（动力机械及工程专业论文）o2co2气氛下煤粉燃烧特性及性能研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：温室效应导致的全球气候变暖问题日益突出，而导致温室效应的主要因素 是矿物燃料燃烧造成的大量c 0 2 排放，其中燃煤电厂排放出的c 0 2 占世界上c 0 2 总排放量的l 3 。减少c 0 2 排放的重要途径是碳捕集与封存( c c s ) ，其中o 犯0 2 燃烧技术是一种便于直接捕集高浓度c 0 2 、综合控制燃煤污染物排放的新一代洁 净煤发电技术，具有明显的优势和较强的应用前景。为此，研究煤粉在0 2 c 0 2 气 氛下的燃烧特性和性能有着重要的意义。 本文采用三种不同的标准煤样，利用热重分析仪，分别在n 2 和c 0 2 气氛下 进行了非等温热解实验，并在0 2 肫和0 2 c 0 2 不同体积配比气氛下进行了非等温 燃烧实验，计算并分析了煤粉燃烧特征参数、特性指数和化学反应动力学参数。 结果表明：相同氧浓度下，c 0 2 代替n 2 后，着火和燃尽滞后，反应强度减小，化 学反应机理发生了变化，挥发分释放、可燃和燃尽性能变差，增加氧气浓度后有 所改善；煤粉在3 0 0 2 7 0 c 0 2 和空气气氛下燃烧特性的相似性与沉降炉试验或 数值模拟有一定的差别，认为是煤粉颗粒周围反应气流氧浓度变化的差别造成的。 通过分析实验数据，了解了煤粉在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧特性后，为了进一步 研究煤粉在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧性能，本文利用计算流体力学软件f l u e n t ，对某 电厂6 0 0 m w 四角切向燃烧锅炉炉内燃烧过程进行了数值模拟，通过对模拟结果的 分析，验证了所建物理模型、所选数学模型及网格划分的合理性，然后进行了 0 2 c 0 2 不同体积配比以及燃烧器不同配风方式下的数值模拟，分析了炉内速度、 温度、组分、热流密度和吸热量等分布特点。结果表明：相比空气气氛， 2 1 0 2 7 9 c 0 2 气氛燃烧滞后，炉膛温度、辐射力水平和燃尽率降低，氧气浓度增 加后有所提高；0 2 c 0 2 不同体积配比中，2 9 0 2 7 1 c 0 2 燃烧状况与空气气氛最 为接近，但n o 排放大幅降低；减少燃尽风，炉膛壁面平均热流密度增加，旋流 强度增加；上调一次风口，灰渣含碳量降低，燃尽率升高；正宝塔、倒宝塔、哑 铃和双缩腰配风方式中，双缩腰配风方式炉膛壁面热流密度、总吸热量、燃尽率 较高，火焰位于炉膛中心，火焰贴壁现象较轻；烟气湿式循环相对干式循环，火 焰贴壁现象减轻，辐射力增强，气流的蓄热量增加，整体换热状况改善，考虑到 烟气干燥的成本，宜采用烟气湿式循环。 本文为煤粉在0 2 c 0 2 气氛下燃烧特性的研究和锅炉0 2 c 0 2 燃烧的改造、设 计提供了重要而有意义的参考依据。 关键词：0 2 c 0 2 ：煤粉：燃烧；数值模拟 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t g l o b a lw 缸m i i l gc a u s e db yg r e e r 山o u s ee f f c c th 硒b e c o m ei n c r e a l s i n g l y p m l i l i n e n t t h er n 萄o rf a c t o ro fg f e e n l l o u s ee f r e c ti sm 嬲s i v ec 0 2 e n l i s s i o nf o l l o w e db y f o s s i l 龟e lc o m b u s t i o na 芏l dp o w e rp l a n te n l i s s i o na c c o u n t sf o ro n et h i r d 砌s s i o no fm e t o t a lw o r i dc 0 2 c c s ( c 0 2c a p t u r e 孤ds t o r a g e ) i s 也em o s te 航c t i v ew a yt or e d u c e c 0 2e i i l i s s i o n a m o n gc c st e c l l i l o l o g i e s ，0 2 c 0 2c o m b u s t i o nt e c i l l l o l o g ) ri sc o n s i d e r e d t 0b ean e wg e i l e 础o no fc l e 弛c o a lp 佣惯g e n e m t i o nt e c l l i l o l o 鼢w i 也o b v i o u s a d v 锄t a g e sa n dg o o dp r o s p e 鸭w l l i c hi se a $ t 0 仃a pl l i 曲c o n c e 曲胁i o nc 0 2d 沁c y w i 也o u ts e p 删i o n 觚dc o n t r o lp 0 1 l u t a n t 砌s s i o nc o i n p r e h e i l s i v e l y