（工程热物理专业论文）细粉分离试验研究和循环流化床锅炉优化设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 燃烧( 特别是燃煤) 过程的氮氧化物( n o x ) 气体是引起酸雨、温室效应、 导致光化学烟雾和破坏臭氧层的主要物质之一，已成为全球性面临的空气污染难 题。随着环保要求的提高，控制n o x 的排放和研究低n o x 煤粉燃烧理论及技术 已成为煤粉燃烧领域的重要课题，其中再燃技术是一种常见的方法。由于这一技 术造价低，易于实现，而且脱销效率高，所以是最行之有效的降低n o x 排放的 方法之一。国外对此进行了大量的研究，且有工业应用，n o x 降低达到5 0 以 上。 本文首先探讨了煤燃烧过程中n o x 的生成和n o x 的破坏机理。重点探讨了 控制n o x 形成的技术措施，再燃还原n o x 的机理及影响再燃的主要因素，进一 步指出采用超细煤粉再燃降低n o x 具有相当大的吸引力和可行性。 大量的试验研究发现，用超细煤粉作为再燃燃料时降低n o x 排放的效果较 好，而要实现这一技术的个关键问题便是如何获取超细煤粉。在对比分析了一 次风再燃和三次风再燃和常见惯性分离机构的情况下，结合对镇海电厂6 7 0 t h 锅 炉机组的研究分析，提出了一次风超细粉再燃的初步方案，在撞击块细粉分离试 验中选用了电厂常规细度煤粉作为原粉，在气固多相流试验台上进行了试验研 究，得出了多因素影响细粉制备的规律，在满足浓淡比的条件下进一步考察浓淡 两侧的粒径分布，为选择既能提供合适的煤粉浓淡，又能满足煤粉颗粒尺寸的惯 性分离装置提供了试验和理论依据，为超细煤粉再燃的工业应用打下了基础。 循环流化床锅炉n o x 排放量受锅炉设计参数影响很大，而且各参数之间相 互影响，具有很强的耦合性，相互关系很难以常规的计算公式表达，而人工神经 网络技术具有的强大的联想功能和记忆功能以及对于非线性变量的映射能力、 本文运用b p 神经网络建立了大型循环流化床锅炉的优化设计模型，模型以影响 目标值的因素为输入变量，以n o x 产量为输出变量，用电厂采集的数据样本进 行训练，它可在运行中自动学习，适应很大的容量范围，并根据该模型提出了锅 炉优化设计方法，可保证锅炉燃烧污染物排放最优。 关键词：再燃，氮氧化物( n o x ) ，超细煤粉，粒径分布，人工神经网络，循环流 化床，优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t n o xi so n er e a s o no fa c i dr a i n ，g r e e n h o u s ee f f e c t ，p h o t o c h e m i c a lf o ga n d b r e a k a g eo fo z o n o s p h e r e ，w h i c hi sp r o d u c e db yc o m b u s t i o n ( e s p e c i l yc o m b u s t i o no f c o a l ) i th a sb e c o m et h eg l o b a lp r o b l e mo fa i rp o l l u t i o n b yt h er e a s o no fi n c r e a s eo f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni s s u e ，i ti sa ni m p o r t a n tt a s kt h a tp e o p l ec o n t r o lt h ee m i s s i o n o f n o xa n ds t u d yt h et h e o r yo fc o m b u s t i o no fp u l v e r i z e dc o a lf o rl o wn o xe m i s s i o n i nt h ef i e l do fp u l v e r i z e dc o a lb u r n i n g o n eo ft h e s ei sf u e lr e b u r n i n g i ti so n eo ft h e e f f e c t i v em e t h o do fl o wn o xe m i s s i o nf o ri tl o wc o s t ，e a s yr e a l i z a t i o na n dh i g h e f f e c t i v eo fn o xe m i s s i o n p l e n t i f u li n v e s t i g a t i o nh a sb e e nd o n ea n di th a sb e e n a p p l i e di ni n d u s t r y a n dn o xe m i s s i o nt om o r et h a n5 0p e r c e n t t h ep a p e rr e s e a r c h e do nt h ec r e a t i o na