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%。     

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

为了准确计算炉内煤粉的燃尽率,从研究煤粉粒子的燃烧机理入手,以炉膛内最复杂的燃烧器区域的煤粉燃烧过程为研究对象,通过合理简化煤粉中挥发分和焦炭的燃烧过程,建立了炉内煤粉燃烧沿高度方向上的一维宏观模型,在模型中考虑了煤粉燃烧过程中氧含量的变化,以单个煤粉颗粒燃烧的等密度模型为基础,通过多种煤粉粒径的燃烧过程反映煤粉燃烧的整体过程,推导出计算炉内煤粉燃尽率的显示公式,满足了实时仿真计算的要求。计算结果与实测数据和现有的文献相符,并对结果进行了分析。     

增压富氧鼓泡床的NO生成特性

搭建小型增压富氧燃烧鼓泡床试验台,以试验结果为基础结合偏最小二乘法对增压富氧燃煤NO生成特性进行了研究和分析.试验结果表明,压力对NO排放规律的影响与反应气氛中的氧体积分数有关.在增压空气燃烧时,随着系统总压的升高,燃烧过程中NO的生成量有明显降低,但在增压富氧燃烧时,系统总压升高后,燃煤NO生成量反而逐渐增加.分析显示,在加压燃烧过程中,挥发分燃烧速率增加对煤粉热解的促进作用与CO和焦炭对NO的还原作用共同决定了燃煤NO的生成特性.在低氧气体积分数时,系统总压升高后CO和焦炭对NO的还原作用强于燃料氮的氧化作用,导致燃料氮的NO转化率逐渐下降,但是在高氧体积分数时,系统总压升高后,快速燃烧的挥发分使得挥发分氮的释放和转化强于CO和焦炭的还原作用,导致燃料氮的NO转化率逐渐增加.     

恒温下准东煤及其混煤燃烧过程中NO释放特性研究

基于恒温热重-燃烧污染物在线监测系统,通过对NO瞬时释放曲线的分析,并结合燃烧反应动力学计算,研究了恒温条件下燃烧环境温度对准东煤燃烧过程中NO释放特性的影响。结果表明：随温度升高,单煤和混煤燃烧过程中NO的释放时间会显著降低,释放速度显著提高;煤种成分的差异会导致NO释放特性的差异,固定碳挥发分的质量分数对NO释放有影响,而灰分的质量分数对NO释放无影响,当高固定碳、高挥发分的煤与低固定碳、低挥发分的煤进行掺混燃烧时,混煤的NO释放量和释放速率会降低。当燃烧过程中掺混北山煤时,混煤NO释放量低,释放速率慢,可以看作是一个较为优良的混煤掺烧方案。     

无烟煤恒温燃烧过程中NO和SO_2瞬态释放特性研究

在高温一维卧式炉上,研究了阳泉无烟煤在富氧情况下恒温燃烧的NO、SO2等的瞬态释放特性.主要在1 000℃、1 300℃、1 500℃3个温度等级下瞬态燃烧,在线测量了不同温度等级下的NO、SO2等释放特性以及计算了生成的NO中的氮和煤粉中的氮的比率.研究发现随着温度的升高,NO释放提前,NO释放过程缩短,NO释放峰值升高.随着温度的升高,生成的NO中的氮占煤粉中的氮的比率却下降.这主要由于温度高引起的更多的挥发分氮的迅速集中释放和局部高温低氧氛围更有利于NO的还原.即使是1 500℃,有热力型NO生成的情况下,NO生成量还是小于温度较低时的情况.SO2的生成过程滞后于NO,且生成量随温度上升而增加.     

神华煤粉在CO2和N2高温气氛下SOx生成释放规律的研究

通过在固定反应床实验系统上,进行了不同燃烧气氛、不同氧气体积浓度、不同燃烧环境温度及不同颗粒粒径下神华煤粉的燃烧实验,在实验过程中对气体污染物SOx生成释放规律进行了研究。发现了CO2气氛下SOx呈现双峰现象,即在煤粉燃烧过程中,S元素转化成SOx的过程分为挥发分释放阶段和焦炭燃烧阶段。SOx释放过程中第一个峰的积分值占总积分值的百分比随着燃烧环境温度的升高而降低,即在较高的燃烧环境温度下SOx主要来源于无机硫化合物。在煤粉燃烧过程中,SOx生成释放曲线的2个峰值随着氧气浓度的升高而增加,SOx总生成量也略为增加;单位氧气消耗量生成的SOx(记为YSOx)随着燃烧环境温度的升高而升高;煤粉颗粒粒径对YSOx的影响规律不明显。高温1 600℃下,煤粉自固硫特性的作用下SOx的生成量与1 000℃时相当。     

