（流体机械及工程专业论文）天然气再燃还原no的数值模拟研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 发展洁净煤燃烧技术，解决燃煤发电造成的氮氧化物污染，是当前 能源领域最为关心的问题之一。天然气再燃技术是上世纪八十年代提出 来的一种能够有效降低n o 排放量的燃料分级燃烧技术。由于天然气再 燃在降低n o 排放方面独特的技术和经济优势，许多国家的众多学者和 研究人员对再燃过程展开了广泛的研究。 本文在对前人工作进行归纳总结与分析的基础上，以一台3 5 t h 的 四角切圆锅炉为研究对象，利用f l u e n t 软件对天然气再燃过程进行全尺 寸三维数值模拟。论文的主要内容如下： ( 1 ) 建立了炉膛燃烧过程的数学模型：气相的湍流流动采用 r e a l i z a b l ek s 模型，气相湍流燃烧采用组分输运模型，取代了前人所采 用的非预混燃烧模型；离散相流动采用随机轨道方法，挥发份析出采用 双竞争反应热解模型，焦炭燃烧采用动力扩散控制模型，辐射传热采用 p 1 模型，n o 的生成和还原采用后处理的方法。 ( 2 ) 采用上述模型对天然气再燃还原n o 的过程进行了三维数值模 拟，给出了炉内速度、温度、反应和组分浓度以及n o 浓度的分布规律。 在这个基础上，通过改变参数值，分析了再燃区长度、天然气喷口位置、 再燃区空气过量系数、天然气量对n o 出口浓度的影响。模拟结果得出： 再燃区长度增加有利于n o 的还原却影响主燃区的燃烧，综合考虑最佳 值为8 0 0 r a m ；天然气喷口位置不宜过高过低，最佳位置取为8 0 0 r a m ：再 燃区空气过量系数存在一个最佳范围o 8 0 9 ，针对本文的模拟对象，最 佳值为0 9 ；天然气量是影响n o 排放量的重要因素，最佳范围为 15 - 2 0 。 本文的数值模拟研究给出了天然气再燃工况下炉内的燃烧特性并分 析了变参数对n o 出口浓度的影响，对实际的工程应用提供了参考依据。 关键词：天然气再燃；还原n o ；四角切圆锅炉；三维数值模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yo fc l e a nc o m b u s t i o no fc o a la n ds o l v i n gt h e n o xp o l l u t i o nw h i c hc o m ef r o mc o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i o ni so n eo ft h e m o s tc o n c e r n e di s s u e si nc u r r e n te n e r g yf i e l d b r o u g h to u ti nt h e19 8 0 s ， n a t u r a lg a sr e b u r n i n gt e c h n o l o g yi saf u e l - s t a g e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y w h i c hc a nr e d u c en o xe m i s s i o n se f f e c t i v e l y b e c a u s eo ft h eu n i q u et e c h n i c a l a n de c n o m i c a la d v a n t a g e si nr e d u c i n gn o e m i s s i o n s ，n a t u r a lg a sr e b u r n i n g t e c h n o l o g yh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e db ym a n ys c h o l a r sa n dr e s e a r c h e r s o fd i f f e r e n tc o u n t r i e s b a s e do ni n d u c i n g ，c o n c l u e d i n ga n da n a l y s i s i n gt h ep r e v i o u sw o r k ，t h e p a p e rt a k e sa35 t ht a n g e n t i a l f i r e db o i l e ra ss t u d yo b je c t ，c o n d u c t i n g f u l l - s c a l et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ep r o c e s so fn a t u r a l g a sr e b u r n i n gu s i n gf l u e n ts o f t w a r e t h em a j o rc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d e l so ft h ef