一种新型低氮燃气燃烧器的数值模拟研究与试验验证

随着我国氮氧化物排放标准的不断收紧,燃气锅炉氮氧化物排放质量浓度被限制在50 mg/m³以下,这对工业燃气燃烧器提出了很大的挑战。分析了燃烧过程中NO的生成机理及影响因素,总结了常用的低氮燃烧技术,介绍了我国燃气燃烧器发展历程。针对国产低氮燃烧器研发的迫切需求,提出了新型低氮燃烧器设计方案,通过一级燃气管、二级燃气管、烟气再循环(FGR)烟罩、旋流器等部分的结构设计,充分利用分级燃烧与烟气再循环方法,达到了控制氮氧化物排放的目的。同时利用数值计算软件开展了相关模拟计算,计算结果显示新型低氮燃烧器具有优良的性能参数。利用燃烧器样机开展了热态试验,试验结果表明其具有良好排放特性及负荷调节性能。提出的方案为国产新型低氮燃烧器的开发提供了新思路。     

预混燃烧数值模拟与结构改进

对煤气-空气预混燃烧进行了数值模拟,通过模拟研究了燃烧器的结构对煤气-空气预混效果的影响,优化了燃烧器的结构,使煤气-空气预混效果达到最佳。模拟结果与实际燃烧过程情况相符。     

立体分级低NOx燃烧系统数值模拟

立体分级低NOx燃烧系统,由低NOx燃烧器的燃料水平分级和高位燃尽风空气垂直分级技术有机耦合而成.本文利用CFD平台,对采用了立体分级低NOx燃烧系统的200 MW四角切圆锅炉燃烧和NOx排放特性进行了模拟,得到了炉膛内烟气温度场和燃烧产物的组分浓度分布,并对均等配风工况下的温度、氧量和NOx排放浓度与试验值进行对比,发现模拟值与试验值符合较好,验证了模型的合理性.同时,对比了主燃区二次风均等配风与倒塔配风两种配风方式对炉内燃烧和NOx排放特性的影响.结果表明,均等配风更利于降低NOx的排放,研究为立体分级低NOx燃烧系统改造效果的预报和应用提供重要参考依据.     

200MW锅炉低氮燃烧数值模拟

低氮氧化物燃烧技术是控制NOx生成的技术.低氮氧化物燃烧技术包括:低氮氧化物燃烧器、空气分级技术和再燃技术.目前运用最广泛的就是空气分级燃烧技术,文中对某200 MW机组锅炉进行低氮燃烧改造,确定了燃烧器主要的结构参数.在计算流体力学软件FLUENT平台上,利用ICEM软件建模并划分的网格对该200 MW机组锅炉进行低氮燃烧的数值模拟计算,得到空气分级燃烧之后的炉内温度场、NO浓度场,得出结论:采用空气分级技术后,NO排放量显著降低.锅炉满负荷运行时,通过空气分级燃烧,取得了37.89％的NOx脱除率.     

微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟

联合使用CFD软件、FLUENT和化学反应动力学软件DETCHEM对甲烷—空气混合物在有逆流换热的微燃烧器内的催化燃烧进行了数值模拟。计算中只考虑了甲烷在催化表面上的反应。燃料一空气混合物的当量比为0．4,燃烧器外壁面分剐采用等温边界条件和与环境的对流换热边界条件,并比较了这两种边界条件对可燃混合气燃烧的影响。计算结果表明,催化燃烧可以实现常规方法无法实现的甲烷低温、高效转变。     

Swiss-roll型微燃烧器的燃烧数值模拟

建立了Swiss-roll型微燃烧器的燃烧模型,采用FLUENT软件对微燃烧器中甲烷/空气的燃烧特性进行了数值模拟,研究了甲烷/氧气的当量比为1时流速不同对微燃烧器内燃烧的影响。计算结果表明,Swiss-roll型微燃烧器有利于甲烷在微燃烧室内的充分燃烧。     

低NOx燃烧器燃烧特性的数值模拟

研究对350MW电站锅炉采用低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器的燃烧过程进行了数值模拟.数值分析结果表明炉内的最高温度出现在燃烧器上部附近,在此区域,锅炉采用低NOx燃烧器的火焰中心温度比常规燃烧器的要高出100℃多,而对应2种燃烧器的截面平均温度沿炉高没有明显的区别;燃烧器区域的截面温度场呈现出马鞍形分布,即炉膛中心和炉壁附近的温度较小,其二者中间环形区域的温度最高;周期性变化的一次风喷嘴截面的火焰平均温度较高,二次风喷嘴截面的火焰平均温度较小,二者相差300℃左右,炉膛的切圆直径在燃烧器上部附近最小,在燃烧器区域,切圆直径几乎为常数,在燃烧器的上部和下部区域,炉膛截面的切圆直径较大;低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器所对应的切圆直径,在燃烧器的上部附近,低NOx燃烧器相应的切圆直径要大一些,在其它的区域中二者相应的切圆直径没有明显的区别.     

