（流体机械及工程专业论文）超临界w火焰锅炉劣质无烟煤燃烧及nox释放特性研究.pdf

摘要 超临界w 火焰锅炉劣质无烟煤燃烧及n o ，释放特性研究 摘要 我国高煤电比例的电力结构难以改变，电煤供应矛盾凸显，劣质无烟煤用于 发电已是必然，劣质无烟煤高效洁净燃烧技术备受关注。超临界w 火焰锅炉容量 大，参数高，效率高，通过提高炉膛热负荷、延长火焰行程、煤粉浓淡分离等技 术，可提高锅炉热效率，降低锅炉污染物排放，是有效解决劣质无烟煤高效低污 染发电的最佳途径。劣质无烟煤的品质低，燃烧性和环保性差，超临界w 火焰锅 炉技术必须基于良好的空气动力场特性、高效燃烧和低排放机理的研究，从而保 证机组安全高效和环保。为此，本文对超临界w 火焰锅炉炉内燃烧和污染物排放 机理开展深入理论分析和数值模拟的研究。不仅为超临界w 火焰锅炉设计和运行 提供依据，具有重大使用价值，对煤粉高效燃烧和污染物控排也具有重要意义。 本文以6 0 0 m 1 】| 超临界w 火焰锅炉为研究对象，基于1 0 0 负荷前后墙对称配 风的基础工况，在煤粉浓度为0 5 2 5 0 9 3 8k g k g 、与基础工况一次风速比为 0 8 1 1 2 5 、前后墙配风比为6 ：5 5 ：6 、燃尽风率为6 1 5 及不同锅炉负荷的 广泛参数范围内，利用f 1 u e n t 模拟研究炉内空气动力场特性、煤粉燃烧过程及 n 0 。释放特性，揭示超临界w 火焰锅炉劣质煤燃烧特性及n 0 ，释放规律。 本文系统研究了超临界w 火焰锅炉炉内空气动力场特性，模拟发现：由于超 临界w 火焰锅炉独特的炉膛结构和配风特点，下炉膛“w ”型流场形成的同时， 炉内形成两对双漩涡结构，可增加煤粉在炉内停留时间，有利于煤粉燃尽。炉膛 折焰角结构决定对称的配风不能形成对称的流场，前后墙配风方式可有效平衡折 焰角结构的影响，前墙风速大于后墙时炉内流场对称性较好，前后墙配风比并非 越大越好，前后墙配风比为1 0 5 时炉内流场对称性最佳。拱上增设燃尽风可减 少煤粉气流对喉口及前后墙的冲刷，避免结渣现象发生，燃尽风量过大或过小均 不利于炉内最佳流场的形成，存在最佳燃尽风率。 本文系统研究了超临界w 火焰锅炉炉内煤粉燃烧机理及其影响机制，模拟发 现：合理组织炉内煤粉燃烧可促进煤粉燃尽，提高机组效率。煤粉浓度对炉内煤 粉燃烧过程影响显著，随煤粉浓度增加，下炉膛过量空气系数减小，炉膛整体温 度水平先降低后升高，煤粉浓度过高，炉内不完全燃烧煤粉量增加，炉内温度水 平又出现下降趋势。因燃尽风的投入，下炉膛氧气含量减少，随燃尽风率增加， 不完全燃烧煤粉量增加，导致锅炉下炉膛整体温度水平逐渐下降，未完全燃烧的 华北水利水电学院硕士学位论文 煤粉在上炉膛继续燃烧，造成上炉膛整体温度水平升高。随锅炉负荷降低，因进 入炉膛的煤粉量减少，煤粉燃烧放热量减少，故炉膛整体温度水平逐渐下降。 本文系统研究了超临界w 火焰锅炉炉内n o ；释放规律，模拟发现：炉内n 0 ； 主要在煤粉燃烧前期距一次风喷口2 4m 处大量生成并达到最大值，随煤粉浓 度增加，炉内还原性气氛增强，生成的n 0 ，被c 0 等还原性气体还原，故炉膛出 口n 0 ，排放量逐渐减少。炉膛前后墙配风方式对炉内流场对称性影响较大，而对 炉内n 0 。释放影响不大。合理选择前后拱一次风速可有效控制炉内n o ，生成，一 次风速逐渐增加过程中，炉内n o ；浓度先降低后升高，存在最佳一次风速。燃尽 风的投入对炉内各物质含量及n 0 。释放影响显著，燃尽风率由6 增加到1 5 ，炉 膛出口n 0 ，排放量由7 5 6m g m 3 下降到5 0 2 9m g m 3 。随锅炉负荷降低，下炉膛过 量空气系数增加，炉内还原性气氛减弱，低负荷时炉膛出口n 0 排放量不降反升， 锅炉负荷由1 0 0 下降到7 5 时，炉膛出口截面平均n o 质量浓度由6 2 3 7 9m g m 3 升高到7 1 6 5m g m 3 。研究结果对超临界w 火焰锅炉实际运行中燃烧调整及降低 n 0 。排放有重要参考意义。 关键词：超临界w 火焰锅炉，n 0 ，释放特性，煤粉燃烧，煤粉浓度，燃尽风，锅 炉负荷 i i s t u d yo nt h ec o m b u s t i o n a n dn o 。