低挥发分煤粉燃烧新技术发展与应用

介绍了国内外低挥发分煤粉燃烧技术及发展。对具有代表性的燃烧器及炉膛结构进行简要分析,说明热回流、煤粉浓缩、延长火焰长度等关键技术在实现低挥发分难燃煤粉快速着火、稳定燃烧中的应用。指出尽管燃烧器在应用中取得一定的效果,但仍然存在一些问题,因而对于低挥发分煤种还需要同时选择合理的燃烧方式,如切向燃烧、对冲燃烧、W型火焰燃烧及CUF火焰燃烧等技术。其中,W型火焰燃烧方式对难燃无烟煤的燃烧稳定性优于四角和对冲燃烧方式,是目前主要采用的燃烧结构。高温空气燃烧技术对低挥发分煤具有火焰稳定、热效率高、再循环分级燃烧,低NOx排放等优点,将成为更有前景的燃烧技术。     

内在矿物质对煤焦燃烧特性影响的动力学研究（Ⅰ）等温热重研究

选择宁夏地区2种烟煤和2种无烟煤作为实验煤样,用浮沉法得到灰分在30％左右的煤粉在马弗炉上900℃制焦,然后用化学脱灰法处理煤焦样,得到超低灰煤焦样。在WCT-2型热重分析仪上,在消除内、外扩散影响的条件下对高灰煤焦和脱灰煤焦进行等温热重实验。动力学分析的结果表明：2种烟煤焦脱灰后的活化能降低,2种无烟煤焦脱灰后的活化能升高;烟煤中的矿物质对烟煤的燃烧有阻碍作用,无烟煤中的矿物质对烟煤的燃烧有促进作用。     

58 MW煤粉工业锅炉空气分级燃烧试验研究

加快推进燃煤工业锅炉环保改造,有效降低煤粉工业锅炉大气污染物排放量,特别是降低NOx排放迫在眉睫。空气分级燃烧技术是一种减排效果显著,改造成本较低的低氮燃烧技术,已在电站锅炉得到成功应用。为考察空气分级燃烧技术在煤粉工业锅炉上应用效果,以煤科院某58 MW煤粉工业锅炉空气分级改造项目为研究对象,通过在侧墙上布置6个火上风喷口,实现空气分级燃烧。通过工程试验,采用特制水冷取样枪以及耐高温烟气分析仪,测量了该锅炉原工况(不采用火上风)与分级燃烧(采用火上风)工况下,炉内3个不同截面(每个截面10个取样点)以及双锥燃烧器内6个测点处烟气温度及烟气组分。结果表明,分级燃烧工况下,双锥燃烧器内在x=0.3 m测点后形成了高温、强还原性气氛,有效抑制了燃烧初始阶段NOx的生成。这是因为分级工况下双锥燃烧器内氧气被迅速消耗,焦炭燃烧反应速率显著下降,焦炭气化反应明显增强,故形成了较强的还原性,有效遏制了NOx的生成。炉内不同截面烟气温度及组成变化规律表明,原工况烟气温度分布整体呈现燃烧器射流中心高、外侧低的趋势,氧含量分布与温度分布趋势相反,而分级工况受双锥燃烧强还原性高速火焰以及火上风喷射的影响,截面温度波动较大,中间截面呈现燃烧器射流中心偏低的现象。分级工况在炉内形成明显的还原区,且表现为燃烧器射流中心CO浓度高、外侧低的现象,有效降低了炉内NOx生成。58 MW煤粉工业锅炉火上风空气分级低氮改造,在双锥燃烧器及炉内创造了合理的贫氧还原区,具有良好的低氮效果。     

抽气热电偶遮热罩结构对测温的影响研究

抽气热电偶对于精确测量窑炉温度、减少测温误差、提高制品烧成质量等都有着突出的作用和意义.设计优化遮热罩结构,提高测温精度已成为当前研究和开发新型热工测量设备的重要课题.通过FLUENT6.0软件模拟抽气热电偶工作,针对热电偶遮热罩结构,在遮热罩制作成减缩喷管、加长遮热罩长度和缩小遮热罩直径等三种方式的结构优化并模拟,从而验证了通过优化遮热罩结构,可以减小测温误差.     