煤粉等温燃烧挥发分、焦炭分阶段SO_2释放规律研究

利用自制SO_2测量系统,对煤粉及煤焦进行了等温燃烧实验,针对挥发分与焦炭分阶段SO_2释放规律研究了温度、煤质、氧浓度对SO_2释放的影响。结果表明:煤粉等温燃烧过程中,经历了挥发分SO_2的快速释放和焦炭SO_2的缓慢释放,挥发分SO_2和焦炭SO_2的释放存在一定的重叠时间。随着温度升高,焦炭SO_2转化率显著增大,挥发分SO_2转化率变化不大。不同煤种SO_2转化率差异明显,低阶煤挥发分S0_2的转化率较低,塔山煤和印尼煤的焦炭SO_2转化率显著低于阳泉煤。随着氧浓度升高,挥发分和焦炭SO_2释放速率加快,挥发分SO_2和焦炭SO_2转化率均升高,挥发分SO_2的释放对氧浓度的变化更为敏感。     

深度空气分级条件下炉内氮氧化物生成的数值模拟

借助计算流体力学软件FLUENT,对一台600 MW超超临界墙式布置切圆燃烧锅炉进行数值模拟.详细分析了深度分级条件下,燃料型NO、热力型NO和总NO生成速率在炉内的分布特性,以及燃烧初期NO和HCN生成特性.结果表明,挥发分析出阶段会产生大量的燃料型NO,焦炭在缺氧的气氛下燃烧,促进了焦炭燃烧时释放产生HCN与已经产...     

基于数值模拟的链条锅炉煤层燃烧分区特性分析

链条锅炉大颗粒煤的层燃过程与煤粉燃烧差异很大,为了对燃煤链条锅炉煤层燃烧特性和机理进行深入分析,本文应用二维稳态层燃模型对链条锅炉燃烧过程进行了模拟计算,并与实验结果进行了比较。对比发现模拟计算值与实验值符合较好,说明模型能准确反映床层的燃烧特性。同时对不同煤种的水分析出线、挥发分析出线、焦炭氧化区、焦炭气化区和灰渣区进行分析对比,发现不同煤种燃烧分区的差异性与煤质特性及燃烧工况等因素有关系。     

低挥发分煤NO释放特性试验研究

利用固定床反应器,研究了几种低挥发分煤种燃烧过程中的NO释放规律。试验结果表明,随来流O2的增加,NO生成峰值有所升高,但是峰宽变化不大,同时NO转化率随O2的增加而提高;当温度升高时,NO生成峰值有明显提高,挥发分析出燃烧提早,但是NO转化率反而随温度升高而降低;随着煤粉粒径的减小,燃烧过程中NO转化率先是随之降低,但达到一定细度后再减小煤粉粒径,NO转化率不但不降低,反而随着粒径的减小而升高。     

考虑碳烟还原NO反应的煤粉燃烧仿真模型

为准确预测煤粉燃烧中NO_x生成与还原,在数值仿真模型中,将碳烟引入煤粉的热解过程,考虑碳烟对NO的还原作用,此外在燃料型NO_x模型中将HCN氧化速率设置为De Soete推荐值的13倍.采用国际火焰燃烧协会IFRF的试验结果对模型进行验证,结果表明,改进后的数值计算模型能够显著提高对燃烧器出口附近x=0.15平面处NO体积分数变化的预测精度,而其他数值计算模型在该平面处的NO体积分数计算结果普遍偏低.     

生物质挥发分燃烧NO生成规律研究

生物质燃料在燃烧过程中燃料氮会转化为NO释放,而生物质中绝大部分的燃料氮在热解过程中以挥发分氮的形式释放,因此挥发分氮对于NO的生成极为重要。为探究生物质挥发分燃烧生成NO的规律,在水平管式炉反应器及Chemkin仿真模拟上研究了不同生物质、不同温度、不同氧浓度对挥发分NO生成的影响。试验结果表明:生物质含氮量越高,挥发分NO的转化率越低;挥发分NO的转化率随温度上升先增加,在800℃达到峰值后略微减小;氧浓度越高,挥发分NO的转化率越高。该结论有助于理解生物质挥发分燃烧生成NO的规律,对采取合理措施降低NO排放有积极意义。     

高灰低挥发分煤空气分级燃烧特性研究

为降低高灰低挥发分煤在燃烧过程中产生的NOx,在研究化学渗透脱挥发分热解模型的基础上,利用气相燃烧的简化机理对计算流体动力学软件模拟煤粉燃烧过程进行改进,并进行空气分级燃烧工况的数值模拟,着重分析高灰低挥发分煤空气分级燃烧的控制机制。通过与未分级燃烧进行比较,发现高灰低挥发分煤采用空气分级燃烧,可以形成还原性气氛来抑制NOx生成,但存在煤粉着火滞后和NOx排放量较高等问题。     

