天然气再燃降低NOx排放的三维数值模拟

大连理工大学硕士学位论文天然气再燃降低NO,x排放的三维数值模拟姓名：王惠申请学位级别：硕士专业：化工过程机械指导教师：毕明树20080607天然气再燃降低NO,x排放的三维数值模拟作者：王惠学位授予单位：大连理工大学相似文献(3条)1.学位论文刘彦O,2/CO,2煤粉燃烧脱硫及NO生成特性实验和理论研究2004本文研究了O,2/CO,2气氛下煤粉燃烧特性、SO,2钙基脱除的直接硫化特性及NOx燃煤排放特性,并对燃烧过程进行了数值模拟,主要工作概括为以下六个方面:1.借用热重分析手段比较了空气和O,2/CO,2气氛下煤粉的燃烧特性,并就固硫特性作初步讨论.通过对莱阳煤、长广煤、太平煤三种煤种的着火温度、燃尽温度、及燃烧特性指数的分析,表明O,2/CO,2气氛下的燃烧优于空气,并从反应动力学数据得到证实.同时,借助定硫仪初步比较了煤粉在空气和O,2/CO,2两种气氛下的硫析出特性,结果表明后者脱硫效果有很大改善.2.分别以热重仪及沉降炉研究了中等温度(800℃~900℃)和较高温(900~1250℃)下空气和O,2/CO,2两种气氛钙基脱硫特性.在热重分析仪上考察了中等温度下温度、O,2和SO,2浓度、粒径等主要因素对直接硫化CaCO,3-SO,2过程的影响,并求取了反应的活化能.在沉降炉上考察了较高温下O,2/CO,2气氛中温度、Ca/S、不同CO,2体积浓度、炉内停留时间、过量空气系数、煤种等参量的影响.3.建立了高温条件下CaSO,4分解的吉布斯自由能与温度的函数关系,并求取了SO,2分解压力与分解温度之间的关系,在此基础上得到了CaSO,4高温热力学分解特性.并与直接硫化过程进行了对比,进而判断出O,2/CO,2气氛有利于阻止CaSO,4的热力分解.在热力学分析的基础上,借用热重分析评价CO,2、SO,2和O,2浓度对CaSO,4分解的影响,求取反应活化能.并采用不反应缩核模型比较O,2/CO,2-空气两种气氛下反应过程控制因素的变化特性.4.借助压汞孔结构分析、电镜扫描及热重分析等手段,研究了Na,2CO,3、K,2CO,3、Al,2O,3及Cs,2CO,3对CaCO,3微观孔结构性质及硫化转化的影响,结果表明:Na,2CO,3、K,2CO,3、Al,2(SO,4),3的加入优化了孔尺寸分布、增加了孔隙率和表面积,对直接硫化过程有促进作用.而Cs,2CO,3的作用正好相反.从灰熔点的分析得出Na,2CO,3的加入并没有导致结渣的加重.5.用沉降炉分析了O,2/CO,2煤粉燃烧中NOx的释放特性,得出煤粉燃烧过程O,2/CO,2气氛较空气下有助于抑制NOx的排放.考察了温度、不同煤种、过量空气系数对NOx生成特性的影响.并以甲烷等混气模拟了炉内气氛,分析了燃料氮、循环氮及两者同时存在对NOx生成的影响.6.根据煤粉燃烧条件,选取合适的模型,借助Fluent软件对沉降炉内空气-O,2/CO,2两种气氛下煤粉燃烧及NOx污染物生成特性进行数值模拟,得到了炉内温度分布特性、传热特性及污染物生成特性,并与实验数据作了比较.7.初步讨论膜分离制氧的基本原理和方法,提出为了推广O,2/CO,2煤粉燃烧技术的应用,开发高效低耗的膜分离制氧的方法成为必要.2.学位论文贾艳艳四角切圆燃煤锅炉超细煤粉再燃技术数值试验研究2008本文在对煤粉燃烧产生NOx污染物的原理、控制技术进行归纳总结与分析的基础上，以我国典型的四角切圆燃烧煤粉锅炉为研究对象，建立合理的数学模型和几何模型对超细煤粉再燃过程进行全尺寸三维数值模拟，系统地研究了再燃燃料特性和燃烧参数对NOx排放、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响规律。论文的主要工作和结论如下。(1)建立了模拟煤粉燃烧前期流场的数学模型，气相的湍流流动选择Realizablκ-ε模型，气相湍流燃烧使用混合分数概率密度函数模型，煤粉颗粒相流动采用随机轨道方法，挥发分析出模型为双竞争反应热解模型，焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型，用P-1辐射模型计算辐射传热。