煤粉MILD燃烧NOx生成和还原机理的数值分析

采用计算流体动力学(CFD)软件分析了国际火焰研究基金会(IFRF)试验系统上煤粉低氧稀释(MILD)燃烧特性和NO_x排放特性。比较了不同的湍流与化学反应相互作用模型、挥发分气相反应机理和焦炭燃烧模型对煤粉MILD燃烧特性预测的影响,通过对比烟气速度场、温度场、组分浓度场的模型预报结果与试验结果,得到了能够准确预测煤粉MILD燃烧特性的模型组合,即EDC-WD-MSR模型。采用此模型对煤粉MILD燃烧NO_x生成和还原路径进行分析,结果表明：煤粉MILD燃烧中燃料型NO占主导地位,热力型NO、N₂O中间体路径和快速型NO之和对NO总排放的贡献小于10%。煤粉MILD燃烧存在强烈的NO均相和异相还原反应,其中NO异相还原反应使燃料型NO的排放量占单独计算的焦炭NO和挥发分NO排放量之和的71.1%。     

两级浓淡燃烧室内氨-氢-空气预混旋流燃烧过程的NOx排放特性

为了掌握燃气轮机两级浓淡燃烧室内氨-氢-空气预混旋流火焰的NO_x排放特性和影响NO_x生成的动力学机制,对氨-氢-空气预混旋流燃烧过程进行了三维反应流数值模拟并开展了燃烧反应动力学特性研究．结果表明：在掺氢比为35%、压力为0.5 MPa且当量比为1.20的绝热燃烧工况下,NO_x排放可降至54×10^-6(15%O₂).H+O₂(+M)=HO₂(+M)是燃烧压力影响氨-氢燃料燃烧过程中NO_x排放的关键反应．燃烧压力的升高会促进NO与HO₂反应并转化为NO₂．对于氨-氢混合燃料而言,过高的掺氢比(60%～80%)会导致NO_x排放显著升高,而根据壁面热损失程度的不同,适当的掺氢比(35%～55%)则有利于实现较低的NO_x排放(54×10^-6～86×10^-6 (15%O₂...     

燃煤耦合城市污泥燃烧特性与NOx生成行为模拟

利用自定义燃烧模型对煤粉与城市污泥共燃过程进行数值模拟,研究不同掺烧比例下共燃过程的燃烧特性、NO_x体积分数空间分布和生成行为等。结果表明：污泥对煤粉第一阶段燃烧有明显的促进作用,在掺烧比例≤3%时,对煤粉第二阶段燃烧也有促进作用,而在掺烧比例≥6%时有抑制作用;在燃烧器出口附近氮存在形式丰富,大部分NH₃在该区域转换为HCN,少量转换为HNO和NH₂等,而在回流区后半段,HCN体积分数明显降低,NO体积分数上升,随着燃烧反应的进行,部分NO被还原成HCN和HNO;NO_x生成行为主要集中发生在燃料燃烧的2个阶段,在第一阶段,NO的生成过程主要为NH被O和O₂氧化以及N被O₂氧化,第二阶段主要为NH被O氧化以及N被CO₂氧化;NO被CH₃还原成HCN是2个阶段中NO被还原的主要过程。     

CO2和H2O气氛下甲烷MILD富氧燃烧NO和CO生成机理

利用 Chemkin 软件中对冲火焰模型对 CO₂和 H₂O 气氛下甲烷 MILD 富氧燃烧进行详细数值模拟,对比了两种气氛下 NO 和 CO 的排放规律和生成机理．结果表明,MILD-CO₂燃烧模式下 CO 排放浓度约为 MILD-H₂O 燃烧模式下的 3 倍．敏感性分析发现 CO₂的分解会增加 CO 排放浓度,而 MILD-H₂O 燃烧模式下 H₂O 分解生成的 OH 基团促进了 CO 的氧化,降低了 CO 的排放浓度．同时,MILD-CO₂燃烧模式下 NO 排放浓度约为MILD-H₂O 燃烧时的 4 倍,且 MILD-H₂O 燃烧模式下 NO 生成对氧化剂进口温度的变化不敏感．通过分离 NO 生成路径发现,两种气氛下 N₂O 中间体路径主导了 NO 的生成,NO 再燃可以消耗 20%以上生成的 NO,其余路径相对不重要．结果表明 MILD-H...     