r e l e a s e c h a r a c t e i u s t i cso fl o w q u a l i t y a n t h r a c i t ei ns u p e r c r i t i c a lw 二f l a m eb o i l e r a b s t r a c t t h ep o w c rs a m 曲l r em a tm ec o a lp o w e rp r o p o r t i o ni sl l i g l li sd i m c u l t t oc h a i l g e i nc 1 l i n a a i l dt l l ec o n t r a d i c t i o n so fm ec o a le l e c t r i c i t ys u p p l ya r eb e c o m i n gp r o m m e n t ， s ol o w q u a l i t ya n l r a c i t ei si n e v i t a b l e l yu s e df o rp o w e rg e n e r a t i o n ，趾dt h ee m c i e n t a i l dc l e a nc o h l b u s t i o nt e c h n o l o g yo f1 0 w - q u a l i t y 趿虹a c i t er e c e i v e sm u c hc o n c e m b e c a u s eo fm el a 唱ec a p a c i t y ，1 1 i 曲p a r 锄c t e r sa n de m c i e n c y ，s u p e r c r i t i c a lw - n 锄e b o i l e rc a ni m p r o v em e n n a le 伍c i e n c y r e d u c em ep o l l u t a n te m i s s i o n s ，a 1 1 di sm e b e s t w a yf o rp o w e rg e n e r a t i o nu s i n g1 0 w - q u a l i t ya n t l l r a c i t e s u p e r 嘶t i c a lw - f l 锄eb o i l e r r e a l i z e sm ep u 印o s eo fl l i 9 1 1e 伍c i e n c ya i l dl o wp 0 1 1 u t a n t 谢s s i o i l sb yi n 。cr e a l s m g 胁a c eh e a t1 0 a d ，e x t e n d i n gn 锄et r a v e la n dc o a ld e n s i t ys e p a r a t i o n a sa r e s u l to t m el o wq u a l i t ya n dp o o rc h a r a c t e r i s t i c si nc o l i 】【b u s t i o na i l dc n - v i r o n m e n t a lp r o t e c t l o n o fa i l t l l r a c i t e ，s u p e r c r i t i c a lw f l 锄eb o i l e rt e c h n 0 1 0 9 ym u s tb eb a s e do nm es t u d i e so f m ee x c e l l e n ta e i o d v n 锄i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，e 伍c i e n tc o n l b u s t i o na i l dl o wp o l l u t 孤t 萌n i s s i o nm e c h a m s mt o 伽e t l l a tt h eb o i l e ru 试ti ss a f e ，e m c i e n ta i l de n v i r o m n e n t a l s om e o r e t i c a la i l a l v s i sa i l d 姗m 耐c a ls i m u l a t i o na r ed e v e l o p e dt os t l l d y 也ec i d a l c o l i l _ b u s t i o na 