对四角切圆燃煤锅炉炉内热态流场进行了数值模拟，确定了其网格划分的最优方案，并且计算结果与实测结果基本相符，证明了上述数学模型和几何模型的有效性。(2)采用上述数学模型与NOx后处理模拟方法对四角切圆锅炉空气分级燃烧过程进行了数值模拟，探讨了OFA(火上风)风率和OFA喷口高度对NOx排放、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响，结果表明，增加OFA风率可以降低NOx排放值，OFA喷口高度h对于NOx减排存在一个最佳值。NOx浓度的数值计算结果与实测结果吻合，表明了采用NOx后处理模拟方法研究氮氧化物排放情况的可靠性。(3)煤粉再燃技术是在空气分级的基础上实现燃料分级，利用上述数学模型与三个煤粉再燃还原NOx模型对超细煤粉再燃过程NOx生成特性与飞灰含碳量进行了数值模拟，将模拟后所得计算结果与试验结果进行了比较，证明了动力/扩散控制焦炭燃烧模型对UBC预测的有效性，评估了三个煤粉再燃还原NOx模型的有效性及适用范围。结果表明，改进模型大大提高了模拟NOx的精确度。另外，通过分析超细煤粉再燃过程NOx的生成特性，表明了超细煤粉再燃具有一种减少NOx排放量较大的综合潜力。(4)利用合适的煤粉再燃还原NOx模型对全尺寸锅炉的不同粒度的超细煤粉再燃过程进行了三维数值模拟，考察了再燃区长度、再燃燃料投射位置、再燃煤粉粒径、再燃量及再燃区过量空气系数对NOx排放、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响。提出了燃烧工艺参数优化配置方案：对于不同粒度的安徽烟煤再燃煤粉，再燃燃料喷口相对高度h0存在同一最佳值，为0.210左右，再燃区过量空气系数存在同一最佳值，在0.8～0.9之间，此时NOx的脱除率达到最高；超细煤粉再燃量宜在10％～20％之间选择；在实际的工程应用中，可以在保证燃尽要求的基础上增大再燃区长度；再燃煤粉的平均粒径宜在20μm～30μm之间选择。结果同时表明，以超细煤粉作为再燃燃料，对NOx还原效果明显改善，并能大幅度降低飞灰含碳量，提高锅炉燃烧效率与热效率。(5)利用合适的煤粉再燃还原NOx模型对全尺寸锅炉的不同煤种的超细煤粉再燃过程进行了三维数值模拟，综合研究了燃料特性与燃烧工艺参数对NOx排放、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响。结果表明：在相同的条件下，褐煤再燃还原NOx的效果最好，其次是安徽淮南烟煤、神府烟煤、贫煤，无烟煤效果最差；在相同的条件下，褐煤再燃带来的飞灰含碳量最低，其次是安徽淮南烟煤、神府烟煤、贫煤，无烟煤再燃炉膛出口飞灰含碳量最高；对于不同煤种的超细再燃煤粉，再燃燃料喷口相对高度h0存在同一最佳值，再燃燃料喷口最佳位置主要与主燃料的种类有关；当以不同煤种的超细煤粉为再燃燃料时，其对应不同的最佳再燃区过量空气系数。(6)通过分析上述结果，得到了主燃料煤粉干燥无灰基挥发分含量Vdaf与再燃燃料喷口相对高度最佳值h0op之间的关系h0op=0.361Vdaf-0.155和再燃煤粉干燥无灰基挥发分含量Vdaf与再燃区过量空气系数最佳值SR2op之间的关系SR2op=0.336+3.66×10-2Vdaf-5.87×10-4Vdaf2当对锅炉实施煤粉再燃技术时，可根据主燃料煤粉和再燃煤粉干燥无灰基挥发分含量由上述关系式估算出其对应的再燃燃料喷口相对高度最佳值和再燃区过量空气系数最佳值，为燃烧参数的优化提供了便利的途径。(7)基于前文得到的优化参数对400t/h四角切圆煤粉炉设计了4个改造方案，空气分级、天然气再燃、超细烟煤粉再燃与超细褐煤粉再燃。模拟得出了各方案的温度场及出口温度、组分浓度场及组分出口平均浓度、NOx浓度场及其排放浓度、碳黑(soot)的排放浓度与飞灰含碳量。形成了从NOx脱除率、锅炉燃烧效率、锅炉热效率和锅炉结渣四个角度出发，评价不同改造方案优劣的方法。