t h e r e f o r e ，也e i i n p o r t a i l c eo fs t u d yo nc o m l 娜t i o nc 妣r i s t i c s 锄dp e 面彻曲c eo fp u l v c r i z e dc o a l i n0 2 c 0 2a _ 畹o s p h e r ei ss i 嘶f i c 锄t n o n _ i s o t h e m l a l le x p e 血e n t so fm r e e 够p e so fp u l v e r 泣e dc o a l ( p c ) w e r ec o i l d u c t e d i n 血e n n 0 一伊a v i i i l e t r i c 觚a l y z e ri l l c l u d i n gp cp y r o l y s i si nn 2 觚dc 0 2a t i n o s p h e r e s ，p c c o l b u s t i o ni i ld i f 蚤嚣e n tp r o p o m o n so f0 2 n 2a n d0 2 c 0 2a 衄o s p h e r e s c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i cp a 砌垃t e r s ，c 0 m b u s t i o nc l l a 豫c 馏r i 如ci i l d e x e s 觚dk i i l e t i cp 踟l e t e r sf o r p cw e r ec a l c l l l a t e d 锄da r i a l y z e d r e s e a r c hs h o w s 血鸸a tt h es a i n e0 2c o i l c e n 舰t i o n w h e nn 2i sr e p l a c e db yc 0 2 ，b o mp ci 咖t i o n 锄db l l r n o u tt e i n p e r 砷鹏：sa r el a g g e d ，l e p e r f o m 咖c eo f v o l a t i l er e l e 硒i n gc h 础l c t 嘶蚯c s ，f l 觚l i i l a b i l 时觚db 咖n o u td e t e r i o r a t e s ， r e a c t i o ni n t e l l s i 锣d e c l m e sa n dr e a c t i o nm e c h a i l i s mc h a i l g e s ，w i t i lm ei i l c r e a o f0 2 c o n c a 叫l 嘶o n ，p cc 0 n 岫t i o np e 0 n n a n c ei si r n p r o v e d t h er e 砌t sa l s os h o w 也e s i m i l a r i t yo fp cc o m b l l s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n3 0 0 2 7 0 c 0 2觚da i r a 嘶o s p h e r ei sd i 航r e n tf b o m 缸r e 训t s 丘o m 劬e 向m a c et e s t so r 删【r i l e r i c a ls i m u l a l j o n s d u et 0t h ed i 行_ e r e n to x y g e nc o n c 删o na r o 肌dp u l v e r i z e dc o a lp a n i c l e s a f t e r 讪五i 培t h ee ) 【p e r i i l l e n t a l 胁，t 1 1 ec h 2 旺a c t e r i s 廿c so fc o 面c o m b i l s t i o ni n 0 2 c 0 2a 恤o s p h e r e 珊髓l e 锄e d p cc o m l 鹏t i o np r o c e s so fa6 0 0 m wt a i l g e n t i a lb o i l e r w 嬲n u m e r i c a i l l ys 硫l l l a t e dw i m 仕屺c o m p u t a t i o n a lf t u i dd y n a n l i c ss o 脚a r ef l u e n t ， b 嬲e do nt t l ea n a 匆s i s ，t h er a t i o n 面i t ) ro ft l l ep b y s i c a l ，m a m e m a t i cn 1 0 d e l 锄dt h em e m o d o fn l e s l l i n gw e r ev e r i f i e d 1 1 1 ec o n d i t i o 璐i nd i 仃e r e n tp r o p o n i o no f0 2 c 0 2a n d d i f f e r e n ta i rd i s t r i b u t i o nm o d ew e r em m l e r i