1 1 dp o l l u t a n te n l i s s i o nc o n t r o lm e c h a i l i s mi ns u p e r 嘶t i c a lw m 锄e b o i l 瓯 t h er e s u l t sh a v eg r c a tp r a c t i c a lu s ea i l dn o to m yp r o v i d eab a s i sf o rm ed e s i 盟a n d o p e r a t i o no fs u p e r c r i t i c a lw m a m e b o i l e rb u ta l s oh a v e 铲e a ts i 龇f i c a n c ef o rt l l ec o a l c o n l b u s t i o na j l dp o l l u t a n te n l i s s i o nc o n t r o lm e o 够 t 1 1 es t u d ys u b i e c to ft | 1 i sp a p e rw a sa6 0 0 m ws u p 捌t i c a lw - f l 锄eb o i l 瓯 b a s e do nt l l eb a s i cc o n d i t i o nw h e nb o i l e rl o a dw 硒1o o a i l dm ea i rd i s t r i b u t i o no n t h e 舶n ta 1 1 dr e a rw a l lw a ss ) ，i l m e t r i c a l ，s o 胁a r ef l u e n tw a su s e dt 0 姗m e n c a l l y s t u d vm ec h a r a c t i 斑s t i c so fa e r o d y n 锄i cf i e l d ，t l l ep r o c e s so fc o a lc o 玎m u s t i o na 1 1 dm e r e l e a s ec h a r a c t 舒s t i c so fn o xw i l i n al a r g er a i l g eo fp a r 啪e t e r sw h e nc o a l c o n c 础a t i o nc h m g e d 丘d m0 5 2 5k g k gt oo 9 3 8k 眺g ，m e 埘m a r y a i rv e l o 啷，洲o i i i 华北水利水电学院硕士学位论文 w i t ht h eb a s i cc o n d i t i o nc h a n g e d 矗m0 81t o1 2 5 ，m ea i rd i s t r i b u t i o nr a t i oo fm e 舶n ta i l dr e a rw “1c h a l l g e d 肋m6 ：5t o5 ：6 ，m eo v * f i r ea i “o f a ) r a t ec h a l l g e d 舶m 6 t o15 a i l db o i l e rl o a dw a sd i 任打e n t ，s ot h a tt h el a wo fp u l v e r i z e dc o a l c o i n b u s t i o na 1 1 dn o xr e l e a s ei ns u p e r 嘶t i c a lw - f l a n l eb o i l e rc o u l d b er c v e a l e d t h ea e r o d v n a m i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r c r i t i c a lw n 锄eb o i l e rw e r e s y s t e r l l a t i c a l l ys t u d i e di nm i sp 印e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a to w i n gt om ep 州c u l a r 丘l m a c es 缸u c n l r ea n da i rd i s t r i b u