n db r e a k a g em e c h a n i s mo fn o xf r o m c o a l f i r e db o i l e r s e s p e c i a l l yr e s e a r c h e do nt h et e c h n o l o g yw h i c hc o n t r o l st h ec r e a t i o n o f n o x t h em e c h a n i s mo fr e b u m i n gw h i c hd e o x i d i z e sn o xa n dt h em a i ni n f l u e n t i a l f a c t o r so fr e b u r n i n gi sa l s or e s e a r c h e do ni nt h ep a p e r m o r ea t t r a c t i o na n df e a s i b i l i t y o f m e t h o do f r e b u r n i n gu s i n gs u p e r f i n ep u l v e r i z e dc o a li sp u tf o r w a r d a g r e a td e a lo ft e s tw o r k sh a v es h o w nt h a tf i n ec o a lc a nc a nb eu s e df o r r e b u r u i n ga n di t se f f e c ti sv e r yg o o d ，t h ek e yp r o b l e mt or e a l i z et h i st e c h n o l o g yi s h o wt og e tf i n ec a 0 1 t h ep r i m a r ys c h e m eo fs u p e r f i n ep u l v e r i z e dc o a lr e b u m i n go f f i r s tw i n di sb r o u g h tf o r w a r di nt h ep a p e rb yt h ea n a l y s i so f6 7 0 t nb o i l e ro fz h e n h a i p o w e rp l a n ta f t e rt h ea n a l y s eo f t h ef i r s tw i n dr e b u r n i n ga n d t h em i r dw i n db e b u r n i n g a n df a m i l i a ra n di n e r t i a ls e p a r a t em a c h i n e t h ee x p e r i m e n t a t i o ni sd o n eo nt e s t b e do f m u l t i p h a s el i q u i du s i n gt h ep u l v e r i z e dc o a lo fg r o o v yd i a m e t e r t h er u l et h a te f f e c t s f i n ep u l v e r i z e dc o a lc r e a t i o ni sg a i n e di nt h ep a p e r t h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o no fs h a d e o fb o t hs i d e si si n v e s t i g a t e dw h e ns h a d ep r o p o r t i o ni ss a t i s f i e d i to f f e r st h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lb a s ef o ri n e r t i a la n ds e p a r a t ee q u i p m e n tt h a tc a nf u r n i s ha p p r o p r i a t e p u l v e r i z e dc o a ls h a d ea n dg r o o v yd i a m e t e ni ti sb a s ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ff m e p u l v e r i z e dc o a lr e b u m i n g b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo f t h en o x p r o d u c t i o nm e c h a n i s m ，i ti sv e r yd i f f i c u l t t oe s t a b l i s ha ne x a c tm a t h e m a t i c a