c a ls i m u l a t e d ，f l o 、) i ，f i e l d ，t e m p c r a t u r ep r o f i l e ， c o n l p o n e n t sc o n c e n 仃a r t i o 璐，w a l lh e a tf l u ) 【，h e a ta b s o r p t i o na l l ds 0o nw e r ca n a l y z e d r e s e 盯c hs h o w s l a t ：c o m p 撕n gt 0a i rc o n d i t i o n ，m cc o n l b l l s t i o no f2 1 0 2 7 9 c 0 2 a t m o s p h e r ei sl a g g e d ，m eb o i l e rt e m 班l r a t i l r e 龇l d 硼i a t i o nl e 、忙l sr e d l l c e s ，b 眦0 u tr a t e 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e c l 洫e s ，w i t h 也ei n c r e 弱eo f0 2c o n c e n t r a t i o n ，p cc o i n _ b u s t i o np e r f o 加1 a i l c ei s m l p r 0 v e d ；n l ec 0 证b u s t i o no f2 9 0 2 7 1 c 0 2a 由m o s p h e r ei sm o s tc l o s e s t t 0a i r a 恤o s p h e r e ，b u tt 1 1 ee i l l i s s i o no fn 0s i g m f i c 锄t l yr e d u c e s ；a f t e rr e d u c i n gm e 锄o u n to f o f a ，廿l ea v e r a g ew a l lh e a tn u xi i l c r c 弱e s ，b o i l e rn u eg a l sr o t a t i o ni i l t e n s i 够i l l c r e a s e s ； a f t e ri n c r e 嬲i i l gm eh e i g h to fp r i 】 n a 巧a i rt u y e r e ，t h eu n b 啪e dc a r b o ni i l s l a gr e d l l c e s ， b 啪o u td e g r e ei i l c r e a s e s ；锄o n gm e 够p eo fs e c o n d a 巧a j rd i s t r i b u t i o n ( e q u a l ，n o 咖a l p a g o d 如w a j s td r u m ，d u m b b e l l ，d o u b l ew a i s t ) ，m ed o u b l ew a i s t 够p e sc o m b u s t i o n p e r f i o n n a n c ei s 也eb e s t ，w h o s en 锄ei sc l o s e dt 0 廿l e 如m a c ec e n t e r ，t h ep h e n o m e n o no f f l 锄e 舭l l i n e n t 陀d u c e s ，胁l a c ew a l lh e a tn u x ，t o t a lh e a ta b s o r p t i o n 锄db u r n o u t d e g r e e a r e1 1 i 曲；c o m p 撕l 培t 0d d rf l u e g 硒r e c y c l e ，l ep h e n o m e n o no fn 锄e a t t a c e n to fw e tf l u eg 硒r e c y c l er e d u c e s ，r 0 谢o ni i l t c i l s i 够i i l c r e 弱e s ，m e 锄。眦o f s t o r a g eh e a ti i l c r e a s e s ，t 1 1 eo v e r a l lh e a t 的n s f e rc o n d i t i o n si si m p r o v e d ，l e n 蛐gi n t o c o u mt l l ec o s to f e v 印o r a t i o no f n u eg 弱，s h o u l da d o p tm ew e tr e c y c l e t h er e s e a r c hr e s u l t sg a i n e di n l i sp a p e rc o u l dp r o v i d es i g m f i c a n tr e f e r e n c et 0 r e s e a r c ho nm ec o m h l s t i o nc h a i a c t e r i s t i c so fp m v e r i z e dc o a l 龇l d0 2 0 0 2c o m b u s t i o n a j t e r a t i o no rd e s i g no fb o i l e r k e y w o r d s ：0 2 c 0 2 ；p u l v 缸z e dc o a l ；c o m b u s t i o n ；饿嘲e r i c a ls i m u l a t i o n c i 。