/mol。对比其他生物质燃料,其反应级数较高。     

农业生物质稻草与烟煤混烧特性及动力学分析

采用TG-DTG-DSC联用技术对农业生物质稻草、烟煤及其混合燃料进行了热重实验,研究了其可燃特性、着火特性、燃尽特性及综合燃烧特性,分析了混合燃料的燃烧机理,并计算了燃烧动力学参数。结果表明:稻草与烟煤混烧的DTG曲线出现2个峰值,随着稻草在混合燃料中所占比例的增加,在DTG曲线2个峰值之间,DSC曲线逐渐出现向上的吸热峰;混合试样的着火温度大大低于烟煤的着火温度,混合燃料S6(稻草∶烟煤=4∶1)的着火温度及燃尽温度最低,其最大反应速度和平均反应速度均大于其他混合燃料的值;混合燃料的前期主要属于均相着火,后期属于多相着火;混合燃料在低温阶段反应级数约为1.5,高温阶段反应级数约为0.4;混合燃料低温阶段活化能及频率因子均大于高温阶段的活化能及频率因子,体现了活化能与频率因子变化的一致性;在烟煤中适当加入生物质稻草有利于促进烟煤的充分燃烧,提高其燃烧效率,从而降低纯烧煤所带来的环境污染。     

O_2/CO_2气氛下煤/生物质混燃特性实验研究

采用热重分析仪分别研究了不同煤种(烟煤、贫煤、无烟煤)与生物质(稻壳)的混燃特性,分析了燃烧气氛(O_2/CO_2、O_2/N_2)、生物质掺混比例、氧体积分数对煤与生物质混燃的着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性以及动力学特性的影响。结果表明:1)在O_2/CO_2与O_2/N_2气氛下,煤与生物质混燃的失重变化趋势相似;但在O_2/CO_2气氛下,煤与生物质混燃的失重速率和固定碳燃烧反应活化能均低于O_2/N_2气氛,综合燃烧特性较O_2/N_2气氛差;2)掺混生物质可以改善单煤的燃烧特性,相比于单煤,煤与生物质混燃的着火温度和燃尽温度降低,煤粉的燃烧特性有所改善;3)随着生物质掺混比例的增加,煤与生物质混燃特性进一步得到改善;4)氧体积分数提高,煤与生物质的混燃速率增大,其着火和燃尽温度降低,综合燃烧特性改善,但在煤的固定碳燃烧阶段,燃烧反应活化能和指前因子增大;5)在煤的固定碳最大燃烧速率对应温度附近,混合燃料反应活化能小于单煤燃烧反应活化能,随着生物质掺混比例的增加,混合燃料反应活化能进一步减小。     

生物化学组分对生物质型煤燃烧特性影响的实验研究

生物质型煤燃烧能够降低污染物排放,改善劣质煤燃烧性能。通过对生物质进行化学萃取实验,从分析生物质化学组分出发,对不同配比的生物质型煤进行了燃烧失重实验,研究了生物质型煤的燃烧特性。结果表明：生物质的加入改善了生物质型煤的燃烧性能,其中影响生物质型煤燃烧特性关键因素是生物质型煤中纤维素的含量,在仅考虑着火温度、挥发份最大释放速率及燃尽温度来评价燃烧特性时,纤维素含量越高,生物质型煤的燃烧性能越好。最后,提出了生物质型煤燃烧性能评估因子来定量评价纤维素含量对生物质型煤燃烧性能的影响。     

NH3/CH4/CH3OH多孔介质燃烧特性模拟研究

氨(NH₃)是一种无碳燃料,有望作为热能发电的替代燃料降低碳排放。多孔介质燃烧是一种可提高燃烧速率和稳定性的燃烧技术,实验表明其用于氨与反应性更强的燃料进行混燃可以同时提高燃烧强度和燃烧稳定性,但缺乏相应的模型研究。该文基于多孔介质导热强度高的特性,其内部燃烧满足一维假设,建立了一维多孔介质燃烧模型,对NH₃分别与甲烷(CH₄)、甲醇(CH₃OH)掺混时的燃烧特性进行模型计算。计算结果显示多孔介质对两种混合燃料的作用不同,对于CH₄/NH₃燃料,多孔介质可以明显提高燃烧速率并降低富燃状态的NH₃残留;对于CH₃OH/NH₃燃料,提高燃烧速率和降低NH₃残留的效果较差;对两种混合燃料,可燃气体预混后直接送入多孔介质燃烧都增加一定的NO_x排放,增加效果相同,而分级燃烧可以显著降低NOx排放。     

生物质混煤在流化床锅炉中的燃烧特性

本文通过实验分析了混合燃烧对系统运行和排放的影响。结果表明,生物质(谷壳)和煤相比具有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率;烟煤加入生物质(谷壳)后,燃烧特征温度降低,着火提前,燃烧速率增大,可获得更好的燃尽特性,提高了生物质的利用价值。同时污染气体的排放量相比纯煤也有所下降。     