lm o d e lt oe s t i m a t et h ep r o d u c t i o no f n o xe m i s s i o n i i a b s t r a c t a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sh a v eg o o dm e m o r yc a p a b i l i t ya n dc a p t u r ec a p a b i l i t yf o r n o n - l i n e a r i t yr e g u l a r i t y o p t i m a ld e s i g nm o d e lo fl a r g ec f bb o i l e ri se s t a b l i s h e db y u t i l i z i n gb a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k t h ed e s i g np a r a m e t e r st h a tc o n t r i b u t et o n o xe m i s s i o na r eu s e da st h ei n p u t so f t h en e u r a ln e t w o r km o d e l ，a n dn o x p r o d u c t i o ni su s e da so u t p u t s d a t ad o w n l o a d e df r o md c s h a v eb e e nu s e dt ot r a i nt h e m o d e l i tc a r la u t o m a t i c a l l ys t u d ya n da d a p tal a r g er a n g eo f c a p a b i l i t y o p t i m i z e d b o i l e rd e s i g nt e c h n i q u ei sr e c o m m e n d e d t h e nt h eb o i l e ro p e r a t i o ne f f i c i e n c yc a nb e g u a r a n t e e da n dc o n t a m i n a t i o ne m i s s i o nc a nb eg r e a t l yr e d u c e d k e yw o r d s ：m b u r n i n g ；n o x ；s u p e r f i n ep u l v e r i z e dc o a l ；p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ；c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ；o p t i m a ld e s i g n 学号2 0 2 0 8 2 4 4 独创性声明 y 7 7 6 2 3 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得进姿盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：尹泻 签字日期： 加占年；月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乎渴 签字日期：加吵年；月甲日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 扬前 签字日期：z 妒岁年多月7 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国能源规模的扩大和电力工业的飞速发展，电厂中燃煤产生的污染 物越来越多的引起人们的重视。煤炭是我国分布最广、较为丰富的能源，而石油、 天然气资源则相对不足，预计到下世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改 变。我国的电能预测表明，从2 0 0 0 年到2 0 5 0 年，我国煤电占电能生产的比例仍 会维持在7 0 以上【1 1 。煤属于污染性能源，我国大气污染的主要来源是工业燃煤 污染物的排放，其中尤以电站燃煤锅炉污染物的排放为甚，氮氧化物就是一种危 害性极大的污染物，急需要得到控制和缓解。 1 1 1 中国燃煤电站锅炉气态污染物捧放现状及危害 我国是产煤和用煤大国，占世界煤产量的2 5 ，而煤炭本身存在着飞灰大， 转换效率低，燃烧后产生大量的灰渣及硫、氮、粉尘、微量金属化合物等有害排 放物等缺点。据统计，我国每年排出的粉尘量约为2 8 l o t t ，而由煤排放的粉尘 量约为2 2 x1 0 7 t ，占总量的7 8 6 【2 1 ；1 9 9 7 年我国s 0 2 排放量为2 3 4 6 1 0 7 t ，其 中燃煤排放量占8 5 1 3 1 ；n o x 的排放总量已由1 9 8 0 年的4 7 6 x1 0 6 t 快速发展到 1 9 9 6 年的1 2 x1 0 h t 4 1 ，燃煤排放n o x 占总量的7 0 以上。