结果表明，超细褐煤粉再燃是4个改造方案中最理想的改造方案，NOx脱除率高，炉膛出口温升较小，排烟热量损失较小，并降低了炉膛出口不完全燃烧产物排放量和飞灰含碳量，增加了锅炉的燃烧效率与热效率，得到了比天然气再燃更低的碳黑排放量，更大程度的抑制了锅炉结渣，控制了环境污染。超细褐煤粉是三种再燃燃料当中最为理想的再燃燃料，它有优越的燃尽性，与天然气相比成本低并且对NOx有更强的还原性。(8)利用基于35t/h全尺寸锅炉数值试验得到的优化参数对容量更大(400t/h)、燃烧器喷口布置更复杂的锅炉设计了改造方案，分析改造方案的模拟结果可以看出，改造方案可以获得高效率、低污染的燃烧效果，从而在一定程度上说明了本文得到的优化燃烧参数放大的准确性。本文计算结果可用于更大型号的锅炉燃烧参数的优化。本文的创新点是：(1)通过深刻分析超细煤粉再燃过程NOx的生成/还原机理与超细煤粉再燃条件下的热解特性，基于焦炭N转化为NO模型，提出了考虑还原性组分H2对NO的还原和燃料再燃对HCN含量的影响的煤粉再燃还原NOx改进模型，使NOx浓度的计算结果最大偏差由26％降低到9％。(2)基于全尺寸锅炉超细煤粉再燃过程的三维数值模拟，全面分析了再燃煤粉特性和燃烧工艺参数对NOx排放及脱除率、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响规律，得到了锅炉燃烧综合效果较好时各参数的优化配置。并提出了最佳再燃燃料投射位置与主燃料煤粉干燥无灰基挥发分含量的定量关系式，最佳再燃区过量空气系数与再燃煤粉干燥无灰基挥发分含量的定量关系式。(3)针对大型四角切圆燃烧煤粉锅炉设计了改造方案，全方位定量分析比较了空气分级、天然气再燃、超细烟煤粉再燃与超细褐煤粉再燃4种改造方案，给出了各方案炉内详细的温度场，组分浓度场，NOx、碳黑等污染物的排放状况，并通过分析颗粒统计数据，确定了炉膛出口飞灰含碳量。提出了从NOx脱除率、锅炉燃烧效率、锅炉热效率和锅炉结渣四个角度出发，评价不同改造方案优劣的方法，从而确定了最优的改造方案和最佳的再燃燃料。3.学位论文张健燃气煤粉共燃烧特性研究2005本文对采用低NOx燃烧器、常规直流燃烧器以及OFA的350MW电站锅炉进行了试验研究,结果表明:(1)采用低NOx燃烧器和OFA时,对于满负荷350MW工况,20％混烧BFG时,NO排放量为159ppm;30％混烧BFG时,NO排放量为141ppm,40％混烧BFG时,NO排放量为117ppm.而对于纯烧煤工况,氧量为3.17~4.87％,NOx的排放浓度为177~253ppm.(2)采用低NOx燃烧器和OFA时,锅炉氧量从3.2％增加4.5％时,NOx排放增加了18％,从4.5％继续增加到4.8％时NOx排放浓度又增加18.7％左右.(3)采用低NOx燃烧器和OFA时,增加OFA挡板开度,或者增大BFG燃烧器空气挡板开度,NOx排放浓度降低.OFA挡板开度从10％增到30％,NOx排放浓度可减少2.4％,继续增大挡板开度从30％到60％可减少NOx排放浓度20％.BFG燃烧器空气挡板开度从25％增到35％,NOx排放浓度可减少12％.(4)采用常规直流煤粉燃烧器无OFA时,对于320MW的纯燃煤工况,氧量为3.5~5.5％,NOx的排放浓度为335~434ppm.在电站锅炉NOx试验研究的基础上,对350MW电站锅炉采用低NOx燃烧器、常规直流燃烧器以及OFA进行的数值模拟结果表明:(1)不论是采用低NOx燃烧器或者是采用常规直流煤粉燃烧器,当有OFA时,其炉膛中心的上升速度、湍动能、温度都要比无OFA对应工况的大.(2)采用低NOx燃烧器的工况,在燃烧器区域的湍动能截面平均值比常规直流燃烧器的要低.(3)常规直流煤粉燃烧器改造成低NOx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NOx燃烧器和OFA,可降低NO排放浓度18％.(4)电站锅炉的NOx污染物主要是在煤粉燃烧器区域生成.对于350MW电