煤粉颗粒团燃烧过程的数值模拟

煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧,颗粒内部传热传质机理复杂。本文根据多孔介质的传热传质学理论,引入对流项,建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型,并对不同孔隙率的煤粉团的燃烧过程进行了对比计算,计算结果合理,揭示了孔隙率对煤粉团着火燃烧的影响,为深入研究煤粉团燃烧特性打下基础。     

煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响

采用Ｍａｌｖｅｒｎ 公司的马尔文粒度仪测量煤粉颗粒的平均粒度和粒度分布、及Ｌｅｃｏ 公司的ＭＡＣ－ ５００ 型工业分析仪测量煤粉的工业分析成分, 对合山劣质烟煤、晋城贫煤的各４ 种不同粒径的细化和超细化煤样进行了试验研究, 应用库仑滴定法测定了煤粉颗粒粒度对煤质全硫元素分析的影响． 结果表明, 煤粉颗粒粒度对煤质分析特性有很大的影响, 并进一步影响煤粉的热解、着火、燃烧等特性． 煤粉颗粒粒度是进行煤质分析与燃烧系统设计的重要物理参数．     

煤粉射流中颗粒团的传热及其对着火行为的影响

建立描述煤粉射流中典型尺寸颗粒团的传热及着火过程的瞬态数学模型,考察其在高温环境中的升温特性和着火行为。模型计算发现,颗粒团的升温过程与颗粒团尺寸明显相关,对流换热份额随着颗粒团当量直径Dc的增加而下降。在火焰温度Tf=2 000 K、烟气温度T)s=1 400 K的条件下,对于D_c=3 mm的颗粒团,对流换热量Q_(conv,sc)占总换热量的86%;Dc=10 mm时,辐射换热量Q_(rad,fp)占到60%;而D)c≈8 mm时,对流换热与辐射换热量相近。火焰辐射温度T_f的升高降低了对流换热份额,并使得Q_(conv,sc)=Q_(rad,fp)对应的临界D_c,即D_c*减小。T)f对D_c较小的颗粒团的加热和着火影响较小,对D_c较大的颗粒团的影响明显。烟气温度Ts升高时,对流换热份额升高,D_c*增大。T_s在D_c较小时对着火时间影响较大,而D_c较大时影响不再明显。煤粉浓度增加时,颗粒团着火时间先明显下降,在0.6~0.8 kg/m~3的范围内达到最小值,而后随着煤粉浓度的进一步增加而略微增加。     

燃烧煤粉颗粒的粒度速度测量方法

基于煤粉火焰辐射特性,提出了蓝色背光照明成像的方法,可以避免或减少火焰自发光的影响,直接获得单个固体煤颗粒的静态或动态影像。采用单帧长曝光的测量方法,从煤粉颗粒的运动轨迹中同时获得燃烧中煤颗粒的粒度和速度。在基于Mc Kenna燃烧器的平面火焰携带流燃烧器系统中,用工业相机对煤粉燃烧进行实验研究,并获得了燃烧器出口不同距离处燃煤颗粒的粒度和速度信息。紧邻出口的粒径测量结果与送入给料器前的煤样筛分粒度范围相符,粒度和速度随高度变化的趋势也证明了该方法的可行性。该方法的提出为煤粉燃烧过程的可视化测量研究奠定了基础。     

瓦斯煤粉耦合体系着火实验研究

为研究煤矿井下瓦斯、煤粉、空气3成分体系的着火特性,在改进的粉尘云最低着火温度测试装置(G-G furnace)内,选取4种煤样进行瓦斯与煤粉耦合条件下的引燃实验研究。 实验结果表明：当有煤粉存在时,瓦斯-煤粉-空气3成分耦合体系的最低着火温度（MIT）均低于瓦斯、煤粉的最低着火温度,且煤粉粒径越小、煤粉挥发分越大,耦合体系的最低着火温度下降的越多。D50≈25 μm的1号煤样使得耦合体系的着火温度比瓦斯低340 ℃,比煤粉低110 ℃。说明煤矿井下电气设备按纯的甲烷气体进行防爆温度设计和选型,若不考虑煤粉的影响,具有引燃瓦斯-煤粉-空气3成分耦合体系的风险,需加以完善和改进。     