大量的污染物排放使 得环境日益恶化，严重影响了人类的健康与生存。 氮氧化物种类很多，有一氧化氮( n o ) 、而氧化氮( n 0 2 ) 、一氧化二氮( n 2 0 ) 、 三氧化氮( n 0 3 ) 、三氧化二氮( n 2 0 3 ) 、五氧化二氮吖2 0 5 ) 等，总称n o x 。造成大 气污染的主要是一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 。 大气中氮氧化物的危害主要有以下几个方面5 。10 】： 1 形成酸雨 n o 。与s 0 2 和粉尘共存会生成毒性更大的硝酸和硝酸盐气溶液，形成酸雨。 酸雨已经成为我国乃至全世界环境污染的重要因素。我国在八十年代中期全国酸 雨污染的农田面积已达4 0 0 0 万亩，每年造成的经济损失达1 5 亿元以上。欧洲经 济委员会和联合国环境规划署进行的调查表明，全欧洲1 1 亿公顷的森林中有 5 0 0 0 万公顷因酸雨的影响而变的脆弱和枯萎。 2 造成温室效应 n z o 俗成笑气，它能吸收红外辐射，导致温室效应。虽然在大气中的含量 第一章绪论 n 2 0 比c 0 2 低得多，但是其吸收红外线的能力是c 0 2 的两倍以上。而温室效应 是目前全球变暖的主要原因。将会给全球的环境带来严重的问题。 3 形成光化学烟雾 n o 和n 0 2 在太阳光的照射下，通过一系列的反应生成有毒的光化学烟雾， 这种以o 、p a n ( 过氧乙酰基硝酸酯) 和h 2 s 0 4 为主要成分的光化学烟雾，会减 少可见度，伤害人的眼睛和呼吸道，而且p a n 还具有致癌作用。这种污染主要 是氧化型的大气污染，例如洛杉机发生的光化学烟雾就属于这种类型。 4 破坏臭氧层对地面生物造成危害 n o x 可以通过反应n o + 0 3 = n 0 2 + 0 2 和n 0 2 + o = n o + 0 2 两个反应将臭氧层中 的0 3 转化为0 2 ，使臭氧层越来越少，导致较多的紫外线辐射到地球表面，对人 类造成灾难性的影响。 5 具有毒性 在空气中，随着n o 的浓度增大，其毒性明显增加，而n 0 2 毒性更大，约 为n o 的4 5 倍，而且n o 可以通过反应：2 n o + ( h = 2 n 0 2 向n 0 2 转化。n o x 的毒 性主要表现在它们很容易和动物血液中的血色素结合，使血液缺氧，引起中枢神 经麻痹。n 0 2 还对呼吸器管粘膜有强烈的刺激作用，引起肺气肿和肺癌。此外 n 0 2 对人体的心、肝、肾和造血组织等都有损害。 1 1 2n o x 的主要来源和捧放标准 b 前国际上确定的全球n o x 释放源包括：化石燃料燃烧排放( 主要是高温燃 烧时燃料中n 的氧化和对大气n 2 的固定，包括汽车尾气、电厂和冶炼厂的排放 等) 、生物质燃烧释放、土壤中n 的微生物过程释放、闪电合成、平流层光化学反 应、飞机排放和大气中n h 3 的氧化。人类活动约对全球n o x 年释放量的贡献大于 7 0 ，与n 的生物地球化学过程有关的释放源( 土壤释放、n h 3 氧化、平流层n 2 0 氧化，n 2 0 和n h 3 主要来自地表生物作用过程) 的贡献约2 0 。与n o x 截然不同 的是，土壤是全球n 2 0 的最重要释放源，而化石燃料燃烧的贡献量接近于零，全 球年n 2 0 释放总量中人类活动的贡献量不到5 0 】。 1 9 9 4 年，全国发电量0 9 1 0 1 2 k w h ，其中火力发电占8 0 ，耗煤约4 0 0 m t ， 而每燃烧l t 煤就产生约8 9 蚝氮氧化物“2 1 。在可预见的将来，我国大多数电厂的 主要燃料仍将是煤，这就使得控制燃煤电厂n o x 排放的问题越来越紧迫。 浙江大学硕士学位论文 为了保护环境，实现国民经济的可持续发展，世界上的许多国家，均相继立 法，对燃煤电站锅炉的n 0 x 排放浓度加以限制。目前，世界上各个国家都根据自 己能源结构、技术状况订立自己的排放标准，这些标准随着技术的进步，经济实 力的加强以及对环境意识的提高而不断提高。 但由于排放标准的制定是一个复杂的过程，而且在n o x 的排放构成中，固 定式排放源( 如发电厂、工业燃烧装置等) 起着主要的作用，所以绝大多数国家 的立法只限于控制固定式排放源。表1 - l 为欧盟2 0 0 1 年新的排放标准。当然， 由于各国的情况不同，制定的标准和政策也不一样。表1 2 比较了几个国家的燃 煤电站锅炉的n o x 排放标准。 表1 - 1 欧盟2 0 0 1 年n o x 捧放标准m 表l - 2 燃煤电站锅炉n o i 捧放括准比较 在我国，国家环保局于1 9 9 6 年3 月7 日发布了火电厂大气污染排放标准 ( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，规定对从1 9 9 7 年1 月l 曰起初步设计通过的新、扩、改建 火电厂3 0 0 m w 及以上机组，无论燃用何种煤料，固态排渣煤粉炉n o x 排放浓 度不得超过6 5 0 m g m 3 ，液态排渣煤粉炉不得超过1 0 0 0 m g m 3 1 ”】。