气化细渣和煤掺烧氮氧化物和二氧化硫排放特性研究

气化细渣热值低、水分高，难以独立稳定燃烧，因此通常将其和热值较高的燃料进行掺混实现燃烧利用。为研究气化细渣和煤掺烧过程中NO_x和SO₂的排放特性，利用管式炉燃烧污染物测试系统，在空气气氛下，使用不同比例的气化细渣和烟煤进行掺烧实验，对燃烧污染物的释放量进行实时监测，并计算燃烧污染物的释放总量。通过实验发现：温度是影响NO_x、SO₂排放量的重要因素，在高温工况下，NO、SO₂的释放量显著提高，NO₂、N₂O的释放量显著降低。燃料中挥发分的含量与NO₂、N₂O的释放量有着密切关系，煤中挥发分含量较高，NO₂、N₂O的释放量也相对较高。整体NO₂、N₂O的释放量远小于NO的释放量，NO_x排放以NO为主。随气化细渣掺烧比例增大，NO、SO₂释放量降低。因此，通过与煤掺烧...     

高温条件下氨还原剂脱硝特性试验研究

针对NH₃在高温区的脱硝特性进行研究，采用配气的方法在一维管式炉上进行实验，研究不同O₂浓度、反应温度、氨氮摩尔比等关键因素对高温区氨还原NO_x特性的影响．结果表明：氧浓度的升高使NH₃/NO的最佳反应温度下降，脱硝效率出现下降趋势；近零氧工况下NH₃还原NO_x最佳反应温度窗口向高温偏移，反应温度为1 300℃时还原效率最高；随着氨氮摩尔比的增加，NO_x的还原效率随之增加，最佳氨氮摩尔比为1.5，无氧工况下脱硝效率可达95%以上，为进一步优化脱硝技术提供参考．     

O2/CO2气氛下煤燃烧NOx排放特性的实验研究

利用管式电阻炉在O₂/CO₂气氛和O₂/N₂气氛下对煤粉燃烧过程中NO_x排放特性进行实验,研究在不同停留时间、炉内燃料/氧化学当量比、温度、氧浓度等因素对燃煤过程中NO_x放特性的影响,并对这两种燃烧方式下NO_x的排放特性进行对比。结果表明:在O₂/CO₂气氛下NO_x的生成量要远远低于O₂/N₂气氛下NO_x的生成量。随着停留时间的延长,NO_x沿程释放特性是先增大后减少。随着燃料/氧化学当量比的增加,NO_x排放浓度也呈现出先增加后降低的趋势。随着炉内温度的增加,2种气氛下NO_x的排放浓度均增加。随着氧浓度的提高,NO_x排放浓度增大。     

温度和还原剂对LNT还原过程的影响

针对稀燃氮氧化物捕集器(LNT)还原过程中的产物和副产物,搭建了以CO和H₂为还原剂的LNT还原模型,该模型包含了LNT还原过程中副产物N₂O和NH₃的详细产生机理．利用该模型模拟研究了温度对N₂、N₂O和NH₃表面反应的影响,分析了温度和还原剂体积分数对LNT还原效率的影响．模拟研究结果表明,CO还原NO时,在低温下易生成N₂O,在高温下生成N₂,并且随着温度升高,NO和CO的转化率逐渐增加并到达最大值;H₂作为还原剂时,在低温条件下会同时生成N₂O和NH₃,NH₃生成速率更高,高温时还原的主要产物是N₂;NO/H₂反应中,NO转化率在低温时先升高后降低;随着CO体积分数的增加,NO和CO的转化率会先升高再降低,过高的CO体积分数会抑制NO的转化率,但是提高温度可以缓解这一问题．     

温度与氧气浓度对NH3还原NO特性耦合影响研究

为揭示烟气温度和氧浓度对NH₃还原NO过程的影响，通过对3种典型氮氧化物机理模型的对比与验证，选取Glarborg1998机理模型对不同温度(800～1 600℃)及O₂浓度下NH₃还原NO反应进行化学反应动力学研究.结果发现：在一定O₂浓度条件下，NH₃还原NO过程仅在一定温度窗口内才能获得较高的脱硝效率，这主要是由于H能与O₂反应生成O、OH以促进NH₃分解生成NH₂，保证NH₂还原NO；温度过高会促进NH₂氧化，导致脱硝效率降低.高温条件下O₂浓度降低时，虽然抑制了OH基团的形成，但H与CO₂、H₂O反应生成OH的反应速率明显增大，促进了NH₂的生成及其对NO的还原；同时，O₂浓度降低也抑制了NH₂氧化生成NO的反应，使得高温还原性气...     