生物质与煤的混合燃烧实验研究

为了解生物质和煤的混燃特性,利用热天平对生物质、煤及其混合试样进行了热重实验研究。考察各种试样的着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参数,并对实验数据进行了分析处理,求出了反应的动力学参数活化能E和频率因子A。结果表明,同烟煤比较,生物质有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率。在烟煤中加入生物质共燃后,着火燃烧提前,同时可以获得更好的燃尽特性。     

人工智能技术在电站锅炉燃烧优化中的应用研究

电站锅炉的运行面临降低运行成本与降低污染物排放的双重要求，高效低污染的优化决策问题日益引起关注。由于锅炉设备结构庞大，运行条件复杂，燃料性质多变等因素，建立电站锅炉排放特性的函数模型难度极大，为满足锅炉高效低污染燃烧优化研究的需要，该文借助优化燃烧特性试验数据，建立了电站锅炉热效率与NOx排放的响应特性的神经网络与解析函数的混合模型。文中使用了非函数形式的响应模型，燃烧优化采用了十进制遗传算法。优化数值解表明，该方法可针对锅炉热效率和NOx排放的不同优化目标，给出可行的调整各风门开度等操作量的优化控制方案。     

鸡粪与稻壳混合燃料CFB燃烧特性试验研究

为深入了解鸡粪与稻壳混合燃料在循环流化床(CFB)锅炉内的燃烧与污染物排放特性,通过搭设1 MW CFB燃烧试验台,并对混合燃料进行了燃烧特性试验研究。试验结果表明,混合燃料水分和挥发分含量高、灰分低、热值低、灰熔点低,燃烧时具有易着火、易燃尽、易结焦、燃烧效率高的特点;烟气中CO含量高、SO2和NOx原始排放浓度低;另外,混合燃料燃烧后灰渣中碱金属含量高,容易粘结受热面造成积灰腐蚀,在CFB锅炉设计时应特别注意并采取相应技术措施。     

同向和反向合成气旋流扩散燃烧研究

针对同向和反向合成气旋流扩散火焰燃烧开展研究,测量了燃烧中间产物OH自由基浓度、火焰温度及污染物的排放。实验结果表明,燃烧的稳定性受旋流产生的回流区和扩散混合两方面的因素控制,加强回流有利于燃烧稳定,加强混合也有利于燃烧稳定。燃料和空气同向旋流和反向旋流相比,总回流量较大,能够向回流区卷吸更多的活性自由基OH和热量,从而有利于燃烧稳定。当燃料和空气的旋流数比较小时,混合对燃烧的稳定性也会产生重要影响,空气和燃料的反向旋流由于混合较为强烈从而稳定性比空气和燃料同向旋流时要好。尽管NOx排放受混合的影响,但针对文中的实验,主要是热力型机理对NOx的排放起作用。在CO排放中,较低功率下由于温度较低导致CO排放指数较高,实验中当功率大于34 kW时,温度较高,CO排放接近于零。     

修正离散随机孔模型应用于两种秸秆生物质焦CO_2气化的动力学研究

生物质以其产量大、CO_2零排放等优点成为替代化石燃料的重要可再生能源。文中以中国2种典型生物质玉米秆焦和稻草焦为研究对象,在热重分析仪上对玉米秆焦和稻草焦CO_2气化特征进行研究。根据反应过程中生物质焦颗粒孔隙表面积与反应速率之间的关键关系,并基于其气化过程中在非常小时间微元内有效反应面积的修正,利用一种微元分析法求解随机微分方程,从而建立了在化学反应控制条件下预测生物质焦气化行为的修正离散随机孔模型(MDRPM)。通过与离散随机孔模型(DRPM)比较发现,修正离散随机孔模型的预测值比DRPM的预测值更接近实验数据,并利用该模型分析了在不同温度下玉米秆焦和稻草焦CO_2气化的特性。     

CFB锅炉燃烧生物质及RDF燃料的广谱污染物排放研究

在热功率1MW的CFB燃烧试验台上对3类生物质和垃圾衍生燃料(refuse derived fuel,RDF)成型燃料进行试烧试验,对循环流化床锅炉燃用生物质及RDF燃料时污染物的排放特性进行了研究。结果表明:试验燃料NO_x排放浓度随温度和氧量的升高而增大。随着炉膛燃烧温度的升高N₂O排放量明显降低。设计燃料在床温860℃左右时,其SO₂排放量最低,自脱硫效率最高;脱硫效率随着Ca/S的增加而升高,到一定程度后,增长的速度趋缓;设计燃料按Ca/S=1.5添加生石灰粉脱硫,炉膛平均燃烧温度为880℃左右时,脱硫效率最高。试验典型工况烟气中二恶英类以及飞灰、底渣中的二恶英含量均满足国家的排放标准要求。     