对燃油、燃气 锅炉也提出了相应的排放标准。有些地方政府对燃煤锅炉制定了更为严格的n o x 排放标准，如北京市明确要求所有在京电厂锅炉必须采用低n o x 燃烧器，使其 n o x 排放量小于5 5 0m g m 3 t 1 6 1 。 1 1 3 再燃技术的提出 所谓再燃( r e b u m i n g ) 也称燃料分级或炉内n o x 还原法，再燃是- - ；f o e 燃烧改进 技术，它用燃料作为还原剂来还原燃烧产中的n o x 。再燃技术是近年来新兴的一 第一章绪论 种技术，在国外有很多科研机构对再燃进行了大量的研究工作，由于这一技术造 价低，易于实现，而且脱硝效率高丽成为非常具有发展前途的技术。 再燃即炉p q n o x 还原法，是一种3 段燃烧方式，即沿炉膛高度，自上而下依 次为主燃区、再燃区和燃尽区3 段，在炉膛( 燃烧室) 内设置二次燃料欠氧燃烧的 n o x 还原区段，也即再燃区，以控n n o x 的最终生成量的一种”准二次措施”。 最早发现再燃脱硝的是w e n d t 和m y e r s o n 【l ”，他们通过实验发现将甲烷在 电站锅炉中主燃烧区的下游( 紧贴主燃烧区的地方) 作为再燃燃料喷入，可以使 n o 的排放降低5 0 。再燃烧技术首先由w e n d te ta l 于1 9 7 3 年提出，称为i f n r 技 术( i n f u r n a c en o xr e d u c t i o n ) ，1 9 8 3 年，t a k a h a s h i e ta l t l 8 】在三菱重工的实验中报 道了运用再燃烧方法可以降低n 0 x 排放量超过5 0 ，这种方法作为一种实际的低 n o ) 【燃烧技术，人们开始重视这项技术并对其进行了多方面的研究。 再燃技术包括天然气再燃、煤粉再燃、生物质再燃等。再燃燃料可以是气体 ( 天然气、焦炉煤气) 、液体( 水煤浆、重油) 、固体( 煤、生物质燃料) 。在日本、 美国、欧洲，再燃技术已开始应用于新建电站锅炉和已有电站锅炉的改造上，在 商业运行中取得良好的环境效益和经济效益。国外一般采用天然气作为再燃燃料， 这是因为燃料分级燃烧在炉膛内需要三级燃烧区，这使得燃料和烟气在再燃区 的停留时间较短，所以，二次燃料选用易于燃烧的气体燃料天然气，但这要求有 稳定的天然气气源。在最初的研究中，由于天然气本身不含氮，在燃烧中不会产 生附2 1 3 n o x ，因此很快成为被人们研究最多的对象。但对于大多数的燃煤电厂来 说，由于煤粉方便易得，国内外许多学者提出采用与主燃料相同的煤粉作为再燃 燃料，其最大的优点是：具有较好的经济性，在燃煤电厂里便于实现。g l a s se ta l ， b o s ee ta l 较早的展望了煤粉再燃烧技术，并进行了实验研究，发现煤粉特别是挥 发分较高的褐煤和烟煤再燃时可以获得比天然气更好的效果【伸们。煤开始成为 人们研究的首选的再燃燃料。 再燃技术的主要特点是：不仅最大限度地控制n o x 的排放，而且使锅炉 燃烧更加稳定，尤其使低负荷运行性能得到改善，并可提高锅炉的运行效率； 可以避免炉内结渣、高温腐蚀等其他低n o x 燃烧技术带来的不良现象；该技 术只需在炉膛适当位置布置几个喷口即可，系统简单，投资较少；无二次污染。 根据目前我国的经济发展水平，再燃烧技术在我国有一定的应用前景1 2 ”。 4 浙江大学硕士学位论文 一般情况下，再燃燃料的比例1 0 2 0 之间比较合适。如果再燃燃料量太 小，则降低n o x 排放的效果不好；如果太大，则一方面减少n o x 的效果已不明 显，令一方面会带来燃料燃尽等一系列问题。在选择合适的再燃比和过量空气系 数的条件下，同时满足粉量和风量的要求，解决细粉来源将是一个至关重要的技 术问题，也是本文研究的主要内容。 1 1 4 目前再燃技术的工程应用 从8 0 年代早期，随着再燃技术研究的深入，人们开始逐步进行工业应用。在 国外已有工程实践表明煤粉再燃技术有比较满意的减排n o x 的效果，1 9 8 0 年，日 本的三菱公司就将再燃技术应用于电站锅炉，n o x 排放减少5 0 以上1 2 1 】；美国能 源部在洁净煤技术示范计划中( c c c t ) 资助了4 个再燃项目：b & w 公司在n e l s o n d e w e y 电厂1 0 0 m w 旋风燃烧锅炉上实施煤粉再燃，取得了5 0 以上的脱氮效 果；能源和环境研究公司( e e r ) 在c o l o r a d o sc h e r o k e e 电厂1 7 2 m w 旋流燃烧 器对冲布置锅炉实施天然气再燃取得 6 0 n o x 降低效果；e e r 在h e n n e p i n 电 厂7 1 m w 切向燃煤锅炉使用天然气再燃和炉内喷钙脱硫，分别取得了6 7 n o x 降 低效果和5 3 s 0 2 降低效果：d b r i l e y 公司在m i l i k e n 电厂1 4 8 m w 四角切向燃煤 锅炉上实施超细煤粉粉再燃，取得t 2 8 n o x 降低效果1 2 8 l ：由于再燃可以大幅度 降低n o ) 【排放，德国、英国、法国、俄国和日本已经成立一个国际研究小组，对 气体再燃在特大型电站锅炉上的应用问题进行研究【2 9 】。