a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述教授的悉心指导下完成的，何伯述教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 何伯述老师对我的关心和指导。 何老师在科研上给我提出了殷切的期望和严格的要求，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向何老师表示衷心的谢意。何老师对于我的科 研工作和论文都提出了许多的宝贵建议，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，裴晓辉、严林博、张国瑞等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢北京交通大学机电学院曾给予我关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机 研0 9 0 2 班全体同学，他们在学习、工作和生活等各方面都曾给予我极大的帮助和 支持。向他们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，感谢我的家人，感谢他们多年来对我的关心和支持，他们的理解和支 持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 l 引言 1 1 研究背景和意义 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着经济和社会的发展， 人类对能源的需求与日俱增，能源生产和消费方式对环境造成的影响日益突出。 据有关专家预测，到2 0 5 0 年，煤炭在全球消耗能源中的比例仍占5 0 以上，而我 国在7 0 以上。煤燃烧排放量的9 6 是粉尘、s 0 2 、n o x 和c 0 2 ，它们占各类污染 源总排放量的比例依次为6 0 、8 7 、6 7 、7 l 。粉尘中的可吸入颗粒物危 害了人体健康，s 0 2 和n 0 x 导致酸雨的形成，而c 0 2 的排放是造成温室效应的主 要因素( 占6 4 ) l l j 。 从产业革命至今，由温室效应导致气温上升约o 5 ，如果不对温室气体的排 放加以控制，据i p c c ( 有关气候问题的各国政府间研讨会) 预测，到2 0 2 5 年由 于能源消耗而造成的c 0 2 排放量将达到1 2 g t ，那时c 0 2 当量浓度将达到产业革命 之前( 2 8 0 p p m ) 的两倍左右，在今后的每十年间，温度将上升o 2 o 5 ，到 2 0 2 5 年气温要比现在高出近1 ，而到2 l 世纪末气温将上升3 ，这将破坏全球 的气候和生态平衡，导致海平面上升、农作物受灾、多种疾病并发，会给人类带 来无法估量的灾难，使人类的生存受到极大的威胁 2 】。 为了使人类免受全球气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，联合国气候变化框架 公约第三次缔约方大会在日本京都举行，1 4 9 个国家和地区的代表通过的京都 议定书制定了各个国家在2 0 0 0 年以后c 0 2 限排、减排的明确时间表和任务量。 2 0 0 9 年1 2 月18 日，为期两周的哥本哈根气候变化大会通过谈判最终达成哥本 哈根协议，将在2 0 1 2 年后取代京都议定书，协议要求各国在一年之内，签署 有法律约束力的文件，各自提出减排计划。我国作为负责任的发展中国家，政府 承诺：到2 0 2 0 年，非化石能源消费占一次能源消费的比重达到1 5 左右；单位 g d p 二氧化碳排放比2 0 0 5 年降低4 0 4 5 左右。 火力发电量占世界发电量的3 0 ，而从火力发电厂排放出的c 0 2 占世界上c 0 2 总排放量的l 3 ，受能源转换率及新能源技术瓶颈的限制，未来几十年内，世界能 源结构不会发生很大变化，因此减少c 0 2 排放量重点在减少火力发电厂的c 0 2 排 放。c c s ( c 0 2c a p n l r ea l l ds t o r a g e ) 是减少c 0 2 排放最好的办法之一，而c c s 中 的燃烧后捕集是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。但是，传 统燃煤电站锅炉排烟中c 0 2 浓度一般仅为1 4 1 6 ，直接从此烟气中分离并回 北京交通大学硕士学位论文 收低浓度的c 0 2 将使电站效率大幅降低【3 】。为了大幅提高锅炉排烟中c 0 2 浓度， 降低c 0 2 回收成本，0 2 c 0 2 燃烧技术应运而生。 0 2 c 0 2 燃烧技术( 又称为富氧燃烧技术或空气分离烟气再循环技术) 就是采 用烟气再循环的方式，用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排烟构成的混合气代 替空气作为燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排烟中的c 0 2 浓度。