u r n a c ec o m b s t i o n t h eg a s - p h a s e t u r b u l e n tf l o ww a sd e s c r i b e d b yr e a l i z a b l e k gt u r b u l e n c em o d e l ， c o m p o n e n tt r a n s p o r tm o d e lw a se m p l o y e dt od e s c r i b et h ep r o c e s so f g a s - p h a s ec o m b u s t i o n ，t h es t o i c h a s t i ct r a c k i n gm o d e lw a sa p p l i e dt o d e s c r i b et h ed i s c r e t ep h a s ef l o w , t h ed e v o l a t i l i z a t i o nw a ss i m u l a t e db y t w oc o m p e t i n gr e a c t i o nm o d e l ，c h a rc o m b u s t i o nw a sd e s c r i b e d b y d i f f u s i o n - k i n e t i c sm o d e l ，r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rw a sd e p i c t e db yp - 1 m o d e l ，t h ep o s t t r e a t m e n tm e t h o d w a se m p l o y e dt oc a l c u l a t et h e g e n e r a t i o na n dr e d u c t i o no fn o ( 2 ) b a s e do nt h ea b o v em o d e l ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no nt h e p r o c e s so f n a t u r a lg a sr e b u r n i n gw a sp e r f o r m e d t h er e s u l t sg i v eo u t t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y , t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o na n dt h ec o n c e t r a t i o no f c o m p o n e n t sa n dn oi nf u r n a c e i nt h i sb a s e ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h e e f f e c t so ft h er e b u r n i n gz o n el e n g t h ，t h ep o s i t i o no ff u e ln o z z l e ，e x c e s s a i rc o e f f i c i e n ti nr e b u r n i n gz o n e ，n a t u r a lg a sa m o u n to nt h eo u t p u tn o 山东大学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o n c l u e d ：t h ei n c r e a s eo f r e b u r n i n gz o n el e n g t hi sb e n e f i c i a lt or e d u c en oe m i s s i o nb u ta g a i n s t t h ec o m b u s t i o no fp r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e ，c o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y ， t h eb e s tv a l u ei s8 0 0 m m ；t h ep o s i t i o no fn a t u r a lg a si sn o ts u i t a b l et ob e t o oh i g ho rt o ol o w , t h eb e s tp o s i t i o ni s8 0 0 m m ；e x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti n r e b u r n i n gz o n eh a s a no p t i m u mr a n g e0 8 - 0 9 ，i nv i e wo ft h es t u d y c o n