t i o nc 】= l a r a c t e r i s t i c s t h ed o u b l e - v o r t e xn o ws t m c n l r e c mb ef o r m e di nt h e 向m a c ea sm e “w ”s h a p e dn o wf i e l di sf - o n n e di nm el o w e r 向m a c e ，w r h i c hc a i li n c r e a s et h er e s i d e n c et i m eo fc o a lp a r t i c l ei nt h em m a c ea n di s b e n e f i c i a lt om eb 啪o u to fp u l v e r i z e dc o a l b e c a u s eo fm en o s eo ft h e 如m a c e ， s n m e t r i c a ln o wf i e l dc a l ln o tb ef o m e de v e ni fm ea i rd i s t r i b u t i o ni ss y m m “c “ n e i m p a c to ft h en o s eo fm ef 1 1 m a c ew i l lb eb a l a l l c e db yt h ea i rd i s t r i b u t i o ns t y l eo n m e 舶n ta n dr e a rw a l l ，a n dt h es 舯e t r y0 f n o wf i e l dw i l lb eb e t t e ri f t h ea i rv e l o c i t y o nt h e 舶n tw a l li sl a r g e rm a l lt h a to nm er e a rw a l l ，b u tm ea i rd i s t r i b u t i o nr a t i oo f m e 行0 i na n dr e a rw a l lc 觚n o tb et o ol a 娼e ，t h es y m m e t r yo fn o w 丘e l di sb e s tw h e nm e a i rd i s t 曲u t i o nr a t i oo nt l l e 台0 n ta 1 1 dr e a rw a ui s1 0 5 t h es t r u c t l l r eo fo f aa b o v et 1 1 e a r i c hc a i le 髓c t i v e l yr e d u c em ee r o s i o ne 虢c to ft h ef l u eg a so fp u l v 舒z e dc o a lo nm e 1 ：r o a ta r e a ，m e 丘。o n tw a l la n dm er e a rw “l ，a n di sg o o da ta v o i d i n gs l a g 西n g t h e f l o wf i e l dw i l ln o tb eb e s ti f t h e0 f ar a t ei st o o1 a r g eo rt o os m a l l ，a n dt h e r ee x i s t sa 1 1 o p t i m a lo f a r a t e c o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fp u l v e r i z e dc o a la j l di t si n f l u e n c i n gm e c h a n i s mi n s u p e r 嘶t i c “w - 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e c t i v e l yc o n t r o l l e db ys e l e c t i i l ga r e a s o n a b l ep r i m a d ，a i rv e l o c i t yo nt 1 1 ef r o n ta n dr e a ra r c h ，a i l dn o xc o n