燃烧排烟中含大于 7 0 的c 0 2 ，其余基本为水，其量的7 0 7 5 循环使用，余下的经干燥脱水后可 得浓度为9 5 的c 0 2 ，压缩后可封存或用管道输送为商业利用【4 】。 空气 0 2 回收 图l - l0 2 c 0 2 燃烧技术原理示意图 f i g 1 一ls c h e m a t i cd i a g m m o f0 2 c 0 2c o r d b u s t i o nt e c t u l o i o g y 相比传统电站，0 2 c 0 2 煤粉燃烧电站排烟量减小7 0 7 5 ，排烟损失大幅 减少，用于除粉尘的静电沉淀剂、脱硫剂、n o x 催化还原系统、汞脱除设备等烟 气排放控制设备的费用大幅降低，但是空气分离制氧( a s u ) 系统和c 0 2 压缩的 的电耗增加，以超临界燃煤发电机组为例【4 】，电站发电效率降低7 9 ，但是传统 电站捕集c 0 2 时，比0 2 c 0 2 煤粉燃烧电站的电耗高2 0 3 0 ，比未安装c 0 2 捕 集系统的传统电站的发电效率降低8 1 0 【5 】。相比加装喷氨脱硫设备的传统c 0 2 捕集电站，0 2 c 0 2 煤粉燃烧电站效率更高。在众多c 0 2 分离回收技术中，0 2 c 0 2 燃烧技术具有明显的优势和较强的应用前景【6 j 。为此，研究煤粉在0 2 c 0 2 气氛下 的燃烧特性和性能有着重要的意义。 为了研究0 2 c 0 2 气氛下煤粉的燃烧特性，国内外广泛应用的是热重分析法。 热重分析( t g a ) 跟踪检测燃烧过程中重量随时间或温度的动态变化，同时通过 分析失重曲线，可以得到煤粉燃烧的一些特征参数，如着火温度、燃尽温度、最 大失重温度、最大失重率、燃尽时间等，通过所得燃烧特征参数来计算燃烧反应 动力学参数【| 7 1 。这种方法试样用量少、速度快、测量准确、可重复性好、能在测量 温度范围内研究试样受热发生热反应的全过程，是研究化学动力学的重要手段之 一【s 】o 但是，热重分析法技术除了仪器本身的差别外，还有一些不足之处：( 1 ) 操 l 引言 作温度低于商业应用温度，所求化学反应动力学参数适应于低温工况，难以外推 到高温工况；( 2 ) 加热速率较小，煤的脱挥发分和焦炭的形成同工业过程有差距； ( 3 ) 试样处于静止状态，难以外推到试样动态反应工况。为了更好地评价采用烟 气再循环的0 2 c 0 2 煤粉燃烧技术，更充分了解0 2 c 0 2 气氛下煤粉的燃烧特性及 性能，对实际煤粉燃烧过程进行试验研究十分重要【9 lo 】。 由于锅炉燃烧过程的复杂性以及燃煤锅炉燃料的多变性，应用冷态及热态试 验来确定运行和设计参数，试验周期长，耗资巨大，且很难得到全面、满意的数 据。而在计算机上改变锅炉的局部结构、运行参数，通过计算机进行燃烧过程的 模拟，得到炉内气相速度分布、温度分布、组分浓度分布、煤粉颗粒运动轨迹和 壁面热负荷等参数，以认识炉内流动、传热和污染物的形成等特性，从而为锅炉 的提高燃烧效率、安全运行和改造提供最优方案，则比较容易。对于锅炉的设计 及制造部门，计算机的模拟有助于设计方案的论证和优化，减少试验和设计工作 中的盲目性和工作量【l l ，1 2 】。 本文以热重分析法和电站锅炉数值模拟的方法相结合，分析0 2 c 0 2 气氛下煤 粉燃烧特性和性能，以期能够对工程应用提供理论依据。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 0 2 c 0 2 燃烧技术发展及应用现状 0 2 c 0 2 燃烧技术是由h o m e 和s t e i n b u r g 于1 9 8 1 年提出的，最初主要是运用在冶 金、玻璃制备等工业锅炉上。近2 0 年，由于氧气制备技术越来越成熟，富氧燃烧 技术也随之发展很快。美国、加拿大、英国、德国、法国、日本、瑞典等许多国 家都开展了富氧燃烧技术的试验或技术经济性研究，国内的华中科技大学、浙江 大学和华北电力大学等都在进行积极的试验和理论研究【1 3 。 美国知售o n n e 国家实验室( m 儿，1 9 9 1 ) 进行了三项试验对0 2 c 0 2 燃烧技术进 行了可行性验证： ( 1 ) b a t t e l l ec o l 硼曲u st c s t s ；( 2 ) b 1 a c kh i l l sp o w e r 孤d “ g h tc o m p a n yt e s t s ；( 3 ) e n e r g y 锄de n v i r o 衄e n tr e s e a r c hc o 印o r a t i o nt e s t s 。 研究证明，只需将传统锅炉进行适当的改造即可采用此项技术，空气分离制氧需 要消耗系统能量的1 7 左右，对c 0 2 进行压缩需要消耗系统能量的9 1 4 ，虽较 传统电站效率下降，但是比使用空气燃烧同时加装喷氨脱硫设备的机组效率高【1 4 1 。 她。肌e 国家实验室还在美国加利福尼亚建立了一个2 9 4 m w 规模的试验系统，以 证实空气燃烧和0 2 c 0 2 燃烧热传递行为的相似性、燃尽率和烟气稳定性的变化， 试验获得的最大c 0 2 浓度超过9 0 ，但后来由于种种原因停运【1 5 】。 