d i t i o n si nt h i sp a p e r ，t h eb e s tv a l u ei s0 9 ；n a t u r a lg a sa m o u n th a s a ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nn oe m i s s i o n ，t h eo p t i m u mr a n g ei s15 2 0 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo ft h i sp a p e rg i v e so u tt h ef u r n a c e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a sr e b u r n i n gc o n d i t i o n a n d a n a l y z e st h ee f f e c t so fv a r i a b l ep a r a m e t e r so no u t p u tn oc o n c e n t r a t i o n ， p r o v i d e sr e f e r e n c ef o ra c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：n a t u r a lg a sr e b u r n i n g ；r e d u c en o ；t a n g e n t i a l f i r e db o i l e r ； t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 i v 符号表 动力粘度系数，p a s 导热系数，w ( m k ) 平均温度， 湍流动能，j 湍动耗散率 湍流粘度，p a s 流体相速度，m s 颗粒速度，m s 流体密度，k g m 3 颗粒密度，k g m 3 颗粒直径，m m 雷诺数 空气过量系数 比热容，j k g k 通用气体常数 扩散系数 扩散流量，r n 3 s p 九 f | r 七 g h p 以 砟 心 口 q r d j 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 能源与环境问题被公认为是影响当今社会发展的两大问题，在能源 利用过程中，矿物燃料特别是煤的燃烧要排放大量污染物，如s 0 2 和n o x 等【1 1 。有关资料【2 】表明，电站锅炉的n o x 排放量占各种燃烧装置n o x 的 排放量总和的一半以上，而且8 0 左右是由煤粉锅炉排放的。2 0 0 3 2 0 0 7 年期间，我国火电行业的装机容量、发电量与煤耗量均呈不断增长的趋 势：2 0 0 7 年我国火电厂装机容量为5 5 4 亿k w ，发电量为2 6 9 8 0 亿k w h ， 煤耗量约为1 4 亿吨，与2 0 0 3 年相比分别增长9 1 、7 1 和6 l p j 。面 对压力日重的环境保护和生态平衡问题，发展高效、低污染的清洁煤燃 烧技术，降低n o x 的排放具有十分重要的现实意义。 目前控制n o x 排放的措施大致分为两类【4 】：一类是烟气净化技术， 另一类是低n o x 燃烧技术。烟气净化技术包括湿法脱氮技术和干法脱氮 技术。湿法脱氮技术有选择性催化还原( s c r ) 法、选择非催化还原( s n c r ) 法、吸收法；干法脱氮技术有吸附法、等离子活化法、生化法。综合考 虑技术可靠性、初投资、运行费用、脱氮效率等因素，被大规模工业应 用的是s c r 法和s n c r 法【5 】。烟气脱氮装置能大幅度降低排放 n o x ( s c r 法可使n o x 排放降至2 0 0 m g m 3 以下) ，但其初投资巨大、运 行费用高，目前在我国大面积推广还有困难。根据目前情况，在相当一 段时间内，我国控制火电机组的n o x 排放只能以低n o x 燃烧技术为主。 目前国内采用的低n o 。燃烧技术主要是低过量空气系数、空气分级 燃烧技术【6 7 】和浓淡燃烧技术【8 1 。这些技术主要是采用控制氧气含量及炉 膛内燃烧温度，降低n o x 的生成率。这些低n o 。燃烧技术应用在燃用烟 煤、褐煤的电厂锅炉时可满足现行的国家排放要求，但在燃用低挥发分 煤种的锅炉上应用时往往很难达标。这是因为燃用低挥发分的劣质煤时， 为保证其着火的稳定及燃尽，在组织燃烧时通常需要维持炉内的燃烧温 度、在高温区提供足够的氧、增加煤粉在高温区的停留时间等强化燃烧 的措施，这些措施和现有的浓淡燃烧技术、空气分级燃烧技术等低n o x 燃烧技术所要求的条件相矛盾【9 】，限制了这些低n o x 燃烧技术的效果。 山东大学硕士学位论文 从煤种本身特性看，无烟煤、贫煤和劣质烟煤挥发分低，燃烧过程中产 生的h c n 、c h i 和n h i 等基团量少，即使在还原气氛中还原n o x 效果 也非常有限，同时低挥发分煤种煤焦比面积小，也不利于n o x 还原。 德国在上世纪8 0 年代提出了燃料再燃技术，燃料再燃技术采用三段 燃烧方式，如图1 1 所示，自下而上依次分成主燃区、再燃区和燃尽区。 