零碳燃料对燃气锅炉燃烧过程调控作用

利用小型化模拟炉膛开展了零碳燃料氢气对燃气锅炉燃烧过程调控作用实验研究,研究了掺氢比对炉膛内部预混火焰宏观形态、炉膛温度均匀性、炉膛污染物排放规律的影响,并总结了CO及NO_x的排放规律。实验结果表明：随着预混当量比增加,纯甲烷火焰长度逐渐缩短;对于20%掺氢火焰,随着预混程度的提高,火焰长度降低明显;不同火焰条件下,炉膛温度只由燃烧功率控制;改变燃烧条件时,处于壁面附近位置的温度变化较为平稳,而靠近火焰处温度变化较大;天然气中掺入氢气,燃烧时可以有效降低未燃CO排放;在相同预混程度下,全局当量比减小导致未燃空气增加,热量被稀释,火焰温度降低,热力型NO_x的生成降低;随着掺氢比的增加,燃烧时火焰温度升高,导致热力型NO_x排放增加。     

燃料热值对燃气轮机燃烧特性的仿真分析

针对燃气轮机运行过程中出现的燃烧不稳定和NO_x排放高的问题,开展了不同负荷下燃料热值对燃气轮机燃烧特性(燃烧稳定性和NO_x排放影响规律)的仿真研究。以某燃气轮机分管型燃烧室为研究对象,在不同负荷下,保持燃料流量、空气流量、大气温度等参数不变,仅改变燃料热值,采用数值仿真方法对燃气轮机设计压力监测点的压力、燃烧室出口温度及NO_x排放数据进行分析。结果表明：负荷区间相同,热值增加,高频段所对应的压力脉动幅值减小,热释放率脉动的高频频率增加,NO_x排放增加;热值相同,负荷增加,高频段所对应的压力脉动频率增加,高频段压力脉动幅值减小,热释放率脉动频率增加,NO_x排放增加。     

微型燃气轮机改烧氨气/氢气混合燃料的数值模拟研究

通过数值模拟对某80 kW微型燃气轮机环形低氮燃烧室进行适当的改造并对其燃烧及NO_x生成特性进行研究。研究结果表明：将烧天然气燃料的燃烧室改烧氨/氢混合燃料,在输出功率相同时燃料体积流量增大,通过增加燃料进气喷嘴的直径来降低燃料的进气速度;当掺氢比为0.3时,该结构的燃烧室燃烧不充分,燃烧效率达不到要求;当掺氢比在0.35～0.5、燃料华白数在19.9～21.7范围内变化时,该燃烧室可以实现高效稳定的燃烧,性能接近燃烧天然气燃料;氨/氢混合燃料中掺氢比增大,则NO_x排放量也快速增大;由于燃料型NO_x排放量占主导地位,该微型燃气轮机燃烧室不能实现低NO_x燃烧,NO_x排放远超国家标准,需要加装脱硝装置才能实际应用。     

柴油机尿素选择性催化还原系统虚拟标定及NOx转化率优化方法研究

基于尿素选择性催化还原系统物理模型与尿素喷射量控制模型联合仿真的虚拟标定方法,获得了目标NO_x转化率脉谱;采用多目标遗传算法对尿素选择性催化还原系统进行优化,得到最优尿素喷射量目标值,同时优化了NO_x转化率和NH₃泄漏值。分析了原排参数及优化结果对NO_x转化率的影响。仿真结果表明,采用优化后的尿素喷射量可实现较高的NO_x转化率,在排温200～300℃的条件下NO_x转化率平均提高35%左右,同时满足国六排放法规对NH₃泄漏限值的要求。     

煤粉富氧燃烧CO2富集特性与NOx生成量模拟预测研究

分析了富氧下的煤粉燃烧特性、CO₂富集特性和NO_x生成特性,并模拟了CO₂富集和NO_x生成量的协同控制趋势。结果表明：与空气燃烧相比,富氧燃烧条件下CO₂富集分布与NO_x体积分数分布是负协同效应;不同O₂/CO₂体积分数比的富氧下,随着O₂体积分数的增加,炉膛出口的CO₂体积分数和NO_x体积分数都先上升到最大值后稍微下降,呈正协同效应,但出现拐点的O₂体积分数不同;CO₂富集到一定程度时,能有效抑制NO_x的生成量;在富氧条件下,可实现炉膛出口的高CO₂富集与低NO_x生成量的协同控制技术。     