3 北京交通大学硕士学位论文 国际能源署( i e a ) 于1 9 9 1 年开始启动和实施减少温室气体排放的研究与开发 计划( g h gr d ) 。控制c 0 2 排放的0 2 c 0 2 煤粉燃烧技术就是其第二阶段的重要 项目之一，从1 9 9 4 年开始，其主要试验研究工作在加拿大政府的能源技术研究中 心( c a n m e tc e t c ) 开展，煤粉燃烧试验炉的最大功率为o 2 9 m w ，用以评价煤 粉在0 2 c 0 2 气氛中燃烧的火焰、传热与污染物的形成等特性【1 6 】。 基于同样的目的，由日本电力开发有限公司等组成的一个研究工作组也对煤 粉在0 2 c 0 2 气氛中的燃烧进行了研究，试验工作主要是在一个1 2 m w 的水平燃烧 炉上进行的。日本还开始了示范研究，1 9 9 5 年，日本石川岛播磨公司在l o o m w 示 范电站中使用了0 2 c 0 2 燃烧技术。该系统还采用了排烟热交换器，烟气与氧的热 交换采用热管技术，对流烟气与再循环烟气的热交换采用再生热交换方式。在不 采用任何其它措施时脱硝效率达7 0 ，喷钙脱硫效率达9 0 以上【1 7 1 。 瑞典的瓦滕法尔能源集团( v a t t e n f a l l ) 正在进行0 2 c 0 2 燃烧技术商业化应用 的研发工作。2 0 0 5 年，他们和阿尔斯通( a l s t o m ) 在德国勃兰登堡州建造黑泵 ( s c h w a 亿ep 瑚叩e ) 试验电厂( 3 0 m w ) ，是全球首个演示0 2 c 0 2 技术捕捉和储 存二氧化碳的试验电厂，配备了用于演示完整0 2 c 0 2 燃烧链所需的全部组件，从 氧气生产一直到二氧化碳提纯与压缩。2 0 0 8 年9 月9 日，试验电厂正式投产，初 期三年试运行后，该电厂计划将至少运行十年，这个3 0 m w 的试验电厂将为2 0 1 5 年建设的2 0 3 0 0 m w 演示电厂奠定技术基础。另外，澳大利亚c se n e r g y 、法 国t o n 址和西班牙c d e n 均建造了0 2 c 0 2 燃烧装置，其中c se n e f g y 和c i u d e n 分别准备在2 0 1 1 年对某煤粉锅炉和某流化床锅炉进行0 2 c 0 2 燃烧改造。 在国内，2 0 1 0 年1 1 月浙江大学和法国液化空气集团( a i rl i q u i d es a ) 联 合共建的富氧燃烧联合实验室投入使用，2 0 1 1 年4 月1 2 日，山西国际能源集团 3 5 0 m w 富氧燃烧发电及二氧化碳捕集利用封存项目预可研评审会在北京举行，欲 与美国西弗吉尼亚大学及美国空气化工产品有限公司共同开发此项目。 1 2 2 0 2 c 0 2 气氛下煤粉燃烧特性研究现状 w a n g 等【2 1 】首次将0 2 c 0 2 燃烧的概念应用于一个6 0 0 m m x 2 1 3 4 m m 的水平、无 旋流燃烧室，进行煤粉在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧实验，并建立了一个模拟锅炉性能 的模型，他们得出的结论是：c 0 2 0 2 的摩尔比为2 2 3 3 6 2 时，煤粉可以在0 2 c 0 2 气氛下完全燃烧。p a 、，i l e 等 2 2 在一个m l m 6 m 半工业实验装置锅炉进行氧和烟气再 循环烟气的研究，介绍了它的燃烧和积灰性能，首次对干法循环和湿法循环进行 对比，得出的结论是：为了达到在空气中的燃烧传热效率，0 2 c 0 2 存在一个最佳 比率，干法循环c 0 2 0 2 为2 7 左右时n o x 排放减少约7 0 ；湿法循环( c 0 2 + h 2 0 ) 4 1 引言 0 2 为3 2 左右时n o 。排放减少约8 0 。t o s h i l l 【is u d a 等【2 3 】发现在微重力燃烧室测量 0 2 c 0 2 气氛中煤粉的火焰传播速度比在0 2 n 2 气氛下有明显的下降，下降了l 5 l 3 左右，这主要是由于c 0 2 的比热容比n 2 的高，导致火焰传播速度减慢。n k i m u r a 等【2 4 】在0 2 c 0 2 燃烧实验中发现火焰的着火点模糊和不稳定，未燃尽碳含量高，通 过减少循环烟气量和提高二次风中的氧气浓度可以改善燃烧特性。l s a n t o r o 等【2 5 】 都发现0 2 c 0 2 气氛比相同氧含量的0 2 n 2 气氛下的火焰温度低；在相同0 2 浓度下， 煤粉在0 2 n 2 气氛和0 2 c 0 2 气氛下的燃烧特性并未发生明显变化，燃烧特性曲线基 本重合。 刘彦丰等【2 6 ，2 7 】对炭碳粒在0 2 c 0 2 气氛和空气气氛中的燃烧速率作了理论计 算，发现炭碳粒在0 2 c 0 2 = 2 l 7 9 气氛中的燃烧速率低于其在空气中燃烧的情况， 而0 2 c 0 2 = 2 9 7 1 气氛中的燃烧速率高于空气气氛；利用高温气体携带炉进行了煤粉 在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧特性试验，在高温( 1 3 0 0 k 1 6 0 0 k ) 气流携带条件下，随 0 2 c 0 2 气氛中氧含量的增加燃尽率明显增加，空气气氛下气体携带炉内的气相温 度升高比0 2 c 0 2 气氛中的要快。