其降低n o x 排放的原理是将燃料分级送入炉膛，在主燃区的上方某个位 置喷入另一部分煤粉或气态碳氢燃料，以产生一个富燃料区和还原性气 氛，将n o x 转化为h c n ，并最终得到无害的n 2 。 图1 1 燃料再燃过程示意图 燃料再燃是降低n o x 排放的最有效且最有前途的低n o x 燃烧技术之 一。相对于其它低n o x 燃烧技术，燃料再燃技术的脱硝效率可以达到 5 0 7 0 ，是除了s c r ，s n c r 法外效率最高的方法。另外，再燃技术 还可以保证燃料燃烧初期的良好燃烧条件，从而解决其他低n o x 燃烧技 术在燃用低挥发分煤种效果较差的问题，在排放标准严格或燃用低挥发 分劣质煤种时，再燃低n o x 燃烧技术同其它低n o x 燃烧技术相比有明显 优势。 2 山东大学硕士学位论文 在实际的再燃技术操作中，二次燃料宜选用容易着火和燃烧的高挥 发分气体或液体燃料，而天然气不含燃料氮，反应活性强，在减少n o x 的同时还能减少s 0 2 、c 0 2 和颗粒物排放量，减少的量与天然气替代煤 的量成正比，因此天然气成为再燃烧技术最理想的再燃燃料。 国外在上世纪八十年代开始着手清洁煤燃烧技术的工业示范计划， 天然气再燃技术因其良好的技术、经济优势成为该计划的一个重要部分。 从各处工业示范的实际运行效果来看，采用天然气再燃技术降低n o x 排 放量的效果良好。 我国是一个能源消耗大国，火电机组数量相当庞大，减排压力巨大。 为了兼顾降低电厂氮氧化物排放量和运行改造成本，我国只能选择投资 少、运行费用低，见效适中的低n o x 燃烧技术措施。所以，天然气再燃 降低氮氧化物排放将成为我国今后电厂低n o x 控制技术开发应用的重 点。天然气再燃技术不需要增加太多的设备、节省空间和投资费用，对 现有的锅炉改造起来比较容易，与s c r 、s n c r 法等尾气脱硝措施比， 投资少，运行费用低。 综合上面的介绍，在我国采用天然气再燃技术降低电厂锅炉的n o x 排放投资成本低、还原效果良好、运行方便。随着减排标准的提高及天 然气供应渠道的增加，天然气再燃技术将会在我国得到广泛的应用，研 究针对我国锅炉燃烧系统的天然气再燃降低n o x 燃烧技术具有重要的 意义。 1 2 天然气再燃技术简介 1 9 5 0 年p a r t y 和e n g e l 发现甲烷可以将n o 还原为h c n ，19 6 9 年 d u m m o n d 也报道了甲烷对n o 和n 2 0 具有还原作用。1 9 7 3 年w e n d t 通过试验发现，将甲烷在电站锅炉中主燃烧区的上方作为二次燃料喷入 可以达到5 0 的脱销效率，并首先提出了再燃这个概念。 1 2 1 再燃原理 再燃技术的原理是通过喷入空气过量系数小于1 的燃料流在炉内主 燃区上方建立一个充满还原性气氛的燃烧区域，以控制n o x 最终生成量， 该技术也被称为燃料分级燃烧技术。再燃技术将锅炉沿炉膛高度划分为 3 山东大学硕士学位论文 3 个区域，如图1 2 所示，第一区域为过量空气系数大于1 的主燃区，在 这里投入约占总热输入量8 0 - - 8 5 的煤粉进行燃烧，生成n o 。第二区 域为过量空气系数小于1 的再燃区，在该区投入总输入热量l5 2 0 的碳氢燃料，通过还原反应将主燃区生成的n o 转化为n 2 ：上述两区的 反应产物和未燃尽燃料进人第三区域燃尽区，供给足量空气，过量 空气系数大于1 ，以保证煤粉足够的燃尽率。在再燃区，n o 遇到烃根 c h i 和c o 、c 、h 2 时，发生的还原n o 的反应如下： 4 n o + c h 4j2 n 2 + c 0 2 + 2 h 2 0( 2 1 ) 2 n o + 2 c 0 一n 2 + 2 c 0 2 ( 2 - 2 ) 2 n o + 2 c 斗n 2 + 2 c 0 2 n o + 2 h 2 _ n 2 + 2 凰d 图1 2 再燃技术示意图 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 1 2 2 影响天然气再燃还原效果的主要因素 国内外的实验研究表明，影响天然气再燃还原效果的因素很多。总 4 岍 m 饥m m 跚 耋董 嗲 山东大学硕士学位论文 的来说，再燃低n o x 技术是通过两种途径来降低n o x 排放量的【1 0 1 ：其 一是通过降低主燃烧区的过剩空气系数来抑制n o x 的生成量；其二是在 再燃区将已经生成的部份n o x 还原为氮气。因此主要有如下几种因素影 响再燃还原效果。 1 、主燃区的空气过量系数 在满足主燃烧区稳定安全燃烧的情况下，过量空气系数小些对n o x 的生成有抑制作用，般控制在1 1 左右。而最佳的主燃区过剩空气系 数应该由试验来确定。 2 、天然气的输入量 天然气分解产生的碳氢基团是参与n o x 还原反应的主要物质，因此 天然气的输入量将很大程度的决定脱硝效率的大小。研究表明，随着天 然气输入量的增加，n o x 排放先是明显降低，当天然气比例进一步增大 时，其降低的趋势逐渐平缓，降低n o x 的效果已不明显，因此天然气输 入量不宜过大。另外，天然气输入量过大对锅炉燃烧是不利的，过多的 天然气势必增加燃烧损失，由前人的研究结论，天然气的输入量存在一 个最佳范围，约为lo 一2 0 。 