c e n 扛a t i o ni n m e 凡m a c ew i l lf i r s t l yd e c r e a s ea n dt l l e ni n c r e a s ea st h ep r i m a r ya i rv e l o c i t yi n c r c a s e s 掣a d u a l l y ，s ot l l e r ee x i s t sab e s tp r i m a 巧a i rv e l o c i t y o f ah a sg r e a te 虢c t so nm e s u b s t 觚c ec o n t e n t sa | 1 dt h eg e n e r a t i o no fn o xi nm e 如m a c e ，n o x 锄i s s i o n sa t 触1 a c ee x i td e c r e a s e 行o m7 5 6m g m 3t o5 0 2 9m g m w i mt h eo f ar a t ei n c r e a s i n g f 妇n6 t o1 5 t h ee x c e s sa i rf a c t o ri nm e1 0 w e r 如m a c ew i l li n c r e a s ea n dm e 捌u c i n ga h n o s p h e r ew i l lb ew e a k e n e da sb o i l e rl o a dd e c r c a s e s ，s on o xe m i s s i o n sa t 如m a c ee x i tw i l li n c r e a s ei n s t e a do fd e c r e a s e ，a i l dm e a v e r a g e n o xm a u s s c o n c e n 仃a l i o na t 舢m a c ee x i ti n c r e a s e s o m6 2 3 7 9m g m t o716 5m g m a st h e b o i l e r1 0 a dd e c r e a s e s6 o m10 0 t o7 5 t h er e s u l t sh a v eg r e a tr e f e r e n c es i 鲥f i c a i l c e f o rt h e c o i i i b u s t i o n a 由u s t r n e n ta r l dn o xr e d u c t i o ni nt l l ep r a c t i c a lo p e r a t i o no f s u p e r c r i t i c a lw s h a p e dn 锄eb o i l e r k e y w o r d s ：s u p e r 嘶t i c a lp r e s s u r ew - f l a 【i l eb o i l c r ；n o x r e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c s ； p u l v 耐z e dc o a lc o n c e n t r a t i o n ：p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n ；o v * f i r ea i r ；b o i l e r l o a d v 1 绪论 1 1 研究目的与意义 1 绪论 随我国经济高速发展，能源需求不断增长，能源短缺现象逐渐显露。根据我 国能源资源的特点：多煤炭，少石油，缺天然气，煤炭在我国能源需求中占重大 比例，其中原煤占常规能源的8 4 7 。2 0 1 1 年全国发电装机容量1 0 6 亿k w ， 煤电仍高达8 2 ，高煤比的一次能源结构决定我国以煤电为主的电力结构，可预 见在未来几十年，煤炭仍将是我国最主要的一次能源。我国无烟煤储量丰富，劣 质无烟煤占全国煤炭资源总量的1 3 陋1 ，经济的快速发展导致我国电煤供应日益 紧张，劣质无烟煤被大量用于发电，但劣质无烟煤品质低，燃烧性和环保性差， 因此劣质无烟煤的高效低污染洁净燃烧发电技术备受关注。 燃煤电站锅炉是我国大气污染物的主要排放源，我国烟尘排放量的7 0 、s 0 。 排放量的9 0 、n o 。