唐强等【2 8 2 9 】的研究表明，在相同0 2 浓度下，煤粉 在0 2 n 2 和0 2 ，c 0 2 气氛下燃烧特性有所不同，用c 0 2 代替n 2 后煤粉着火温度和燃尽 温度均升高，燃烧时间延长，综合燃烧特性指数下降；0 2 浓度在4 0 的范围内，随 着0 2 浓度的提高，煤粉着火点和失重峰温度降低较为明显。李庆钊等 3 0 】认为相同o 2 浓度的0 2 c 0 2 气氛下，煤粉挥发分及残焦的燃烧明显滞后于0 2 n 2 气氛。刘彦【3 l 】 的研究表明，0 2 c 0 2 比例为2 1 7 9 时比空气气氛下的燃烧特性指数有一定程度的提 高，燃烧性能改善；c 0 2 的存在促进了挥发分从煤中的析出。毛玉如等【3 2 、牛胜利 等【3 3 】的研究表明，c 0 2 的存在对煤焦失重反应动力学没有构成根本影响。 刘宁等【3 4 】计算0 2 c 0 2 = 3 0 7 0 气氛下所得各参数与空气气氛下燃烧时相似，通 过实验验证，当0 2 c 0 2 _ 3 0 7 0 时，能获得相对较高的碳燃尽率以及与空气气氛下相 当的烟气温度。l i uh a o 【3 5 1 及k l a sa n d e r s s o n 等3 6 1 研究发现，将氧浓度提高至3 0 左右可获得与空气气氛下相当的燃烧特性。l s a n t o r o 等【”】发现飞灰反应特性并没 有受0 2 c 0 2 气氛与空气气氛不同的影响。m o k a 、帕等【3 8 】在立式电加热流动反应器 中对三种烟煤在0 2 c 0 2 比例为2 1 7 9 的气氛和空气气氛下的燃烧得出相同的燃烧效 率。 另外，王宏等【3 9 加】得出，高c 0 2 浓度下钙基吸收剂脱硫率比传统空气气氛下高 出1 0 。h o s o d ah 【4 l 】得出煤中n 向n o x 、n 2 0 的转化分别为空气燃烧状况下的7 9 、 1 6 。温昶，徐明厚等【4 2 】认为，与0 2 n 2 燃烧方式相比，0 2 c 0 2 燃烧方式可有效减少 p m 25 的生成。 1 2 3 0 2 c 0 2 气氛下电站锅炉数值模拟研究现状 5 北京交通大学硕士学位论文 锅炉内的煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学过程，它涉及到多相流动、传热、 传质和燃烧等诸多领域，借助这些学科和计算机科学的发展，在计算机上改变锅 炉的局部结构、运行参数，通过计算机进行燃烧过程的模拟，以认识炉内流动、 传热和污染物的形成等特性，从而为锅炉的提高燃烧效率、安全运行和改造提供 最优方案，数值模拟逐步成为一种强有力的研究手段。煤粉锅炉炉内燃烧过程的 全模拟发展过程大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 模型的发展与完善阶段：主要集中在七十年代。具有代表性的有s p a l d i n g 提出的湍流燃烧模型、g r o w 提出的气固两相流模型、g i b s o n 提出的化学动力学模 型以及p 矾a i l l 【a r 的s i m p l e 算法。 ( 2 ) 初步尝试阶段：七十年代末至八十年代末九十年代初。模型开始应用于 炉内模拟，最初是采用较粗糙的网格进行冷态模拟，然后计算气相燃烧和气固两 相燃烧的热态情况，各种模型和算法日趋完善，计算结果开始与试验数据进行对 比。 ( 3 ) 全过程模拟阶段：九十年代至今是炉内燃烧过程数值模拟走向成熟的阶 段，炉内燃烧模拟开始广泛采用各种日趋完善的模型，计算结果与大量试验数据 进行对比，从流动转向了燃烧、污染物的排放、结渣及碳黑生成等更具有实际应 用价值的模拟【4 引。 炉内全过程数值模拟计算可以体现炉内流动、燃烧与传热细节，许多学者如s p a l d i i l g ，p a 伽：l i 【盯，c r o w e ，s m o o t 以及周力行等人，进行了深入的研究并得出了不 少研究成果，世界各国都非常重视炉内过程数值模拟的研究，并已经推出了这方 面的商业软件，其中f l u e n t ，p h o e n i c s ，s t a r - c d 和c f x 等大型软件最具代表 性。 b j p b u l l r e 等m 】，e d d yh c h u i 等【4 5 1 ，a d eh a 巧a n t o 等【4 6 1 ，华北电力大学的 刘彦丰【2 9 1 ，多是对二维沉降炉或半工业试验装置煤粉燃烧过程进行模拟，研究0 2 c 0 2 不同体积比的混合气氛下，炉内的温度状况、流动水平、气相辐射等参数的变 化。对于将数值模拟应用于电站锅炉的富氧燃烧的文献，目前国内外还较少。华 北电力大学的王建强4 7 1 、刘宏卫【4 8 】和米翠丽h 9 1 以某电厂3 0 0 m w 四角切圆煤粉锅炉 机组为研究对象，利用大型炉内燃烧数值计算软件c f x - 1 a s c f l o w ，在一次风量 不变的情况下，对煤粉在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧过程进行了数值模拟计算，通过分 析炉膛内的流场、温度场、组分场以及传热过程得出：煤粉颗粒在0 2 c 0 2 气氛下 的点火、燃烧较正常的空气助燃有一定的延迟，燃烧的稳定性变差：随着0 2 浓度 的提高，炉膛内的整体温度水平得到提高，煤粉的燃烧得到强化，燃烧速度加快， 稳定性提高，火焰中心有进一步扩大的趋势，火焰中心向炉膛中心靠拢；0 2 c 0 2 控制体积比为2 9 7 l 时可获得与空气气氛下相近的温度水平，并且过量0 2 c 0 2 系数 6 1 引言 于1 2 8 1 3 0 之间或一次风率为2 0 屯3 之间可以获得与空气气氛下相近的炉膛吸 热量。 