3 、再燃区的温度水平 温度水平是影响碳氢基团生成的重要因素，较高的再燃区温度水平 有利于碳氢基团的生成，因此随着再燃区温度的增加，n o x 还原率也随 之增大。另外，高温还有利于提高n o x 的分解速率，但l3 0 0 ( 2 是热力型 n o 。生成的转折温度，通常要求再燃区的温度要低于13 0 0 c ，一般在 1 2 0 0 左右。 4 、烟气在再燃区的停留时间( 再燃区的长度) 理论上，再燃区长度越大，烟气在再燃区内停留时间越长，碳氢基 团和n o x 的反应越充分，n o x 还原率越大。由于再燃区的长度是由再燃 燃料喷口和燃尽风喷口的位置确定的，因此再燃区长度的增加会减少主 燃区或燃尽区的长度，使煤粉在主燃区或燃尽区的停留时间减少，从而 影响锅炉的效率和稳定性，同时由于主燃区的燃烧不充分，过量的氧会 进入再燃区，降低再燃区n o x 的还原效果；而燃尽区停留时间减少， 5 山东大学硕士学位论文 会降低燃料的燃尽率，影响锅炉的燃烧效率。 5 、再燃区的空气过量系数 前人的结论表明，n o x 还原率不随着空气过量系数的减小单调增加， 空气过量系数存在一个最佳值，此时n o x 还原效率最大，一般再燃区的 空气过量系数在o 7 1 0 之间。对于不同的燃烧系统，由于具体条件( 如 煤种、再燃燃料比例、再燃区温度、停留时间等因素) 不同，最佳空气过 量系数通过试验确定。 6 、天然气与主烟气流的混合状况 限于锅炉的尺寸，再燃区的长度不可能很长，因此天然气与炉内主 烟气流的混合状况对n o x 的还原效率有很大程度的影响。影响再燃燃料 和炉内主气流的因素有天然气的喷入速度，天然气喷口的布置方式等等。 1 3 天然气再燃技术研究现状 由于天然气再燃在降低n o 排放方面独特的技术和经济优势，吸引 了许多国家的众多学者和研究人员对再燃过程展开了广泛研究。这些研 究工作囊括了再燃过程的详细的实验研究，再燃过程的反应机理以及再 燃过程的三维数值模拟研究。 1 3 1 国外研究现状 实验研究 美国b r i g h a my o u n g 大学的w a s e e m 等人 1 1 】以天然气作为再燃燃 料，在一台0 2 m w 的管式炉中，通过改变天然气和三次风的喷入位置， 对再燃过程进行了详细的研究。实验结果得出，再燃区长度( 天然气喷入 位置和三次风喷入位置之间的距离) 是n o 还原过程的重要因素。他们通 过研究反应炉的燃烧特性后认为，在炉内n o 浓度最高的区域喷入天然 气，n o 能够得到最大程度的还原。另一方面，n o 的出口浓度随着天然 气喷入速度的增大而减小，这是因为天然气喷入速度的增加使其和炉内 主气流混合的更加充分，从而增大了n o 与再燃燃料的反应区域，促进 了n o 的还原反应。 西班牙r a f a e l 等人【1 2 】在一台管式炉上，采用各种碳氢化合物作为 再燃燃料，研究了不同温度和过量空气系数对再燃过程的影响。实验结 6 山东大学硕士学位论文 果表明，保持炉内温度不变，再燃燃料对n o 的还原率和再燃燃料的碳 氢比大小成正比；另外研究还发现，再燃温度和空气过量系数之间相互 影响，若再燃温度不同，空气过量系数对n o 还原效果的影响明显不同。 d i e t e r 等人【1 3 1 通过研究指出，再燃区过量空气系数a 存在着一个最 佳值，如果a 过小，将会有大量的未反应的h c n 和n h 3 离开再燃区， 并在燃烬区中被氧化为n o ，从而会减小n o 的还原率；a 过大的话， 由于氧气浓度较大，导致再燃区域内h c n 和n h 3 含量不足，降低了n o 的还原速率。 美国b r i g h a my o u n g 大学的t r e e 等人【1 4 】以天然气作为再燃燃料， 在一个o 2 m w 的管式炉上对先进再燃的工况做了一些实验研究。实验结 果表明，再燃区的燃料贫富对脱销效率有重要影响，在再燃燃料稍微不 足的情况下喷入氨等物质，n o 的还原程度最大。 化学反应动力学机理及数值模拟研究 许多学者应用详细化学反应动力学机理对再燃过程进行了研究，例 如g l a r b o r g 和h a d v i g 1 ”，b a u l c h 等人【16 1 ，t h o r n e 等人【17 1 ，l im a t l8 1 ， h u r a 和b r e e n t 1 9 1 以及b u r c h 等人【2 们，纵观他们的研究结论，对于不同 类型的再燃燃料，n o 的还原反应机理由两个反应途径控制，一个是再 燃燃料分解出的碳氢基团和n o 反应生成h c n 等还原性物质，二是h c n 和各种组分之间的交互反应： c ，c h ，c h + n o h c n + ( 2 - 6 ) h c n + o ，o h n 2 + ( 2 - 7 ) 近几年，c j s u n g 和c k l a w 等人【2 1 】对包含再燃反应动力学的详 细机理g r i m e c h 3 0 进行了研究，他们在该机理的基础之上，经过一系 列的计算和假设得到了一个包含19 种组分和l5 个反应的再燃反应简 化机理。他们将该机理的模拟结果与实验数据进行了比较，结果表明对 n o 和h c n 的模拟结果比较准确，而对n h 3 的模拟结果比实验值偏大。 