台湾能源与资源研究所与 美国能源部合作在一台7 5 t 1 1 燃煤锅炉上实施超细煤粉再燃，燃用山西平朔烟煤， n o x 排放量从原4 0 0 m g m 3 降低到2 0 0 m g m 3 ，n o 的排放率下降了5 0 1 2 2 1 。 我国再燃烧技术的研究和应用起步较晚，主要是因为我国过去对环保的要 求较低，令一方面是出于技术经济上的考虑。我国燃煤电厂很多，国内对再燃过 程进行了基础性的研究。浙江大学对煤粉再燃进行了基础研究，在4 台1 2 5 m w 锅 炉上实施煤粉浓浚燃烧加空气分级，取得了n o x 排放浓度低于5 0 0 m g n m 3 的长 期运行效果，开发了在线燃烧优化和低n o x 燃烧优化系统，并成功在3 0 0 m w 锅 炉上应用2 m 4 】；重庆大学吴双应等分析了再燃烧技术原理及影响再燃烧技术还 原过程的主要因素【2 5 】；清华大学钟北京等对气体再燃和烟煤、褐煤焦再燃进行了 计算和试验研究【2 6 j ；东南大学张强等对再燃机理及其技术发展进行了评述，并对 使用生物质作为再燃燃料进行了讨论1 1 9 】；上海交通大学徐华东等对再燃烧技术的 一茎二里堕堡 发展前沿及其在我国的应用前景作了进一步的分析，但是公开的资料中却尚未发 现大陆有使用再燃方法降低n o x 排放的工程应用【2 7 1 。 1 1 5 超细煤粉的制备 利用超细煤粉作为再燃燃料不仅可降低再燃煤粉的不完全燃烧损失，还可提 高煤粉再燃还原n o x 的效率，可大大降低再燃系统的运行成本，因此再燃煤粉 的制备显得尤为重要。本文选用了电厂常规细度煤粉作为原粉，试验在浙江大学 热能所的气固多项流试验台上进行，得出了多因素影响细粉制备的规律，在满足 浓淡比的条件下进一步考察浓淡两侧的粒径分布。 1 2 本文研究目的及主要工作内容 由于不含n 的气态烃容易燃烧，且表现出良好的降 氐n o x 作用，因此，直到 目前大多数再燃技术的研究仍然以天然气等气态烃类作为还原燃料。鉴于煤是电 力生产的主要一次能源，其中，又以煤粉炉占绝对优势，显然，如果以煤粉作为 再燃燃料，就可为实际煤粉炉应用再燃技术提供极为有利韵条件。研究发现潆粉 也有很好的再燃效果，最近又出现了一些新的再燃方法，如高级再燃、超细粉再 燃等。其中的超细煤粉再燃可以改善脱氮效果，同时也不增加飞灰的未燃损失。 本文主要对细粉制备进行了实验研究，在理论分析的基础上总结了多因素影 响细粉制备的规律，为超细粉再燃技术的工业应用提供了试验和理论依据。 本文的主要内容包括： 1 、探讨锅炉污染生成物n o x 的产生和控制n o x 捧放的原理和技术；分析 再燃还原n o x 的机理，影响再燃的主要因素： 2 、 设计细粉分离的试验方案，建立气固多相流再燃试验系统； 3 、在浙江大学热能所的气固多相流试验台上进行细粉分离的试验研究，测 量撞击块浓缩分离后浓淡两侧的浓度和颗粒的粒径分布，对于一定粒 径的煤粉样，确定撞击块高度与浓度两侧的浓淡比以及两侧粒径分配 的关系，计划分别加装一、二、三块隔板进行分离，并根据试验结果对 试验台进行改进，考虑在粉管内加装百叶窗隔扳对煤粉流进行进一步 的分离，考察各因素对细粉制各的影响规律，对试验结果进行理论分 析。 4 、将神经网络理论应用到循环流化床锅炉的优化设计中，以n o x 产量为优 6 浙江大学硕士学位论文 化目标，运用b p 神经网络建立了大型循环流化床锅炉的优化设计模型， 并根据该模型提出了锅炉优化设计方法，可保证锅炉燃烧污染物n o x 排放最优。 第一章绪论 参考文献： 【1 】燃煤磁流体发电战略研究小组，论燃煤磁流体发电在我国电力发展战略中的地位，北京， t 9 8 9 2 郭静，阮宜纶，大气污染控制工程，化学工业出版社，北京，2 0 0 1 5 3 陈鹏，中国煤炭性质、分类和利用，化学工业出版社，北京，2 0 0 1 1 0 【4 】田贺忠，郝吉明，陆永琪等，中国氮氧化物排放清单及分布特征，中国环境科学，v 0 1 2 1 ， p p 4 9 3 - 4 9 7 ，2 0 0 1 6 5 s l o s s ，ll ，n oe m i s s i o n sf r o mc o a lc o m b u s t i o n ，r e p o r te a c r 3 6 ，i e ac o a lr e s e a r c h ，l o n d o n ， 1 9 9 l 【6 】6曾汉才，燃烧与污染，华中理工大学出版社，1 9 9 2 【7 】w e i s srf g e o p h y sj r e s ，1 9 8 1 ，8 6 ：7 1 - 8 5 【8 】冯波，林志杰。蔡学军，第六届全国流态化会议文集，武汉，1 9 9 3 ，4 2 7 ( 9 】9毛建雄，毛建全，煤的清洁燃烧，科学出版社。1 9 9 8 1 0 】毕玉森，低氮氧化物燃烧技术的发展状况，环保论文集，河南电力出版社，1 9 9 9 【1 t 】徐文彬，n o x 大气化学概念论及全球n o ) ( 释放源综述，地质地球化学，1 9 9 9 ，2 7 ：8 6 - - 9 1 【1 2 】朱世勇，环境与工业气体净化技术，化学工业出版社。