400 t/h煤粉锅炉分级送风低NOx燃烧数值模拟

利用商业软件Fluent6．1对天生港电厂400 t/h燃煤锅炉分级送风低NOx改造进行数值模拟,给出原工况以及4种预改造工况下炉膛内的温度场和NOx的浓度分布,通过比较其降低NOx排放的效果、机械未完全燃烧损失q4、出口烟温等因素,预测分级风改造中的风量配比等问题．将其结果与实际运行结果进行比较,发现采用分级送风可降低NOx排放,降幅可达30％以上,NOx排放浓度的预测值与实际测量值基本相符,因此,该方法可以作为锅炉燃烧器低NOx改造的预测工具．     

煤粉燃烧过程中NOx生成的数值模拟

本文提出用有限反应速率２阶矩封闭模型来模拟湍流对煤燃烧过程中ＮＯｘ生成的影响。     

燃气燃烧器燃烧特性的数值模拟

运用Fluent软件对40 t/h锅炉用燃气燃烧器进行三维数值模拟,研究进风量对燃烧器性能及污染物NOx排放特性的影响。结果表明:合适的进风量是保证燃烧器稳定燃烧的重要条件,也是减少NOx排放的关键因素。数值模拟的计算结果为燃烧器优化设计、改造提供了参考依据。     

电厂锅炉立体分级低氮燃烧改造

某自备电厂#1、#2机组锅炉燃烧器NOx排放值在500~600 mg/Nm3之间,为达到国家标准,采用水平与垂直方向分级而形成立体分级燃烧技术进行改造。改造后经测试,在300 MW负荷,省煤器出口含氧质量分数ω(O2)3.5%的前提下,NOx排放≤350 mg/Nm3[ω(O2)=6%],飞灰含碳量不大于改造前的水平,改造效果显著。     

喷射式燃烧器气体流动与燃烧数值模拟

对一国产30kW车用喷射式加热器的燃烧器内气体流动与燃烧进行了数值模拟。由计算分析知．燃烧器导流体切向进气道所进空气射流可加强混合气的混合燃烧,并在导流体底部形成一绕中心轴线的涡流环,因该涡流环中心存在低压,从而可使部分下游燃烧的高温气体在燃烧室尾部缩口的配合下向中上游回流。该回流在燃烧室中下游产生一个绕燃烧室中心轴线的回流环,该回流环既可使高温回流气体维持燃烧器的续燃温度．同时还可加速混合气的燃烧。但从燃烧室的温度场分布图看,其高温区有所偏后,这对燃烧室在不同空燃比下的续燃稳定性不利．且易造成排气温度过高,使热效率下降．因此燃烧室缩口须适当前调．以使回流区前移。     

燃烧器燃烧流场与污染物排放的数值模拟

针对一种新型燃烧器,利用FLUENT软件,对其内部三维燃烧流场进行了数值模拟.计算采用RNGk-ε双方程湍流模型、PDF燃烧模型以及离散坐标辐射传热模型,液体燃料采用颗粒群轨道模型,模拟了不同过量空气系数和不同负荷工况下的燃烧流场,并对NOx排放进行了预测.根据所得到的模拟结果分析了影响燃烧的因素,为此新型燃烧器的研制提供了理论指导.     

单只文丘利油燃烧器出口气液两相流动与燃烧的数值模拟

针对选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉中液雾燃烧的特点,提出了一种数值模拟分析模型及处理方法,据此数值模拟了某单只文丘利油燃烧器出口的气液两相流动与燃烧,给出了流中的速度场,温度场以及浓度场的分布信息,这些结论可为该型燃烧油锅炉的进一步设计和运行以及燃烧室的布置提供有益的依据。     

660MW旋流对冲锅炉低NO_x燃烧优化数值模拟

对一台660 MW旋流对冲锅炉在不同层燃烧器组合运行工况下进行了炉内流动、燃烧和NOx排放特性的数值模拟,模拟结果与试验值相对误差小于10%。模拟结果表明:额定负荷时,5层燃烧器运行,停前墙和停后墙同层燃烧器时NOx排放和飞灰含碳量基本相同;停上层燃烧器相比于停中层燃烧器,空气分级效果强化,煤粉颗停留时间增加,NOx和飞灰含碳量分别降低9.5%和9.8%,在锅炉实际运行过程中,停上层燃烧器更有利于降低NOx排放和提高燃烧效率。     