i g i r a l 和m u a l z u e t a 等人【2 2 1 针对g l a r b o r g 描述再燃过程的详细化学 反应动力学机理进行了简化，也得到了一个包含1 9 种组分和1 5 个反应 的再燃反应简化机理，他们将该简化机理的模拟结果与详细机理的计算 结果进行了比较，取得了很好的结果，但他们没有将模拟结果与实验数 7 山东大学硕士学位论文 据进行对比。 1 9 9 8 2 0 0 1 年，美国b r i g h a my o u n g 大学的x u 和s m o o t 等人 2 3 , 2 4 , 2 5 1 针对一个描述先进再燃反应过程的包含5 0 种组分和3 1 2 个反应的详细化 学反应动力学进行简化，得到了一个包含8 种组分和4 个反应的简化模 型，他们将该模型与p c g c 3 结合，对实验室沉降炉上的先进再燃过程 进行了模拟。虽然模拟结果与实验数据还存在一定的偏差，但模型总体 上能够比较好的模拟先进再燃过程中n o 的浓度分布趋势。 1 3 2 国内研究现状 实验研究 冯琰磊等人【2 6 , 2 7 , 2 8 以液化气作为再燃燃料，通过在热态炉上不同高 度上喷入再燃燃料和燃尽风，研究了再燃燃料量、停留时间和主燃区过 量空气系数等因素对层燃炉再燃n o x 排放的影响。实验结果表明，采用 再燃能有效降低n o x 的排放。实验条件下，n o x 排放量最大可降低约 6 0 。实验过程中，n o x 的排放量随主燃烧区过量空气系数的减小呈线 性下降；再燃燃料量较少时，n o x 排放量随再燃燃料量的增加迅速降低； 但当再燃燃料量达到一定程度时，n o x 排放量的降低不再明显。实验中 还考察了再燃烧区停留时间的影响，结果表明当再燃烧区停留时间达到 一定值后对n o x 排放的影响不大。 张怡等人 2 9 , 3 0 】在一台o 2 m w 的管式炉上，通过改变主燃料种类、 再燃区过量空气系数、再燃燃料比例、再燃燃料种类和再燃区温度等条 件，对再燃过程中各种因素对n o x 排放量的影响进行了实验研究。研究 结果表明，煤粉中的挥发分含量越高，再燃脱硝效率也越高；n o x 出口 浓度随着再燃区空气过量系数的增大而增大；在给定的主燃区空气过量 系数下，n o x 的还原率和天然气的输入比例成正比；再燃区温度不宜过 高，否则热力型n o x 生成量增多，会降低整体脱硝效率；在空气过量系 数小于o 9 5 时，石油气与天然气的再燃脱硝效果相当，大于0 9 5 的范围 内，石油气的还原效果好于天然气，但由于石油气中含有少量的氮成分， 总的来说，天然气作为再燃燃料更合适。 苏胜等人3 1 1 在一台9 3 k w 的卧式单角炉上，采用用气态碳氢燃料作 8 山东大学硕士学位论文 为再燃燃料，通过改变再燃燃料的喷入量和喷入位置，对实际再燃过程 中影响再燃脱硝效率的几个关键因素进行了研究。根据实验结果，气体 再燃燃料比例达到1 0 15 ，再燃区停留时间达到0 7 0 9s ，再燃 区过量空气系数在0 8 0 9 时，气体燃料再燃过程就能获得比较理想的 5 0 以上再燃脱硝效率；脱销效率不随着再燃区域长度的增加单调增加， 再燃区长度存在一个最佳值；实验还发现再燃燃料的喷入位置对脱销效 率也有很大影响，一般应该是再燃燃料从温度比较高的区域喷入；另外， 研究结果表明，影响再燃脱硝效率的各种因素是互相影响的，因此要根 据具体情况对多种因素合理优化以达到最佳的还原效果。 刘汉周等人【3 2 】在一台根据江油电厂锅炉参数设计的冷态试验装置 上，对再燃气流和燃尽风喷射方式、喷1 3 高度、气流动量等关系到炉内 混合状况的参数进行了研究，研究结果表明，从模拟天然气与主气流的 混合情况来看，采用前后墙对冲布置天然气喷口的方式比四角切向喷入 方式效果要好；燃尽风四角切向喷入与炉内一次混合气流的混合充分， 从低层位置喷入燃尽风使混合的均匀性更好，有利于减小炉膛出口气流 的热偏差。对冲喷射可以降低炉内主气流的旋转强度，对减小炉膛出口 扭转残余有利。 周托等人1 3 3 】以某3 5 0 m w 锅炉为原型建立冷态模拟试验台，研究气 体再燃技术中再燃气体和炉内旋转气流的混合程度及气体再燃条件下实 验炉内的空气动力场，实验结果表明，不同的再燃风速度对炉内的空气 动力场有影响再燃风速度过小时，再燃风偏离射流轴线较早，不能射入 炉膛旋转气流的中心部位：而当再燃风速度过大时，会导致再燃风射穿 炉内旋转气流。在他们研究的3 个工况中，当再燃风速度为4 0m s 时， 再燃风速度对上二次风的覆盖效果最好。在实际锅炉中采用气体再燃降 低n o x 的燃烧技术时，必须确定合适的再燃风、一次风以及二次风的速 度配比，以达到再燃风速度能较好地覆盖上二次风的目的，从而保证再 燃气体在烟气中的浓度，提高脱硝的效率。 张忠孝等人【3 4 】在一台具有空气、燃料分级等多用途的一维热态实验 炉上，研究了天然气再燃过程中停留时间、过量空气系数、温度、煤种 9 山东大学硕士学位论文 等关键因素对n o x 释放规律的影响。研究结果表明：提高再燃区停留时 间有利于降低n o x 的排放；再燃区过量空气系数存在一个最佳值；再燃 脱硝效率随着再燃燃料量的增加而增大；较高的再燃区温度有利于n o x 的还原；实验中再燃脱硝效率达到了7 0 8 0 。 