基于数学建模的煤粉加热炉燃烧状态模拟研究

以获取准确的煤粉燃烬率，掌握煤粉加热炉燃烧状态为研究目的，提出基于数学建模的煤粉加热炉燃烧状态模拟方法。通过构建连续性方程、能量方程、动量方程、湍动能耗散率方程以及湍动能方程，描述煤粉加热炉内煤粉的燃烧过程。将煤粒在加热炉中的燃烧过程分为两个阶段，第一个阶段为热解挥发阶段，第二个阶段为残碳氧化阶段，依据双挥发反应模型构建热解挥发模型，对原煤热解挥发过程进行模拟。设置边界条件，进行实验研究，结果表明：颗粒粒径与煤粉燃烬率之间呈反比关系，温度与煤粉燃烬度之间成正比关系。所提方法的模拟结果与实际结果之间的拟合度较高，说明其模拟结果更加准确，可以促进工业加热中煤粉加热炉燃烧状态优化。     

单颗粒煤粉着火特性的数值分析

建立了模拟静止的单颗粒煤粉着火燃烧过程的气相和固相耦合的质量、组分和能量守恒方程组,采用不同脱挥发分模型研究了不同热力氛围下单颗粒煤粉的着火延迟时间和着火模式等特性．基于热力着火理论的煤粉异相着火和均相着火判据,确定了不同热力氛围下煤粉颗粒发生着火模式转变的临界参数．结果表明,采用化学渗透脱挥发分(CPD)模型预报的煤粉着火延迟时间比双挥发反应模型更加准确．在21%的氧气体积分数下,环境温度为1 500 K时,煤粉着火模式发生转变的临界粒径为150μm;环境温度为1 100 K时,其临界粒径为300μm.     

燃煤链条炉排工业锅炉燃烧数值模型研究

针对燃煤链条炉排工业锅炉的燃烧过程中床层内部存在复杂的传热、传质及物理化学反应过程等特点开发了三维床层和炉膛耦合的燃烧数值计算模型,模型包含了煤燃烧过程中水分蒸发、挥发析出、气相反应、焦炭燃烧和传热传质等基本的化学物理过程,同时考虑了大粒径煤颗粒内部的非等温传热特性,并通过实验测试与数值模拟对数值模型进行校核,实验结果与模型计算吻合得较好,从而验证了计算模型的准确性。燃煤链条炉排工业锅炉燃烧数值模型的建立为实现燃煤工业锅炉的优化设计和运行指导提供了先进的设计手段和理论支持。     

运用示功图预测和分析汽油机NO生成特性

本文针对汽油机提出了一种用示功图数据作为输入的双区分析性模型。它不仅可计算出燃烧过程中NO 生成规律还可同时求得已燃区平均温度及燃烧放热率,根据这些信息我们可以揭示出汽油机燃烧特性与NO 生成特性之间的内在联系。此外,作者以实例论证了这种模型作为汽油机NO 生成特性的预测和分析工具是可行的。     

不同过量空气系数下层燃炉煤层NO_x析出特性研究

层燃炉燃煤特性和煤粉炉燃煤特性差异很大,为了了解过量空气系数对层燃炉NOx析出特性的影响,在层燃单元体炉上进行了不同过量空气系数下煤层表面NOx析出特性的对比实验。发现增大过量空气系数可强化燃烧,加快火焰锋面传递,提高燃烧温度;在挥发分析出阶段促进挥发分析出,增强还原性气氛,抑制NOx生成;在焦炭燃烧阶段提高氧浓度,促进NOx生成,降低了焦炭对NOx还原效果。     

超超临界锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

采用计算流体力学软件PHOENICS，选择合理的数学模型，对1台1000 MW超超临界单炉膛双切圆煤粉炉内的燃烧过程进行数值模拟．着重研究了单炉膛双切圆燃烧特性、炉内焦炭燃烧特性及NO生成特性。结果表明：燃烧器前后墙布置导致炉内气流呈椭圆形，NO生成总体水平较低，焦炭燃尽效果较好，但在炉膛高度方向40m以上的区域，烟气高温区及大量未燃尽焦炭偏向前墙附近，且未燃尽焦炭在辐射屏区逐渐燃尽。针对这一问题提出了解决方案，结果表明：改进后的工况明显提高了焦炭的燃烧速度．使其在屏区以下基本燃尽，NO2排放量也有所降低。     

基于OH-PLIF测量技术的煤粉射流火焰着火燃烧特性

在光学诊断型煤粉燃烧器系统上研究煤粉着火燃烧特性,利用ICMOS相机捕捉射流火焰总光强信号、自发辐射信号以及PLIF荧光信号,根据获得信号的品质,判断各种测试手段的优缺点.计算射流火焰总光强和PLIF荧光信号的着火延迟时间,分析PLIF测量手段的可靠性,结合OH-PLIF技术的瞬态图像,以及着火延迟时间的变化规律,分析射流火焰挥发分着火及燃烧特性.研究结果表明,颗粒群着火是挥发分先析出着火燃烧,然后加热焦炭颗粒燃烧的过程.