排放量的6 7 都来自于燃煤口1 。n o 。对环境有重大危害，主要表 现在： ( 1 ) n 0 ；可与s 0 ：一起形成酸雨，破坏土壤结构； ( 2 ) n 。o 是一种温室气体，可造成臭氧层破坏： ( 3 ) n o ，可形成光化学烟雾 同时，n 0 ，可刺激人体呼吸器官，具有致癌作用，故n o 。造成的大气污染问题 越来越受到人们的关注，随环境污染形势日益严峻，n 0 。控制排放至关重要。 研究表明w 火焰锅炉在高效燃烧低挥发份劣质无烟煤方面性能卓越。w 火焰 锅炉采用长火焰、分级配风，敷设卫燃带等关键技术h 1 ，使煤粉在距一次风喷口 数米处火焰作1 8 0 。转弯向上流动，整个燃烧室内火焰呈“w 状，可提高燃烧区 温度，增加煤粉在燃烧室停留时间，有效解决了燃用低挥发份劣质煤遇到的着火 温度高，难着火、难燃尽等难题。但运行实践表明w 火焰锅炉仍存在污染物排放 浓度高、飞灰含碳量大及机组效率偏低的问题嵋1 。超临界w 火焰锅炉通过提高炉 膛热负荷、延长火焰行程、煤粉浓淡分离等技术手段可使锅炉热效率大为提高， 运行表明超临界机组效率高达4 7 ，与亚临界机组相比效率提高了4 ，并能有效 降低锅炉烟气中污染物含量，是有效解决劣质无烟煤高效低污染发电的最佳途 径。但因超临界w 火焰锅炉投入运行不久，经验不足，因此超临界w 火焰锅炉的 模拟研究对揭示超临界w 火焰锅炉炉内燃烧规律、优化炉膛设计、防止炉内磨损 和结渣、降低炉膛出口飞灰含量、提高机组效率及提高锅炉安全性和经济性具有 指导意义。研究结果可促进对大型电站锅炉炉内火焰认识的深入，为超临界w 火 焰机组现场运行提供技术支持，可揭示超临界w 火焰锅炉炉内n o i 释放规律，降 低炉膛出口n 0 ；排放，具有重要理论研究与实践意义。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 2 研究现状 在我国，w 火焰锅炉技术经历了从整体引进到技术转让再到合作创新的过程， 国内3 0 0 m w 等级的w 火焰锅炉技术已趋于成熟。2 0 世纪9 0 年代末，世界第一台 6 6 0 m w 亚临界w 火焰锅炉在邯峰电厂实际运行中取得良好效益，经过近2 0 年的 发展，我国在亚临界w 火焰锅炉运行方面己积累大量经验，技术日益先进，已具 备了自主设计与制造能力，之后我国又建成多台6 6 0 m w 级w 火焰机组，分别安装 在我国西南和西北地区。经过多年的运行实践，我国大容量亚临界w 火焰锅炉机 组技术更加成熟可靠，为我国发展超大容量机组积累了大量经验。2 0 0 9 年，世 界首台超临界w 火焰锅炉在我国金竹山电厂试运行成功，该锅炉具有技术世界领 先、高效、节能、环保等优点，运行实践表明超临界机组效率高达4 7 ，可比亚 临界机组效率提高4 。因超临界w 火焰锅炉机组运行时间短，经验不足，对超 临界w 火焰锅炉机组的研究还处于起始阶段，有关w 火焰锅炉的研究主要集中在 亚临界机组。 目前，主要采用数值模拟技术与机组现场运行相对比的方法研究锅炉燃烧 - 1 0 】。w 火焰的燃烧问题的研究集中在亚临界机组，良好的空气动力场是炉内高 效洁净燃烧的重要前提，梁晓宏n 、阳德志n 2 1 对w 火焰锅炉炉内流场进行了三 维数值研究，并提出炉内形成良好空气动力场需采取的措施。w 火焰锅炉燃烧器 布置方式及炉膛配风对炉内流场及燃烧状况影响显著，炉膛配风试验发现w 火焰 锅炉拱上风与前后墙配风比是形成对称w 火焰和煤粉燃尽的关键因素u 卜1 6 1 。车刚 等n 7 删试验显示燃烧器垂直向下布置方式可缓解火焰短路和气流冲刷冷灰斗现 象，火焰呈对称“w ”型，增设折焰角后，气流对炉膛出口转弯处冲刷加强，破 坏了滞止区，增大了炉膛充满度，使气流沿燃烧室高度方向分布趋于均匀。 运行实践表明：w 火焰锅炉炉内火焰的充满度、w 火焰的对称性、燃烧稳定 性及磨损和结渣特性对w 火焰锅炉设计和安全运行影响很大。对“w ”型火焰锅 炉炉内煤粉燃烧的研究主要集中在w 火焰锅炉结构效应n 9 22 | 、结渣特性砼3 2 7 1 及减 少n 0 ，瞳8 3 3 1 排放方面。高正阳等乜们模拟研究了炉膛结构对w 火焰锅炉的影响，并 提出改造方案，改善炉内燃烧状况，方庆艳等心4 3 对w 火焰锅炉结渣特性进行了详 细研究，并通过锅炉运行现场试验，提出减少锅炉结渣的措施，雷霖等口钔研究了 二次风改造对w 火焰锅炉燃烧的影响，刘泰生等朝模拟研究了燃尽风对w 火焰锅 炉炉内流动和燃烧过程的影响。 