2 0 0 1 5 【1 3 】刘文莹编译，低n o x 排放控制新技术，国家电力，2 0 0 1 ，1 ，p p 5 9 - - 6 2 【1 4 】赵惠富，污染气体n o x 的形成和控制，科学出版社，北京，1 9 9 3 1 1 【1 5 】国家环保局火电厂大气污染排放标准，g b l 3 2 2 3 - 1 9 9 6 ，1 9 9 6 【1 6 】吴少华，刘辉，姜秀民，邱朋华，秦裕琨，采用超细煤粉再燃技术降低氮氧化物排放， 中国电力，v 0 1 3 6 ，n o 2f e b ，2 0 0 3 【1 7 】l ds m o o t ，s ch i l l ，h x u ，n o xc o n t r o lt h r o u g hr e b u r o i n g j ，p r o g r e s si ne n e r g ya n d c o m b u s t i o no ns c i e n c e ，1 9 9 8 ，3 8 5 - - 4 0 8 【】8 】t a k a h a s h i ，e r e i np r o c e e d i n g so f t h e1 9 8 2j o i n ts y m p o s i u mo ns t a t i o n a r yn o x c o n t r 0 1 e p r ir e p o r t n o ，c s 一3 1 8 2 ，j u l y ( 1 9 8 3 ) 1 9 b a b c o c k & w i l c o xc o m p a n y ，d e m o n s t r a t i o no f c o a lr e b u m i n gf o rc y c l o n eb o i l e rn o x c o n t r 0 1 c o m p r e h e n s i v er e p o r tt oc o n g r e s sc l e a nc o a lt e c h n o l o g yp r o g r a m ，d o e f e - 0 1 5 7 ， f e b r u a r y ( 1 9 9 0 ) 2 0 g l a s s ，j w ，w e n d t , j o l ，1 9 “s y m p o s i u m ( i n t e m a t i o n a l ) o nc o m b u s t i o n s ，t h ec o m b u s t i o n i n s t i t u t e ，p i t t s b u r g h ，p p l 2 4 3 - 1 2 5 l ，1 9 8 2 8 浙江大学硕士学位论文 2 i 】sch i l l ，ld o u g l a ss m o o t m o d e l i n go fm i t r o g e no x i d e s f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o n i n c o m b u s t i o ns y s t e m s j p r o g r e s si ne n e r g ya n dc o m b u s t i o ns c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 6 ( 4 6 ) ：4 1 7 4 5 8 2 2 】n e wy o r ke l e c t r i c g a sc o r p o r a t i o n ，m i c r o n i z e dc o a lr e b u r n i n gd e m o n s t r a t i o nf o r n o xc o n t r o lf i n a lr e p o r t ，c o o p e r a t i v ea g r e e m e n td e - f c 2 2 9 3 p c 9 2 6 4 2 2 3 毛文永，文剑平，全球环境问题与对策，中国科学技术出版社，1 9 9 3 【2 4 张强，李彦鹏，徐益谦，再燃烧还原n o x 机理及其技术发展，环保技术， 1 0 0 4 - 8 7 7 4 ( 2 0 0 1 ) 0 2 - 0 0 1 7 0 3 【2 5 吴双应，李友荣，卢啸风，刘泽筠再燃烧技术原理及其影响因素分析冶金能源2 l 卷 2 期2 0 0 2 3 2 6 】蒋怀军等，燃烧污染与环境保护，华南理工大学出版社，1 9 9 3 2 7 1 徐华东，罗永浩，王恩禄，陆方，再燃烧技术及其再我国的应用前景，动力工程，v o l2 1 n o 4a u g ，2 0 0 1 【2 8 】黄昭鹏，r e s e a r c h d e v e l o p m e n to f e n e r g ya n dp o l l u t i o np r e v e n ta tc o m b u s t i o n h e a t t r a n s f e rl a b o r a t o r y , 2 0 0 2 5 内部交流资料 【2 9 】z a m a n s k y e t c r e b u m i n gp r o m o t e db yn i t r o g e n - a n d - s o d i u m - c o n t a i n i n gc o m p o u n d s i n t w e n t y s i x t hs y m p o s i u mo nc o m b u s t i o n t h ec o m b u s t i o ni n s t i t u t e ，p i t t s b u r g h ，p a ，1 9 9 6 9 第二章燃烧过程n o x 的生成、控制技术和细粉分离综述 第二章燃烧过程n o x 的生成、控制技术和细粉分离综述 2 1 概述 电站锅炉是温室气体及氨氧化物等污染气体的主要排放源，控n n o x 排放量已 经成为电力工业发展所面临的一大课题。