基于非等温热重法的煤焦燃烧特性及反应动力学

利用非等温热重法研究了由津凯褐煤、万泰烟煤、冀中能源无烟煤和骊达宁无烟煤4种煤在不同变质情况下制备所得煤焦的燃烧特性,利用随机孔模型(RPM)、收缩核未反应芯模型和体积模型模拟了煤焦燃烧反应过程. 结果表明,煤焦燃烧性能与煤粉变质程度、灰分含量和升温速率有关;降低煤粉灰分含量、提高升温速率能够明显加快煤焦燃烧速率,缩短燃烧时间. 动力学计算表明,RPM模型表征煤焦燃烧效果最优,由其所计算的4种煤焦的表观活化能分别为55.74,88.26,84.27和101.30 kJ/mol.     

二次风温度对回转窑内煤粉燃烧特性影响的研究

回转窑内煤粉燃烧为产品煅烧提供了热源,研究二次风温度对火焰形状、烟气流场及温度分布的影响,可为优化燃烧器的操作参数与结构参数提供依据.本文以一四风道煤粉燃烧器及φ4 m×60 m的回转窑为对象,应用Fluent软件,研究了以煤粉为燃料,二次风温度分别为1000 K、1250 K、1373 K、1550 K时,回转窑内火焰性能、烟气流场及温度分布情况.结果表明:对给定的四风道煤粉燃烧器,二次风温度为1373 K时,火焰最高温度达到2000K,回转窑内火焰形状成良好的棒槌状,火焰温度分布符合水泥生产的要求.     

O_2/CO_2煤粉燃烧及NO_x污染排放的数值模拟

为了进一步全面评价O2/CO2煤粉燃烧特性,在前期实验基础上,通过数值模拟方法对空气、O2/CO2两种气氛下煤粉燃烧及污染物形成特性进行数值模拟,从而更充分了解O2/CO2燃煤过程火焰形成、传热和污染物形成特性,以便为合理组织流场、控制温度、获取合理的燃料和氧浓度分布状态及O2/CO2燃烧过程新燃烧器的设计提供必要的指导。     

三通道煤粉燃烧器的水泥窑内空气动力过程物理模拟

在三通道煤粉燃烧器——窑系统的冷态模型上,用五孔测压管和热电偶测定了窑内流场和温度场,分析了系统的空气动力特性,并与自由空间旋转射流做了对比,找出了内、外风量比是影响燃烧器空气动力特性的主要因素,得出设计和操作时,不需过多考虑燃烧器构件细部的变换,而应以内、外风量比调节为主的结论。     

煤粉工业锅炉臭氧脱硝应用的可行性分析

煤炭在短期内依然是我国能源消费结构的主体,但其燃烧产生的污染物带来了严重的环境污染问题。现有脱硫脱硝工艺普遍占地大且投资及运行成本较高,不适宜煤粉工业锅炉应用。根据臭氧氧化机理,提出一种高效的锅炉烟气污染物脱除方法,并通过文献研究,证明脱硝效果,分析了影响其污染物脱除效率的主要因素,阐述了技术在国外的应用情况。介绍了煤粉工业锅炉系统现有烟气净化技术,提出采用臭氧氧化法耦合煤炭科学技术研究院有限公司自主高倍率灰钙循环烟气脱硫(NGD)技术,完成高阶态氮氧化物和SO_2、SO_3等酸性气体、重金属Hg、As等的有效脱除,达到超低排放效果,对于形成符合煤粉工业锅炉自身特点的一体化烟气净化技术具有重要意义。     

双风道煤粉燃烧器的结构性能分析

为了有空间插入多种燃料输送管以满足燃烧多种燃料的需求，某煤粉燃烧器取消了中心风，采用了双风道结构；并且为了使高温二次风尽快地与煤风中的煤粉接触，将煤风道置于最外层；为了在操作时根据需要随时能够调节旋流度，该燃烧器净风采用万向可调的多个小喷嘴喷射，随时可以调节火焰形状，以满足窑工况变化或者熟料烧成的需要。实践证明，这种燃烧器一次风用量并非最小，性价比不高，但设计理念值得借鉴。     

Numerical modelling and simulation of pulverized solid‐fuel combustion in swirl burners

A finite‐volume numerical model for computer simulation of pulverized solid‐fuel combustion in furnaces with axisymmetric‐geometry swirl burner is presented. The simulation model is based on the k ? ε single phase turbulence model, considering the presence of the dispersed solid phase via additional source terms in the gas phase equations. The dispersed phase is treated by the particle source in cell (PSIC) method. Solid fuel particle devolatilization, homogenous and heterogeneous chemical reaction processes are modelled via a global combustion model. The radiative heat transfer equation is also resolved using the finite volume method. The numerical simulation code is validated by comparing computational and experimental results of pulverized coal in an experimental furnace equipped with a swirl burner. It is shown that the developed numerical code can successfully predict the flow field and flame structure including swirl effects and can therefore be used for the design and optimization of pulverized solid‐fuel swirl burners.     