近年来，n 0 ，排放造成的大气污染问题越来越受到人们的关注，严峻的环境 形势要求燃煤n o ，的控制排放至关重要。目前国内机组主要采用两种方法控制n 0 。 排放口6 。，一种为低氮燃烧技术，包括空气分级技术、燃料分级技术和低氮燃烧器 等；另一种为烟气中n o ，的烟气脱硝技术，主要有选择性催化还原法和选择性非 催化还原法。已有的研究口7 4 3 1 主要集中在四角切圆锅炉中煤质、煤粉粒度、配风 2 1 绪论 方式、煤粉掺烧、锅炉负荷及过量空气系数等因素对炉内n 0 ，生成规律的影响， 文献h 4 。4 6 3 在一维煤粉实验台上研究了煤粉细度、过量空气系数及炉内温度对n o ， 生成的影响，文献h 7 5 2 1 分析了一次风率、燃尽风、外二次风叶片角度及煤质特性 与结构参数等因素对炉内n o ，生成规律的影响，周俊虎等嵋3 印从生成机理方面详 细研究了煤粉浓度对炉内n 0 ，生成的影响，高正阳等删研究了负荷和燃尽风对炉 内n 0 ，生成的影响。张晓辉口7 咱8 | 、h i l l 陌鲫和s p i n t i 们等学者针对煤粉燃烧过程中 n 0 。排放特性进行研究。因超临界w 火焰锅炉刚投运不久，对超临界w 火焰机组 的研究主要集中在水冷壁结构上，马王鹏阳1 1 、王通等2 1 综述了超临界w 火焰锅炉 的设计特点，而对超临界w 型火焰锅炉炉内燃烧过程及n o ，生成的研究鲜有报道。 由于超临界w 火焰锅炉独特的炉膛结构和配风特点，对超临界w 火焰锅炉炉内煤 粉燃烧规律及n 0 ，释放进行研究有重要经济与环境效益。 1 3 本文研究内容 本文利用f 1 u e n t 中计算模型，针对超临界w 火焰锅炉炉内燃烧过程及污染 物释放规律进行数值模拟研究，数值模拟的流程图如图卜1 所示。通过炉内冷态 流场的模拟研究，获得形成炉内良好空气动力场所需的炉膛配风方式，为模拟炉 内煤粉燃烧过程奠定基础。分析各种因素对炉内煤粉燃烧过程的影响，以揭示炉 内燃烧规律，并采取措施降低炉内n 0 ，生成，减少炉膛出口n o ，排放，为超临界w 火焰锅炉现场安全经济运行提供指导。本文主要包括以下几部分内容： ( 1 ) 应用f 1 u e n t 前处理软件g 锄b i t 建立超临界w 火焰锅炉物理模型，并选择 合理的网格划分方案分区划分网格，根据炉内煤粉燃烧理论，选择合适的湍流燃 烧模型及n o ，生成模型。 ( 2 ) 利用f 1 u e n t 中湍流模型，获得锅炉冷态时炉内形成最佳空气动力场所需的 配风方式，确保炉内“w ”型流场的对称性，减少炉内结渣可能性。 通过对炉膛燃尽风的数值模拟研究，分析燃尽风对炉内流场的影响，得出炉 内形成最佳流场时炉膛配风比，为炉内煤粉燃烧及n 0 ，生成的数值模拟做准备。 ( 3 ) 选择合适的燃烧模型，模拟分析煤粉浓度、一次风速、前后墙配风方式、 燃尽风及锅炉负荷对炉内煤粉燃烧过程的影响，揭示煤粉在炉内燃烧规律，采取 措施促进煤粉安全经济燃烧。 ( 4 ) 炉内煤粉燃烧的数值模拟已收敛的基础上加入n 0 。模型，数值模拟研究煤粉 浓度、一次风速、前后墙配风方式、燃尽风及锅炉负荷对炉内n 0 ；生成的影响， 揭示炉内n 0 ，释放规律，降低炉膛出口n 0 ，排放。 3 华北水利水电学院硕士学位论文 图1 1 数值模拟流程图 f i g 1 1f 1 0 wd i a g r a mo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 2 煤粉燃烧理论与数值计算模型 2 煤粉燃烧理论与数值计算模型 2 1 煤粉燃烧理论基础 炉内煤粉燃烧过程对燃烧经济性、锅炉效率、锅炉磨损结渣及炉膛出口n 0 。 排放等一系列因素有重要影响，因此，必须了解炉内煤粉燃烧过程，合理组织炉 内燃烧，促进煤粉在炉内安全经济燃烧。 2 1 1 煤粉燃烧理论 煤粉与空气经燃烧器一次风喷口以射流形式喷入炉膛后，在炉内以悬浮状态 燃烧并形成煤粉火炬，从燃烧器出口到炉膛出口，煤粉的燃烧过程大致可分为三 个阶段： ( 1 ) 着火前准备阶段 煤粉气流喷入炉内到煤粉着火这一过程称为煤粉着火前准备阶段，此阶段内 煤粉气流被烟气及炉膛辐射不断加热，温度逐渐升高。煤粉受热后水分首先蒸发 出来，之后干燥的煤粉开始热分解并析出挥发分，着火前煤粉只发生缓慢氧化， 氧浓度与飞灰含碳量变化不大。煤粉继续受热，达到着火温度，煤粉气流开始着 火。