煤燃烧过程中产生的氢氧化物主要是一氧 化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) ，这两者统称为n o x 。此外还有少量的氧化二氮( n 2 0 ) 产生。在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式，特别是燃烧温度 和过量空气系数等燃烧条件关系密切【1 翔。 氮氧化物是矿物燃料( 如石油，煤，天然气等) 和空气在高温燃烧时产生的。 氮氧化物形成的途径主要有两条：一是有机的结合在矿物燃料中的杂环氮化物在火 焰中分解，接着氧化；二是供燃烧用的空气中的氮在高温状态与氧进行化合反应生 成n o x ”。 2 2 煤燃烧过程中n o x 的生成 2 2 1 煤氮的挥发性 毛健雄等在研究中发现，当燃料中的氨含量超过o 1 时，所生成的n o 在烟气 中的浓度将会超过1 3 0 p p m 【4 1 ；煤燃烧时约7 5 9 0 的n o x 是燃料型n o x 。因此， 研究煤粉中燃料n 的具体行为具有十分重要的意义。 2 0 世纪7 0 年代后期，p o h l 等用管式炉考察了由煤氮到燃料型n o 的转化率以 及煤氮的分解特性2 “。燃料氮到燃料型n o 的转化率可表示如下： = 口仇+ ( 1 一a ) 卿2 上式中，口是煤中燃料n 向挥发分转化的比例，r h 是挥发分中的氮转化为n o x 的比例，y 是焦炭氮( c h a r - n ) 由于燃烧转化到气相中的比例，这其中转化为n o x 的比例是q ：，因此珑是从焦炭n 向n o x 的转化率。研究表明，转化率玑和煤中含 氮量关系密切。在同一过量空气系数下，辄随着燃料中含氮量增加而降低。但当转 化率降低到2 5 3 2 时，再增加燃料含氮量转化率就不再降低。通常，烧煤锅炉 转化率为2 0 2 5 ，高的也不超过3 2 例。 煤粉加热后，煤中的挥发分先被释放，当挥发分释放量为煤的质量的1 0 1 5 时，氮才释放。这应该和煤氮大多与芳香族结构结合有关。研究表明，氮的释放 浙江大学硕士学位论文 率随着煤的挥发分增加、热解温度提高而增大：而且随着煤粉变细、加热速率增大， 氮的释放率也相应增加。煤中氮在温度低于1 1 0 0 k 时是热稳定的，当温度较高时才 放出含氮挥发物。挥发分中最主要的氮化物是h c n 和n h 3 。在挥发分n 中h c n 和 n h 3 所占比例不仅取决于煤的挥发分和热解温度，而且还与煤种有关。对于烟煤， h c n 在挥发分n 中的比例比n h 3 大：劣质煤的挥发分n 中则以n h 3 为主；无烟煤 的挥发分n 中h c n 和n h 3 均较少。 2 2 2 煤燃烧时n o x 的生成 煤中的氮生成n o 是通过挥发分氮的气相氧化和碳中的氨多相氧化两个途径。 ( 一) 挥发分n o 的生成 挥发分中氮化合物通过氧化反应可生成n o ，但它们也可以和n o 进行还原反 应，使n o 分解成n 2 【6 】。实际上只有一部分燃料n 转变为挥发分n o 。由于挥发分 中氮化物进行氧化反应所需的活化能低，因此在较低的温度下就能大量生成n o ， 而且n o 生成速度比n o 还原速度大。通常，挥发分中氮在着火区被释放并生成n o ， 挥发分n o 生成与以下因素有关： ( 1 ) 着火区中氧浓度：煤中氮化物只有经过氧化反应才能生成n o 。因此着火 区中氧浓度增加，则挥发分n o 也多。 ( 2 ) 着火区中挥发分释放量：挥发分释放量越多，挥发分氮释放率越高，因而 生成挥发分n o 也越多。 ( 3 ) 着火区中停留时间；在空气过剩情况下，燃料n 释放出来，氧化生成n o 需要定时间，因此可燃气体在着火区中停留时间越长，则生成n o 越多。相反， 在富燃料情况下，挥发分n 相互复合反应和n o 还原都需要一定时间，着火区中停 留时间增长，使n o 与胺类和烃基反应充分，因而减少挥发分n o 。 一些研究数据表明，在贫燃料燃烧时挥发氮生成n o 中的5 7 一6 l ，而在富 燃料时，这个比例迅速降低，使碳中氮的多相氧化成为n o 的主要来源。挥发分氮 向n o 的转化对于当地的空燃比很敏感。通过合理调节燃烧过程形成富燃烧区，可 以大大减少这种转化。此外碳中氮对燃烧参数的依赖性弱，因此，存在着一个不能 用控制燃烧来加以消除n o 生成的下限 7 1 。 ( 二) 焦炭n o 的生成 第二章燃烧过程n o x 的生成、控制技术和细粉分离综述 p o h l