山东大学的耿萍【3 5 1 在一台具有燃料再燃、喷氨脱硝等多种用途的热 态试验炉内对天然气、液化气作为再燃燃料的再燃过程主要影响因素对 脱硝效果的影响规律进行了研究。通过研究发现，低温下( 数值模拟研究 考虑到数值计算的可能性必须对流场或者化学反应动力学机理进行 简化处理。目前对有机燃料燃烧过程中n o x 形成和还原的数学模拟有以 下两种方法【3 6 】： 第一种方法是考虑燃料、氧化剂和燃烧产物混合的空气动力学过程 及传热传质过程。由于描述这些过程的复杂性，因而不能较细地考虑燃 料燃烧和n o 。形成的化学动力学机理，燃烧和n o x 形成过程只能用总体 反应来考虑。 第二种方法正好与第一种方法相反，它详细考虑化学反应动力学机 理，而对流动和混合过程作大量的简化。这些以大量的化学基元反应为 基础的模拟可以确定任何时刻中间产物和最终产物的浓度，分析反应积 分可以确定燃烧和n o x 形成的反应机理及影响这些过程的最主要因素。 肖理生等人【3 7 1 采用三维计算机程序对湘潭电厂3 0 0 m w 四角切圆煤 粉锅炉内的流动、燃烧及传热过程进行了总体模拟。用后置处理法模拟 计算了n o x 的生成过程，湍流脉动对n o x 生成速率的影响采用f 1 2 p d f 模型进行模拟，模拟计算了5 个实际工况，考察了过剩空气系数、二次 风配风方式及磨煤机投停对n o x 排放的影响，将计算得到的n o x 排放浓 度与试验结果进行了对比，二者基本吻合。 1 0 山东大学硕士学位论文 苏胜【3 8 】采用基于“局部平衡假设 方法的n o 再燃子模型，将包含 有n o 反应模型耦合到煤粉燃烧三维数值模拟程序对卧式单角炉气体燃 料再燃降低n o 排放过程进行三维数值模拟，对照数值模拟结果与实验 测量数据，表明这种n o 生成还原模型能够比较准确的模拟气体燃料再 燃过程中炉膛内的燃烧状况和关键组分浓度的变化情况，同时也能准确 的预测n o 浓度变化的总体趋势。 刘汉周【3 9 】以西安热工研究院的一维试验炉为研究对象，对天然气再 燃进行热态数值模拟，得出了炉内各组分和n o 的分布情况，数值计算 与试验的结果的对比分析表明，模拟结果在数值以及变化趋势上和实测 值都非常接近，为更准确的研究天然气再燃降低n o 排放量的过程，可 以将数值计算与试验结合结合起来。 陈朝晖【4 0 j 在一台实验用管式炉上对管式锅炉内的流场情况、管式锅 炉内的n o 的浓度进行模拟计算，研究了各种参数对n o 还原效果的影 响。模拟计算表明，提高再然区温度有利于n o 的还原，再燃区过量空 气系数越小越有利于n o 的还原，再燃天然气比例的增加可降低n o 浓 度的排放，同时天然气的比例达到一定值后，再增加天然气输入量后对 还原n o 的影响逐步减小。 王惠【4 l 】以我国典型的四角切圆煤粉锅炉为研究对象，建立了煤粉扩 散燃烧和污染物n o x 生成还原模型，系统的研究了几个关键因素对天然 气再燃降低n o x 排放的影响，模拟结果表明，针对本文的研究对象，综 合考虑脱氮效率和锅炉燃烧效率，其最佳再燃区长度为8 0 0 m m ：再燃区 过量空气系数为0 9 ，主燃区过量空气系数为1 1 ；最佳的再燃燃料投入 位置为8 0 0 m m ；再燃燃料比例为1 0 1 5 。 目前，国内一些学者开始采用不同的化学反应动力学机理对影响再 燃过程的各种因素进行研究，取得了一定的成果。 沈伯雄等人以g r i m e c h 3 0 模型和g e a r 算法为基础，对天然气再 燃脱硝机理进行了研究4 2 , 4 3 】。他们通过研究指出g r i m e c h 3 0 模型可以 用于描述天然气再燃脱硝的基本化学反应过程，从模拟结果来看，再燃 燃料中h c n 和n h 3 浓度增加可以提高脱硝效率，单独h 2 和c o 气体 山东大学硕士学位论文 基本没有再燃脱硝效果，而再燃燃料中h 2 组分浓度的增加有利于低温 的再燃脱硝；再燃燃料中c o 浓度的增加不利于脱硝。 张忠孝等人在分析再燃机理中的一些关键反应步骤的基础上，建立 了天然气再燃还原n o 的化学反应动力学模型1 4 4 1 ，通过对该模型的计 算，研究了天然气在不同再燃工况下对烟气中n o 的还原过程。模型的 计算结果表明：n o 的分解与h c n 、c h i 和c o 组分的关联性极大；再 燃区过量空气系数在0 7 0 7 5 之间、温度在l5 0 0 k 15 5 0 k 之间时n o 再燃还原效果最好。 沈毅敏等人【4 5 】分析了煤粉炉内天然气再燃过程的扩散机制，并应用 快速反应模型和s i m p l e c 算法对天然气再燃过程进行了二维数值模 拟，得到了温度场和n o 浓度场。他们将c h 4 还原n o 的反应模型的化 学控制方程归结为： 4 c h 4 + 6 n o = 4 h c n + 6 h 2 0 + n 2( 2 - 8 ) 张海等人【4 6 1 在c h 4 空气对冲扩散火焰的燃料侧人为地掺混一定体 积分数的n h 3 或h c n ，数值模拟燃料型n o 的生成和还原，模拟使用 c h e m k i n 和g r l 3 0 反应机理。结果表明，n o 的生成和还原集中在火 焰锋面，在火焰中心附近体积分数值最大；含量相同时n h 3 比h c n 有 更明显的促进n o 生成的作用。 