深度空气分级对旋风燃烧锅炉NOx释放影响研究

针对纯燃高碱煤旋风液态排渣锅炉局部高温以及NO_x排放高等问题，通过ANSYS软件数值研究了不同深度空气分级方案对旋风液态排渣锅炉炉内温度场、组分场及NO_x浓度分布的影响。研究结果表明：深度空气分级燃烧不同工况设置合理，形成了良好的富燃料的主燃区与富氧燃尽区，炉内燃烧稳定，旋风燃烧器逆向布置可促进煤粉燃尽，提高锅炉效率。不同深度空气分级工况下，炉内各组分分布特性一致。同时确定了主燃区最佳过量空气系数为0.85,燃尽风量选用逐层降低布置可实现最佳低氮排放，炉膛出口烟温最低为1 375.45 K,炉膛出口NO_x浓度最低为391.14 mg/m³。     

燃用高钙烟煤的CFB锅炉NOx排放控制设计和运行特性

以某350 MW超临界循环流化床(CFB)锅炉燃用高钙烟煤为例,根据燃料特性以及NO_x生成机理,在CFB锅炉方案设计时采取有效的NO_x排放控制措施。锅炉实际投运后,在煤中氮元素数倍于设计值情况下,仍能通过燃烧控制结合脱硝装置满足宽负荷超低排放要求,符合设计预期,具有高效、清洁、灵活和经济运行特点,符合国家煤电高质量发展方向。     

高温还原性气氛条件氨还原NOx机理研究

在一维管式炉上进行高温下NH₃还原NO_x特性实验研究，并基于化学反应动力学模型对实验工况进行模拟计算，分析在近零氧工况下NH₃/NO_x反应过程中关键基元反应及主要活性基团变化规律，探究高温下氨还原NO_x反应机理。结果表明：在无氧或者氧气体积分数为0.1%工况时，反应温度窗口明显向高温偏移，NH₃/NO_x还原反应进行的拐点温度为1 100℃,反应过程中关键的基元反应为NH₂/NO_x还原反应，温度对这组基元反应的一阶敏感性系数决定了最佳反应温度窗口；OH与NH₂自由基是反应中重要的活性基团，其浓度的积累也影响反应温度窗口，无氧工况下最佳反应温度窗口为1 300～1 400℃;无氧工况下NH₂自由基主要由3条反应路径还原NO_x,NH与NNH自由基是最重要的中间产物，而HNO的存在会造成NO_x质量浓度增加。     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

天然气锅炉NOx及CO排放控制试验研究

为了响应政府业及民用天然气锅炉达到超低氮排放,要求绝大多数天然气锅炉采用低氮燃烧器+烟气再循环系统的技术路线,实施后普遍出现NO_x、CO含量偏高、炉膛振动较大等问题。借助116 MW天然气锅炉进行试验研究,研究了燃烧器燃料配比、燃烧火焰长度、助燃空气氧含量三个因素对NO_x及CO的影响,并对投入烟气再循环前后炉膛振动情况进行了检测。试验表明:燃烧器燃料内外配比对NO_x、CO生成影响较大,两者呈现相反趋势变化;燃烧火焰长度对NO_x生成影响较大,对CO含量影响较小;助燃空气氧含量对NO_x、CO生成以及锅炉振动影响较大。三种影响因素相比,助燃空气氧含量影响更为突出。     

氢燃料微混燃烧技术研究进展

微混燃烧技术采用数量众多、结构简单的微型喷嘴替代传统的大直径喷嘴,主要目的是通过减小喷嘴直径,提高微混喷嘴的混合强度,从而提高预混气的混合均匀度,以促进H₂在燃气轮机中的安全稳定燃烧,并降低NO_x排放。本文总结了氢燃料微混燃烧技术的研究进展,对H₂在燃气轮机中的工业化应用中进行了探索。结果表明：微混燃烧技术在H₂稳定燃烧及降低NO_x排放方面表现出巨大的潜力。目前,已经发展了纯氢燃烧的微混燃烧技术,该技术最终有望在燃气轮机中大规模应用。