煤粉自然发火临界参数的影响因素与预测

煤粉广泛应用于火电、化工及冶金领域,在制备及输送过程中,由于氧化活性增强极易自然发火并诱发燃爆事故,严重威胁作业人员生命安全。为预防煤粉灾害事故发生,研究最低着火温度对应着火延迟时间等关键临界参数的影响因素及预测具有重要义。通过搭建煤粉自然发火演化试验系统,采集硫磺沟矿和红柳矿的2种变质程度煤粉,并放置于反应池进行恒温氧化试验,分析了煤粉自然发火临界参数影响因素;同时建立了煤粉自然发火临界参数数学预测模型,对煤粉自然发火临界参数进行预测。结果表明:氧浓度和堆积厚度是影响煤粉自然发火临界参数的重要因素。煤粉的最低着火温度和对应着火延迟时间随氧浓度的降低显著增加,氧浓度降低抑制煤粉活性结构与氧气反应,减缓煤粉的升温速率,进而增加煤粉的最低着火温度和着火延迟时间。随着煤粉堆积厚度的增加,煤粉氧化释放的热量更容易蓄积,煤粉的最低着火温度逐渐降低,最大降幅可达34℃。而煤粉堆积厚度的增加可减缓氧气进入煤粉内部的扩散率,对应着火延迟时间表现出增加趋势。利用线性回归方法建立了数学预测模型,可用于计算煤粉自然发火临界参数,为煤粉自然发火引发爆燃事故防控提供了依据。     

超细煤粉着火特性的热重分析

采用热重法,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性和燃烧特性的影响.实验结果表明,减小煤粉粒度,增大氧气浓度有利于降低煤粉着火温度,增大煤粉的燃烧速率,提高超细煤粉燃烧性能.升温速率对煤粉的燃烧特性也有影响,随着升温速率的提高超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高.     

煤粉燃烧时富氧部分气化对NOx生成的影响研究

燃煤锅炉运行中氮氧化物(NO_x)初始排放浓度高,影响其系统运行的经济性。为减少煤粉燃烧NO_x的生成量,从源头控制NO_x,提出了煤粉富氧部分气化耦合燃烧的低氮燃烧技术思路。煤粉在燃烧器内低过量空气系数和富氧气氛条件下生成强还原性气体,并通过炉膛分级配风实现控制煤粉燃烧初始NO_x排放的目的。数值模拟,气相反应模型采用有限速率/涡耗散(FR/ED)模型,考虑了煤粉在气化反应中涉及的反应动力学机理,更适合于煤粉富氧部分气化反应模拟。结果表明:采用氧体积分数为25.9%的富氧气氛时,燃烧器内反应进行程度明显提升,燃烧器内温度由897℃升至1 007℃,燃烧器出口温度由1 255℃升至1 356℃,CO体积分数由5.48%升至7.17%,碳转化率由61.54%升至86.27%。7 MW双锥燃烧器的富氧试验结果验证了数值模拟的结论,燃烧器内采用合适的氧浓度和过量空气系数,可形成强还原性气氛;燃烧器内过量空气系数越低,燃烧器出口CO和CH_4等还原性气体的浓度越高,燃烧器内空气中氧体积分数由21.0%升至28.3%时,燃烧器出口中心处CO体积分数由9.540%提高至20.258%,燃烧器出口NO_x生成量为0。工业现场试验结果表明,富氧部分气化和空气分级均能起到降低锅炉NO_x初始排放的作用,两者结合低氮效果更好,在富氧比例为28.3%、分级配风比例为41.2%时,锅炉NO_x初始排放质量浓度可由546 mg/m~3降至159 mg/m~3。     

基于遗传算法优化的煤粉着火温度BP神经网络预测模型

采用遗传算法（GA）对BP神经网络（结构和初始权值、阈值）进行了优化，获得了影响煤粉着火温度预测的主要煤质指标（M_ad，A_ad，V_ad，O_ad），建立了优化的煤粉着火温度BP神经网络预测模型．对20个校验样本的预测结果表明：预测值与试验值的平均相对误差为0.29%，均方差为59.29，达到了较高的预测精度．     

细煤粉燃烧特性的热分析研究

 采用热天平研究了细化鹤岗煤样的燃烧特性,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对细化煤粉燃烧特性的影响。结果表明：在氧气充足,较慢的升温速率,粒度低于60μm的条件下,小粒度煤粉的燃尽性能优于大粒度煤粉,并且粒度的增加可使细煤粉的综合燃烧特性变差;升温速率的提高可使细煤粉的最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高,有利于改善细煤粉的燃尽性能和综合燃烧特性;氧气浓度低于20％时,氧气浓度的增大可以改善细煤粉的燃尽特性和综合燃烧特性。     