基于火焰光谱和特征工程的生物质燃料识别

火焰光谱包含了丰富的燃烧信息,火焰自由基的光谱特征对不同生物质燃料识别具有重要影响。文中通过生物质燃烧火焰和火焰自由基光谱特征的测量,结合特征工程,提出一种基于改进支持向量机的生物质燃料识别技术。该技术通过光纤光谱仪获得生物质火焰辐射强度和火焰自由基(OH*(310.85nm),CN*(390.00nm),CH*(430.57nm)和C_2*(515.23nm、545.59nm))辐射强度信号,通过特征提取、基于Filter的特征选择和基于字典学习的特征学习,构建特征工程,获得能够准确反应样本类别的特征,并结合改进的网格搜索算法优化支持向量机的径向基核参数γ和误差惩罚因子C,建立生物质燃料识别模型。在燃烧试验炉上的实验结果验证了该模型的有效性。     

城市污泥与阳泉煤掺烧及污染物释放特性

利用热重—质谱联用仪研究了阳泉地区煤掺混城市污泥的燃烧及污染物排放特征,并探讨了燃烧过程中动力学特性。实验结果表明,污泥着火温度、燃尽温度均低于阳泉煤,但燃烧温度跨度广,反应速率慢;污泥的掺烧量影响燃烧特性,随着污泥掺烧量增加,混合样品的着火点降低,但综合燃烧特性指数也有所下降;当城市污泥掺混比例不大于20%时,燃烧过程SO_2和NO_x的释放特性与阳泉煤单独燃烧时相似,但掺烧污泥后NO_2的释放强度要低于阳泉煤单独燃烧的释放强度。采用积分法(Coats-Redfern)获得了燃烧反应的机理方程及活化能,发现燃烧反应级数随着污泥掺混比的增加反应活化能降低。     

流化床中煤和生物质混烧N_2O和NO_x排放规律研究

采用煤和生物质混烧的方法来降低流化床燃烧煤中N2O和NOx的排放。实验结果表明,生物质在流化床底部迅速燃烧和热解,释放出大量的挥发分,挥发分燃烧消耗氧气,抑制了燃料氮转变成N2O和NOx;生物质快速燃烧和气化形成多孔性焦炭,有利于N2O和NOx的分解;随着生物质和煤的混合比例增加,N2O的削减率幅度减少,而NOx的削减率幅度基本不变。煤和生物质混烧可以有效降低N2O和NOx的排放。     

生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统仿真和实验研究

以利用生物质气的高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统为研究对象,建立了系统的仿真模型,利用模型分析了系统性能以及关键运行参数、合成气成分对系统性能的影响,对系统进行了实验研究。结果表明利用生物质合成气的高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的设计效率可达54.1%。适当提高压比、电堆工作温度将显著提高系统效率,合成气中燃料组分构成对系统性能有很大影响。实验结果验证了所建立的混合动力系统的可行性,燃用燃料电池阳极排气的催化燃烧室具有很高的燃烧效率。这表明生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统是一种高效可行的生物质能利用方式。     

预处理工艺对生物质成型燃料理化特性的影响研究

棉杆(CS)和木屑(WS)经水热预处理(HT)和低温热解预处理(DT)后在同一条件下压制成生物质成型燃料,分析生物质成型燃料的物理性质(表观密度、抗压强度)和燃烧特性(热值、着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数),考察HT和DT对不同种类生物质成型燃料理化特性的影响规律。结果表明:与未预处理的棉杆与木屑成型燃料相比,低温热解预处理后的两种生物质成型燃料的表观密度和抗压强度分别降低了0.03%～16.7%、23.2%～61.0%,200℃与230℃水热处理后的两种生物质成型燃料的表观密度和抗压强度则分别增加了9.5%～27.3%、114.0%～241.3%,而且,水热处理后的生物质成型燃料的热值增加了5.1%～59.0%。与未预处理生物质成型燃料相比,低温热解后的两种生物质成型燃料的燃烧特性基本不变,而200℃与230℃水热处理后的两种生物质成型燃料的最大燃烧速率显著增大。230℃水热处理后的生物质成型燃料热值为20.23～21.33MJ/kg,最大燃烧速率为9.06～9.49%·min~(-1),综合燃烧特性指数为4.94～5.56min~2℃~3,表观密度和抗压强度分别为1152.5～1154.3kg/m~3和3.4～3.5MPa,具有高热值及优燃烧性能,且物理性能佳,适合作为生活、工业锅炉燃料使用。     

氧量对典型生物质燃烧特性的影响

采用热重-质谱联用仪对稻秆、玉米秆和玉米芯3种生物质的燃烧特性进行了实验研究,讨论了氧量对其燃烧特性的影响,提出采用相对失重速率来描述其燃烧特性指数。结果表明：氧量对燃烧模式有一定的影响。稻秆和玉米芯燃尽温度受氧量影响明显,而玉米秆则相反。对于同一种生物质,随着氧量的增加,综合燃烧特性指数增大,各气体析出温度范围减小,析出终温增大,氧量对3种生物质主要燃烧气体产物析出的影响程度依次为：稻秆>玉米芯>玉米秆。3种生物质的燃烧过程可采用2段1级反应模型来很好地描述,在不同氧量条件下,3种生物质的燃烧活化能E与指前因子A存在动力学补偿效应。