1 4 论文主要内容 课题以四角切圆煤粉锅炉为研究对象，建立合理的三维网格和数学 模型，利用f l u e n t 软件对天然气再燃还原n o x 进行三维数值模拟计算。 研究内容： ( 1 ) 建立了炉膛燃烧过程的数学模型，其中气相的燃烧过程采用组分输运 模型模拟，需要编辑适合天然气再燃工况的数学模型。 ( 2 ) 将网格导入f l u e n t 软件中，采用自定义的化学反应机理对天然气再燃 燃烧过程进行三维数值模拟，预测速度场、温度场、反应速率、组分浓 度场、n o 浓度场的分布规律。 ( 3 ) 在模拟天然气再燃燃烧特性的基础上，探讨影响n o 还原效率的各种 关键因素对n o 出口浓度的影响。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章数学模型 炉内燃烧过程是一个复杂的气固两相湍流燃烧过程，涉及到气相湍 流流动、离散相流动、多组分反应以及能量传递等等过程。在模拟计算 中，我们假定炉内的流动是一个稳态反应流，遵循质量守恒，动量守恒 和能量守恒，然后对质量、动量、能量、组分方程进行数值求解。本章 针对本文研究对象，简单介绍了上述过程涉及的各种模型。 2 1 煤粉燃烧过程的数学模型 2 1 1 基本控制方程 对于流动的数值模拟，f l u e n t 都是借助求解质量和动量守恒方程。 炉内燃烧过程可以看作是包含辐射传热、化学反应的多组分复杂流动， 在遵循质量、动量及能量守恒的基础上，还要遵循组分守恒。这样，复 杂的炉内燃烧过程就可以用通用的微分方程组：连续方程、动量方程、 能量方程和组分方程来描述： 连续方程： 粤i - 罢兰：0 ( 2 1 ) 动量方程： 能量方程： 组分方程： 掣+ 考瓴乃) = 毒l 善一p 丽 - 善+ 昭，c 2 埘 耄乒+ 考仁p z 于) = 毒( a 善一肛p 可 + 墨+ & c 2 柳 扣，+ 知胪如卦b 仁4 ， 状态方程：p = p 妒) ( 2 5 ) 其中，玩和“：分别是三维各个坐标方向的平均速度和脉动速度。于为 平均温度，是i 方向的重力加速度分量。卢和a 分别是由分子热运动而 产生的动力粘度系数和导热系数。冠为化学反应中各组分的生成率。 2 1 2 气相湍流流动模型 粘性流体的流动都可以用n a v i e r s t o k e s 方程描述。工程中的流体多 山东大学硕士学位论文 数以湍流的形态存在，由于湍流运动的高度非线性，很难通过求其n s 方程的解析解对其求解，人们通常借助数值方法对湍流运动进行模拟。 模拟湍流的方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方 法。直接数值模拟方法是指求解瞬时n a v i e r s t o k e s 控制方程；非直接数 值模拟方法就是不直接求解瞬时n a v i e r s t o k e s 方程，而是将瞬态的脉动 量通过某种湍流流动模型在时均化的方程中体现出来，现在经常使用的 湍流流动模型分为两种【4 7 】：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型，涡粘模型根 据确定湍流粘性系数所需要的微分方程的数目，可以把湍流粘性系数模 型分为：零方程模型、单方程模型及双方程模型，双方程模型中的七一模 型是迄今工程中应用最为广泛的湍流模型。 ( 1 ) 标准后一s 两方程模型： 标准七一模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能七和扩散率。七方 程是个精确方程，s 方程是个由经验公式导出的方程。忌方程，方程如 下： 掣+ 掣= 熟p + 尝矧崛睁舻七仁6 ， 掣+ 掣= 邻p + 刳讣q * 岷g m 。p 和亿7 ， 其中，q 是由于平均速度梯度引起的湍动能| | 的产生项，g 6 是由于浮力 引起的湍动能七的产生项，代表可压湍流中脉动扩张的贡献，c l 。、c 2 。 和c 3 。为经验常数，d 女和仃。分别是与湍动能七和耗散率对应的p r a n d t l 数，瓯和& 是用户定义的源项。 “是湍流粘度，可表示为k 和s 的函数，即： h = p 巴二( 2 - 8 ) 其中，常数巳= o 0 9 。c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，o s = 1 3 ，o r i = 1 0 。对于不可 压流体，q = 0 ，= o 。对于可压缩流体计算中，当主流方向与重力方向 1 4 山东大学硕士学位论文 平行时，g 。- 1 ，当主流方向与重力方向垂直时，g 。= o 。 当流动为不可压，且不考虑用户自定义的原项时，s 。= o ，s 。= 0 。 q = “ 2 ( 塞) 2 + ( 考) 2 + ( 老) 2 + ( 考+ 罢) 2 + ( 老+ 芸) 2 + ( 笔+ 爹) 2 ) c 2 - 9 ， 标准的七一模型可以应用于一般的流动问题。但是，当流线曲率很 大时，如回流或旋流时，由于流线曲率产生附加应变，使湍流扩散加强， 这时采用标准七一s 模型模拟结果和实际情况差别很大。因此，对四角切 圆燃烧锅炉炉内的湍流模拟就需要对标准七一s 模型进行修正。 ( 2 ) r e a l