超细煤粉NOx和SO2排放特性与燃烧特性

将合山煤分别制成常规粒度的煤粉与超细化煤粉 .在单只水平直流燃烧器燃烧室内进行了常规煤粉与超细化煤粉的燃烧特性、空气分级燃烧NOx 排放特性、炉内喷钙对超细化煤粉与常规煤粉燃烧SO2 排放特性的影响的燃烧试验研究 .试验研究表明 ,超细化煤粉与常规煤粉比较 ,着火提前 ,着火稳定性好 ,燃尽效果好 ;分级燃烧对超细煤粉的NOx 排放量的降低效果更显著 ;在Ca/S摩尔比相同的条件下 ,超细化煤粉的固硫特性明显优于常规煤粉 .     

Shell粉煤气化装置煤烧嘴的安装

介绍了Shell粉煤气化装置烧嘴布置结构,分析了煤烧嘴安装检修中误差存在的原因,提出了控制精度安装煤烧嘴的方法。在安装煤烧嘴前,先用模拟烧嘴和仿真烧嘴定位,测量和加工调整环及石墨缠绕垫的厚度,最后安装煤烧嘴,以确保安装的准确性。     

煤粉锅炉炉膛燃烧一维数学模型的研究

为了有效地进行直流煤粉多相流动与燃烧数值模拟,实现煤粉低NOx燃烧,本文在连续介质模型的框架中建立了综合考虑气—固两相流流动、燃烧与传热的直流煤粉燃烧一维数学模型。应用这一模型对一维煤粉炉炉膛内煤粉燃烧和气体燃烧的数值计算表明,该模型可快速有效地用于模拟直流煤粉多相流动与燃烧过程,给出炉内温度、NOx分布等主要参数。     

煤粉富氧燃烧着火温度预测的优化随机森林(GA-RF)模型

二氧化碳排放是造成温室效应的主要原因之一,富氧燃烧作为一种有效的碳减排与封存技术具有广泛的研究前景。在燃煤电厂中煤粉富氧燃烧的着火温度是燃烧器设计和运行安全的重要指标,并且与煤粉组成成分、煤粉粒径以及燃烧氛围都有复杂的相关性。因此,对煤粉富氧燃烧着火温度的预测模型研究意义重大。采用滴管炉分别测量了5种煤粉在O2体积分数为30%、35%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%富氧条件下的着火温度,分析了氧气体积分数和煤粉的组成成分与着火温度之间的关系。研究发现,随着氧气体积分数分数的增加,5种煤样的着火温度均显著下降,且挥发分越高的煤,下降幅度越大。将45组试验着火温度数据与其他研究者采用同样方法测得的69组着火温度数据组成机器学习样品库,以煤粉的元素分析、工业分析、煤粉粒径及氧气体积分数为输入条件,以着火温度T为目标输出,构建了遗传算法优化的随机森林模型(GA-RF模型),准确预报了煤粉富氧燃烧的着火温度,其预报精度为:R2>0.99,RMSE<16,MAE<8。通过模型参数重要性分析发现,氢组分超过5%后,着火温度出现阶跃式上升,现有煤粉着火数据也证实了该现象。     

水泥回转窑中煤粉燃烧的热态数值模拟

NC型四风道煤粉燃烧器建立了燃烧器一回转窑物理模型,利用流体分析软件FLUENT对窑内燃烧情况进行了数值模拟,分析了窑内煤粉燃烧温度场及组分浓度场的分布规律,并与实际情况进行对比,计算结果符合实际燃烧规律,说明该数值分析结果可以为同类燃烧器的合理设计与优化运行提供参考。     

Computational modeling of a utility boiler tangentially-fired furnace retrofitted with swirl burners