1 3 本文研究内容及方法 本课题进行煤粉热重实验，主要分析氧浓度及燃烧气氛对煤粉燃烧特性的影 响，以期能够对工程应用提供理论依据。同时，对某发电厂6 0 0 m w 四角切圆煤粉 燃烧锅炉进行数值模拟，主要分析氧浓度、燃烧气氛和燃烧器配风方式对煤粉燃 烧性能的影响，以期能够对锅炉0 2 c 0 2 燃烧的改造和设计提供有效建议。 ( 1 ) 煤粉热重实验主要研究内容如下： 对三种标准煤样在n 2 和c 0 2 气氛下进行热解实验，并在0 2 帆不同体积配比 和0 2 c 0 2 不同体积配比气氛下进行热重实验，分析t g 热重分析曲线和d t g 微商热 重曲线，提取煤粉热重曲线特征参数( 挥发分初析温度、着火温度、最大失重温 度、燃尽温度和最大失重速率) ； 根据煤粉热重曲线特征参数计算特征指数( 可燃性指数、燃尽特性指数和 挥发分析出指数) ，分析煤样在相同情况或可比条件下的燃烧特性； 根据煤粉热重数据对燃烧动力学参数( 活化能、反应级数和指前因子) 进 行求解分析。 ( 2 ) 煤粉燃烧数值模拟主要内容如下： 对锅炉原型进行简化，采用u g 软件建立锅炉的三维立体图，通过i c e m 软 件进行网格的划分； 根据四角切圆煤粉锅炉燃烧的特点，选择合适的数学模型，设定初始条件 及边界条件，进行空气气氛下数值计算，通过t e c p l o t 软件和o r i g i n 软件后处理得到 炉内速度、温度、组分和颗粒等参数的分布，验证所建模型、所选数学模型和所 划网格的正确性； 在0 2 c 0 2 不同体积配比以及燃烧器不同配风方式下进行数值模拟，分析各 个物理量的模拟结果，找出最佳0 2 c 0 2 配比及最佳燃烧器配风方式，在原有锅炉 结构改动最小的情况下，为锅炉0 2 c 0 2 燃烧的改造提供指导，并为新型0 2 c 0 2 燃烧锅炉的设计提供建议。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 煤燃烧理论及炉内煤粉燃烧过程概述 2 1 煤燃烧过程概述 煤是由多种有机物质和少量矿物质混合组成的复杂的固体碳氢燃料。它是由 于地壳的变动，远古植物的遗体被深埋地下，长期处在高温和高压覆盖层的条件 下，植物中的纤维素和木质素经过分解和变质而形成的含碳量高、化学稳定性强 的固体化合物，主要含有碳、氢、氧，还有少量的硫、氮和微量元素，其它组成 是成灰的无机化合物，它们以矿物质分散颗粒的形式分布在整个煤中。中国煤炭 分类是按煤化程度将煤分为无烟煤、烟煤和褐煤三类【l 】。 2 1 1 煤燃烧的基本原理 燃烧是一种发光发热的流动，煤的燃烧过程，不只是一个单纯的化学反应过 程，而且是一个涉及到气流运动、传热和扩散等问题的复杂的物理过程【5 0 】。 一般认为，煤的燃烧反应分为以下几个主要阶段： ( 1 ) 干燥脱气阶段 在1 0 5 之前，煤粉颗粒表面和孔隙中吸附的气体( c 0 2 、c o 、c h 4 和n 2 ) 析出，同时水分蒸发，煤发生缓慢氧化反应； ( 2 ) 挥发分析出阶段 随着温度的升高，煤粉颗粒变软并呈塑性状态，内部发生转变，微量的焦油 析出，颗粒的外形没有明显的变化，到3 0 0 煤中的热解水完全析出。在3 0 0 5 5 0 时，析出大量的焦油和挥发分。挥发分由可燃气体混合物( c o 、c h 4 、h 2 、气 态烃类和少量酚醛) 、c 0 2 和水蒸汽等组成，这些称为初次挥发物。当初次挥发物 通过煤粉颗粒孔隙向外扩散时，会再次分解或热解而形成二次挥发物。在此阶段 煤析出挥发分的时间与量取决于煤粒尺寸、煤种和加热条件，剩余的物质称作焦 炭，碳的含量增加，氢和氧减少，仍含有一些氮、硫和大部分矿物质。挥发分的 逸出使球形焦炭颗粒形成许多裂纹或孔，还可能膨胀到一个较大的尺寸； ( 3 ) 挥发分和焦炭的着火燃烧阶段 释放出的挥发分和氧气反应为均相反应，两者混合，由于对流而被加热到着 火温度便开始燃烧反应，焦炭与氧的反应为非均相反应，氧首先要扩散到焦炭颗 粒并进入其中，在焦炭颗粒表面氧被吸附并吸收挥发分燃烧释放的热量而发生反 2 煤燃烧理论及炉内煤粉燃烧过程概述 应，释放出强烈的光和热，反应速率随着煤种、焦炭的特性、温度、压力和氧化 剂浓度的变化而变化，这一过程比挥发分析出慢的多，从几秒钟到几分钟甚至更 长的时间。另外，产物中的h 2 0 、c 0 2 、h 2 也会和焦炭发生反应，但这些反应的 速率比氧化反应的速率低的多。 一般认为，从煤开始干燥、挥发分析出到大部分烧完，只占煤总燃烧时间的 1 0 左右，而焦炭的燃尽占煤总燃烧时间的9 0 左右。上述各个阶段可能顺序发生， 也可能交叉进行。各阶段历时的长短和相互交叉的情况，取决于煤种的性质和燃 烧方式。 碳和氢是煤中主要的可燃元素，煤燃烧的基本化学反应有： ( 1 ) 碳的燃烧反应 完全燃烧时：c + 0 2 一c 0 2 “0 9 k j m o l 不完全燃烧时：2 c + 0 2 2 c o + 2 4 6 k j 恤o l ( 2 ) c o 的燃烧反应：2 c 0 牛0 2 - 2 c 0 2 + 5 6 6 k j m o l ( 3 ) 氢的燃