一般认为煤粉颗粒有两种着火模式，一种是均相着火，表现为煤的着火首先 在气相中发生，即煤粉颗粒受热后析出的挥发分与空气中氧混合，而后着火由挥 发分的快速燃烧开始，挥发分燃烧产生的热量使残留焦炭被加热，达到着火温度 后开始燃烧晦3 。另一种是多相着火，表现为挥发分着火的同时煤粉颗粒表面碳也 开始快速氧化，两者同步进行。此外，随煤粉颗粒特性、加热条件及氧浓度等变 化，着火方式会发生过渡。 ( 2 ) 燃烧阶段 煤粉着火后进入燃烧阶段，挥发分燃烧释放的热量加热炭粒，炭粒温度迅速 升高，炭粒的着火燃烧首先从局部开始，在炭粒表面氧的共同作用下，燃烧迅速 扩展到整个表面。煤粉气流一旦着火燃烧，可燃质与氧发生高速的燃烧化学反应， 放出大量的热，放热量大于周围水冷壁吸热量，烟气温度迅速升高达到最大值， 氧浓度及飞灰含碳量则急剧下降。 ( 3 ) 燃尽阶段 燃尽阶段是燃烧过程的继续泓3 ，煤粉经过燃烧阶段后，碳粒变小，表面形成 灰壳，大部分可燃物已燃尽，只剩少量未燃尽碳继续燃烧。在燃尽阶段，氧浓度 相应减少，气流扰动减弱，燃烧速度明显下降，燃烧放热量小于水冷壁吸热量， 烟温逐渐降低，因次燃尽阶段占整个燃烧阶段时间较长。 2 1 2n 0 生成机理 为降低燃烧过程中n o 。生成，必须了解n o 。生成机理及影响n 0 。生成的各种 5 华北水利水电学院硕士学位论文 因素。实际过程中n 0 ，生成可分为热力型n o ，、燃料型n 0 ，、快速性n 0 。，各种n 0 。 生成机理和生成条件完全不同。 2 1 2 1 热力型n 0 。的生成 热力型n 0 ，是指燃烧用空气中的n 。在高温下被氧化而生成的氮氧化物，热力 型n 0 。生成过程中不仅要考虑化学热力学因素，而且要考虑反应的中间过程。热 力型n 0 。的生成遵循捷里道维奇反应模型，认为n 0 。的生成速率为： 掣_ 3 1 0 1 4 嗍d 2 】e x p ( 。5 4 2 0 0 r ) ( 2 _ 1 ) 式2 1 中： 0 2 、 n ： 、 n o 分别为0 2 、n 。、n 0 的浓度( m o l c m 3 ) ，t 为 绝对温度( k ) ，t 为时间( s ) ，r 为通用气体常数( j m 0 1 k ) 。 由式2 1 可得，热力型n 0 ，的主要影响因素为温度和炉膛含氧量，最主要是 温度。实际上，燃烧温度低于1 8 0 0k 时，热力型n o ，生成极少，温度高于1 8 0 0k 时，热力型n o ，开始大量生成，并随温度的升高呈指数规律增长，热力型n o ，生 成与温度关系如图2 1 所示。炉内实际燃烧过程中，燃烧的不稳定将产生局部高 温区，它对热力型n 0 ，生成起关键作用，因此，在实际燃烧过程中降低热力型n 0 ， 生成的重要措施是口6 3 确保炉膛热负荷均匀、减少炉内局部高温区的出现、减少 n 。在高温区的停留时间并适当降低高温区的过量空气系数。 9 0 0 考 歉7 6 0 度 g6 0 0 4 5 0 3 0 0 1 5 0 o 1 6 0 01 7 0 01 8 0 0 温度。 图2 1 热力型n o ，生成与温度关系曲线 f i g 2 1r e l a t i o nc l l r 、r eo fm 锄a 1n o x 锄dt e m p e r a t u r e 2 1 2 2 燃料型n 0 x 的生成 燃料型n 0 。在煤粉燃烧过程中生成，燃料中部分含n 化合物受热分解，转化 为大量含氮中间产物，随后被氧化生成n 0 。对于挥发分中n ，主要以含n 气体 6 2 煤粉燃烧理论与数值计算模型 中间产物h c n 和n h 。析出晦3 j ，随后被氧化生成n 0 。，但在富燃料缺氧条件下燃烧 时，未被氧化的h c n 和n h 。又将与n 0 ，发生反应生成n 。，剩余n 留在焦炭中，也 随焦炭的燃烧被氧化为n 0 ，同时，焦炭本身具有一定的还原性，也可将部分n o 。 还原成n 。，燃烧过程中燃料氮平衡关系如图2 2 所示。因焦炭中的n 含量较少， 对燃料型n 0 ，的影响并不是很大，因此，控制燃料中挥发分n 的释放及反应条件 是降低燃料型n o ，生成的主要方法。同时燃料中n 含量越少，过量空气系数降低， 燃料型n 0 ，的生成量逐渐降低。 图2 2 煤粉中燃料氮平衡关系图 f i g 2 - 2r e l a t i o nd i a g r a mo fc o a l 向e ln i 昀g e i lb a l 锄c e 2 1 2 3 快速性n 0