The paper presents 3D numerical investigation of OP-380 boiler tangentially-fired furnace utilizing bituminous coal. The boiler was retrofitted by replacing traditional jet burners with RI-JET2 (Rapid Ignition — JET) swirl burners. This kind of solution is unique in power generation systems. The purpose of this work is to show how the flow, combustion performance and heat exchange in the furnace are affected by introducing rapid ignition phenomena in RI-JET2 burners instead of delayed ignition associated with the traditional jet burners. Results were compared to simulations of similarly designed boiler equipped with traditional jet burners. Furnace simulation was preceded with a single RI-JET2 burner simulation at the inlet to a virtual combustion chamber. The results have shown that pulverized coal (PC) concentrator separates the PC into two streams: concentric with fine particles and axial with coarse particles. Stable flame operation was noticed even without secondary and tertiary air swirl. 3D simulations of combustion chamber have shown that in a burner zone a visibly isolated, concentrated flame exists in the furnace axis. This kind of flame shape reduces corrosion risk and furnace walls slagging as a result of RI-JET2 burner's long range.     

Effect of primary air flow types on particle distributions in the near swirl burner region

A three-component particle-dynamics anemometry is used to measure, in the near-burner region, the characteristics of gas-particle two phase flows with two swirl burners with different primary air flow types, on a gas-particle two phase test facility. One burner is the radial bias combustion swirl pulverized coal burner whose primary air is non-swirl, and the other is the swirl burner whose primary air is swirl. With the former one, particle volume fluxes, particle volume fractions and particle number concentrations are bigger near the edge of central recirculation zone, and the particle volume fractions and the particle number concentrations are also bigger in the central recirculation zone. With the latter one, the particle volume fluxes and particle number concentrations are less near the edge of the central recirculation zone, and they are bigger in the wall zone. The influence of gas-particle flow characteristics on combustion has been analyzed, and the theory of air-surrounding-coal combustion is given.     

基于EDM、PDF和FR/ED模型的煤粉燃烧过程适应性研究

还原气氛下煤粉反应过程兼具燃烧和气化的特点,是煤粉实现低氮燃烧的关键因素,合适的化学反应模型是准确模拟该过程的基础。笔者基于煤粉双锥燃烧器,对比了EDM模型、PDF模型和FR/ED模型在氧化气氛和还原气氛的模拟结果,通过与试验结果的对比验证,确定了不同反应气氛适合的化学反应模型。研究结果表明,3种模型在煤粉着火位置和逆喷传播距离的预测上存在差别,PDF模型起火点更靠近燃烧器逆喷喷口,EDM模型一次风和煤粉喷出经过一段升温过程后逐渐燃烧,FR/ED模型的升温过程更长,壁面低温区域接近前锥长度一半;使用FR/ED模型模拟时燃烧器内平均温度最高,EDM模型次之,PDF模型最低;EDM模型中未考虑CO反应,燃烧器内基本无CO存在,PDF模型高CO浓度区域集中在煤粉燃烧初期,燃烧器出口CO含量较低,FR/ED模型化学反应动力学参数在煤粉燃烧整个区域内均有较高CO浓度存在。由于考虑了焦炭与氧气气化反应的影响,FR/ED模型模拟燃烧器内氧含量明显低于EDM和PDF模型,当过量空气系数为1.2时,燃烧器出口处氧含量为7.0%,明显低于EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%,燃烧器出口处CO含量为3.5%,明显高于EDM(0)和PDF模型(0.8%);过量空气系数为0.5时,EDM模型对CO成分的预测结果偏差较大,燃烧器出口CO浓度为0.05%,采用PDF和FR/ED模型时燃烧器出口CO含量分别为5.73%和10.7%。从模拟结果与试验结果的对比来看,在氧化气氛下,主要发生煤粉的燃烧反应,EDM模型和PDF模型在温度、CO含量上的预测较为准确,与试验数据偏差较小,FR/ED模型偏差较大;在还原性气氛下,EDM模型模拟的结果几乎不生成CO和H2,并不适合还原性气氛,PDF模型和FR/ED模型有较合理的还原气氛模拟结果,两者的差别在于还原性气体的生成位置,PDF模型喷口位置CO浓度较高,出口浓度偏低,FR/ED模型随着煤粉反应流程的进行,CO浓度逐渐升高,出口浓度更接近试验结果。综合考虑,氧化气氛下双锥燃烧器适合采用EDM模型和PDF模型进行模拟,还原气氛下适合采用FR/ED模型进行模拟。