煤粉性能及其燃烧控制对石灰回转窑结圈的影响

涟源钢铁公司田湖铁矿石灰石回转窑结圈问题，严重影响了回转窑的运转率、石灰的质量和产量。本文通过结圈物的矿相鉴定，从煤的质量、灰分性能、煤粉的燃烧过程及燃烧的控制等方面，阐述了这些因素对回转窑结圈的影响，并提出了相应改进措施。     

风粉流动特性对煤粉燃烧影响的试验研究

为了研究风粉流动特性对煤粉燃烧的影响,以带预燃室的逆喷旋流燃烧器为对象,利用14 MW煤粉燃烧试验台架对逆向射流和直流2类进入方式进行热态台架研究。基于高温热电偶、烟气分析仪和高速摄像机3种测量手段,获取温度、组分体积分数、火焰形态尺寸数据,结合煤粉燃烧基础理论分析不同区域的燃烧过程,揭示了不同风粉流动特性下煤粉燃烧的差异。研究结果表明:风粉逆向射流和直流进入时,煤粉在预燃室内实现稳燃低氮,且避免高温腐蚀结渣现象,其差异为预燃室内煤粉燃烧份额及预燃室外火焰行程。在预燃室内,逆向射流的煤粉停留时间长,与旋流内二次风混合充分,温度最高为1 255℃,O₂径向衰减过程中平均下降速率为0.139%/mm,形成环状还原性气氛区域,CO体积分数超过50 000×10^-6,煤粉燃烧份额较高同时抑制NO_x生成;直流的煤粉停留时间短,与旋流内二次风混合弱,温度最高为1 096℃,O₂平均下降速率在上游为0.135%/mm,下游为0.080%/mm,形成中心还原性气氛区域,CO体积分数同样超过50 000×10     

煤粉工业锅炉燃烧的数值模拟

为了更好地把握锅炉的性能,应用Fluent软件对某新型高效煤粉工业锅炉内的燃烧过程进行了三维数值模拟.采用非预混燃烧模型模拟化学反应过程,用P-1辐射模型计算辐射传热,用Realizable κ-ε湍流模型模拟气相运动,对固体颗粒相的求解采用随机轨道模型.模拟所得到的炉内温度场、离散相和连续相轨迹分布合理,温度场和实测值较为吻合.模拟结果表明,通过适当降低锅炉的负荷,能够进一步改善煤粉燃烧温度场分布.     

煤粉颗粒中矿物分布特征及其对飞灰特性的影响

利用ＳＥＭ－ＥＤＡＸ研究了分别燃用褐煤,烟煤和无烟煤的３个电厂入炉煤粉中矿物分布与飞灰显微结构特征,在煤粉颗粒中划分出独立矿物和细分散状矿物两种类型,后进一步分出以粘土矿物为主（Ａ）、以黄铁矿为主（Ｂ）和粘土矿物与黄铁矿共生（Ｃ）３种亚型,而褐煤粉粉中这３种亚型又与微粒状方解石和有机结合态钙离子共生,研究表明,除以独立矿物存在的石英和粘土矿物转化为飞灰中不规则颗粒外,其它类型矿物主要形成球形闰,细分散矿物中亚型Ａ形成硅铝质颗粒、亚型Ｂ和Ｃ形成铁质颗粒,而褐煤中细分散矿物形成钙质颗粒;高挥发分具粘结性有机组分中的细分散矿铁质颗粒,而褐煤中细分散矿物形成钙质颗粒,高挥发分具粘结性有机组成中的细分散矿物趋于成空心微珠,而其它有机组分中的细分散矿物容易形成了子母珠和实心微珠。     

不同燃烧压力下煤粉富氧燃烧特性试验研究

为了研究不同燃烧压力下煤粉的富氧燃烧特性及烟气成分,运用加压固定床燃烧反应试验系统对不同燃烧压力下的煤粉进行了富氧燃烧试验,结果表明：随着燃烧压力的增大,燃烧中心的温度也随之增大,当燃烧压力大于3.0 MPa时燃烧中心的最高温度不再明显增大,维持在750 ℃左右;随着燃烧压力的增大,煤粉的着火时间不断缩短,煤粉的燃尽时间先减小后增加,当燃烧压力大于3.0 MPa时,煤粉的着火时间与燃尽时间随着压力的增大不再发生明显的变化;随着煤粉的燃烧,O₂浓度先下降后上升,最后达到进气浓度,当燃烧压力大于3.0 MPa时,O₂浓度在前3 min内的降速较快,说明在此工况下的煤粉燃烧剧烈;CO₂浓度先下降后上升再下降达到进气浓度;CO浓度先上升后下降,随着燃烧压力的增加,燃烧过程中产生的CO浓度降低。     