等离子燃烧器燃烧特性的数值模拟

结合煤粉锅炉等离子燃烧器的结构特点,用数值仿真软件Fluent对套筒式等离子燃烧器的内燃特性进行了二维流动数值模拟,计算了一次风从燃烧器的等离子点火区到炉膛内的燃烧特性,并与实验和工程应用结果进行了比较。模拟结果表明:在等离子燃烧器喷口形成了“粉包火”的着火工况,降低了燃烧器喷口温度,改善了燃烧器的工作环境。该燃烧模拟结果与等离子燃烧器在某600MW机组现场应用以及在等离子热态试验台点火试验的结果基本吻合。图6表2参3     

低NO_x旋流燃烧器的数值模拟

HT-NR3型低氮旋流燃烧器在我国大型电站锅炉中应用较多,但很多采用HT-NR3型燃烧器的锅炉侧墙水冷壁经常发生严重的高温腐蚀问题。文中通过数值模拟的方法研究了该旋流燃烧器的火焰和污染物排放特点,分析了燃烧器外二次风叶片角度对NOx的排放和水冷壁腐蚀之间的关系。模拟结果表明:燃烧器炉膛出口处焦炭颗粒的浓度、回流区的尺寸在叶片角度为45°时分别达到最小和最大。在叶片角度为45°时煤粉颗粒燃尽情况较好,因而在不考虑灰分的情况下,能够减少颗粒物对水冷壁的冲刷。炉膛出口处的NO浓度的统计显示,45°叶片时较其他两个工况的NO浓度稍高。     

循环流化床锅炉低氮燃烧的CPFD数值模拟

针对某75 t/h循环流化床锅炉炉膛出口NOx排放超标问题进行分析探讨,以合理的低氮燃烧控制技术为主,辅以SNCR烟气脱硝技术,争取达到NO x超净排放要求。采用CPFD计算方法对循环流化床锅炉炉膛内的气固流动和燃烧特性进行数值模拟,运用低过量空气燃烧法和空气分级技术对锅炉进行低氮燃烧控制,研究一、二次风配比、二次风射流、过量空气系数、循环倍率和颗粒粒径等因素对炉内燃烧及NO x排放的影响。结果表明:通过低氮燃烧控制后,炉内速度场和温度场分布均匀,炉膛出口处烟气流速增加,炉膛平均烟温和出口氧浓度降低,还原性气体CO浓度和优化前基本相同,炉膛出口NOx浓度降低,减排效果显著,为以后的锅炉运行提供实际指导经验。     

切向燃烧电站锅炉采用综合空气分级燃烧技术的数值研究

切向燃烧的电站锅炉将水平浓淡低NO_x燃烧器与顶部燃尽风同时使用,即综合空气分级燃烧技术,可有效地降低NO_x排放。对350 MW电站锅炉数值计算结果表明:常规直流煤粉燃烧器改造成低NO_x燃烧器,可降低NO排放浓度7%;对于同一种燃烧器采用OFA可降低NO排放浓度9%;同时使用低NO_x燃烧器和OFA,可降低NO排放浓度18%。水平浓淡低NO_x燃烧器与周界风偏置等设计,在提高燃烧稳定性、预防炉壁结焦腐蚀等方面有诸多优点。对造成的飞灰含碳量增加,本文给出了合理的指导建议。     

钝体燃烧器湍流预混燃烧的数值模拟

采用湍流火焰封闭燃烧模型(TFC)模拟了钝体燃烧器的湍流预混燃烧,比较了基于火焰褶皱率和湍流燃烧速度2种源项解法对钝体预混燃烧的预测,对3个不同湍流燃烧速度表达式模拟的性能进行了比较,采用粒子成像测速技术(PIV)测量了燃烧器中心射流出口的速度分布,并将其作为边界条件代入计算.结果表明:不同湍流燃烧速度公式的计算结果在火焰刷厚度、位置及火焰前锋位置方面存在较大差别;Gulder公式的计算结果最接近试验数据,火焰刷厚度与试验结果吻合较好,但火焰刷位置与试验结果差别较大;Dinkelacker的火焰褶皱率模型主要模拟燃烧器在高压条件下的燃烧,在运行压力接近标准大气压的情况下,计算结果与试验值存在较大误差.