Na，K添加量对超细煤粉燃烧特性的影响

利用热天平,通过对不同Na,K含量脱灰煤粉样品燃烧特性曲线的分析,研究了Na,K含量对铁法超细脱灰煤粉燃烧特性的影响.实验结果表明: Na,K对超细脱灰煤粉的燃烧具有明显的促进作用,不同Na,K含量脱灰样品的TG,DTG曲线均在原煤的下方,随Na,K含量的增加,脱灰样品的着火温度降低,达到最大失重速率的温度降低,对样品500 ℃时的燃尽率也有明显提高.因此,可以认为Na,K对挥发分的析出、着火以及固定碳的燃烧都具有催化作用,但过量的Na严重抑制煤粉的燃烧.     

二次风口个数对煤粉燃烧器燃烧效率的影响

为探究煤粉燃烧器结构参数对燃烧效率的影响,并对煤粉燃烧器结构参数进行优化。通过单因素改变煤粉燃烧器二次风口的个数,利用Fluent软件对煤粉燃烧器内部场进行燃烧模拟,综合运用化学动力学模型和湍流燃烧模型描述燃烧器内复杂流动,以温度场、挥发分浓度场、CO质量分数分布和燃尽率等作为评价标准,分析随二次风口个数增加,煤粉燃烧器的燃烧状况变化,总结不同二次风口个数条件下燃烧器内流场的燃烧规律。最终得到结论:二次风口个数为8个时,煤粉燃烧器燃烧效率较高。     

煤粉性能及其燃烧控制对石灰回转窑结圈的影响

涟源钢铁公司田湖铁矿石灰石回转窑结圈问题,严重影响了回转窑的运转率、石灰的质量和产量。本文通过结圈物的矿相鉴定,从煤的质量、灰分性能、煤粉的燃烧过程及燃烧的控制等方面,阐述了这些因素对回转窑结圈的影响,并提出了相应改进措施。     

煤粉粒度对神华煤热解及燃烧特性的影响

采用瑞士梅特勒公司生产的TGA/SDTA851e热重分析仪器研究了4种不同煤粉粒度神华煤的热解、燃烧特性,考察了粒径及升温速率对热解和燃烧的影响。采用不同的升温速率制取两组焦样,进行热天平燃烧实验。用特征温度表征燃烧过程特性,分析燃烧规律的变化。实验结果表明,随着制焦时煤粉粒径的减小,煤焦的着火温度提前,燃烧的剧烈程度增加,燃烧的稳定性和燃烬程度得到了改善。由于挥发分的存在,煤粉燃烧过程中粒径对于难燃质燃烧的影响较小。     

几种氯化物对高炉喷吹用煤粉燃烧性能的影响

为了提高高炉喷吹煤粉的燃烧率,分析了Ca Cl2,Mg Cl2,Na Cl和Fe Cl3添加剂对高炉喷吹用煤粉燃烧性能的影响,得到各物质添加量对煤粉燃烧率的影响规律。结果表明,适量的Ca Cl2,Mg Cl2,Na Cl和Fe Cl3均能改善高炉喷吹用煤的燃烧性能。当Ca Cl2和Mg Cl2添加量小于1%、Fe Cl3添加量小于2%时,煤粉燃烧率分别随Ca Cl2,Mg Cl2和Fe Cl3添加量的增加而提高;继续增加各物质的添加量,煤粉燃烧率均下降;煤粉燃烧率随Na Cl添加量的增加而提高。与原煤燃烧后产生的未燃煤粉相比,加入氯化物添加剂后高炉喷吹用煤的未燃煤粉颗粒均变得不规则,且粒度明显减小。综合考虑,高炉喷吹用煤粉中Ca Cl2和Mg Cl2适宜的添加比例均为1%,Fe Cl3适宜的比例为2%,Na Cl的添加比例应小于1%。为改善高炉喷吹用煤粉的燃烧性能,4种氯化物添加剂优的先选用顺序为Fe Cl3,Ca Cl2,Mg Cl2和Na Cl。