（环境工程专业论文）链条锅炉烟气再循环降低no排放的数值模拟.pdf

华此电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文对一台3 5 讹燃煤链条炉分别在采用烟气再循环和不采用烟气再循环时的燃烧 过程和n o x 搀放特性进行了数值摸搬，在模擞酶过程中，解决了再循环燧气与一次飘混 合并送进炉膛中的模拟和链条上煤颗粒运动等主要技术难点。计算结果表明：烟气再循 环锅炉与常规锅炉相比较，炉灰平均湿度分布整体明显降低，c 0 2 浓凄有一定幅度的上 升，0 2 浓度略有下降；同时烟气群循环锅炉的n o x 排放浓度与常规锅炉相比有了较大幅 度的降低，而且n o 浓度在炉膛中的变化是均匀的整体的下降，而不是局部区域的下降。 本文通过对不闭烟气再循环率的骈究，得到烟气褥循环率在2 5 3 0 之间是最佳烟气再 循环n o x 排放优化方案，其结果对中小型燃煤锅炉的n o x 的减排有着理论指导意义和实 际应焉价值。 关键词：烟气辩循环，温度场，氮氧化物，数值模拟，烟气再循环率 a b s t r a c t r h en i h n e r 至诚s i m u l 撕。珏o f 搬e3 5 毛惫b o 主l e f s m b u s 鼍i o 鼗p r o 溅sa n dn ( ) xe m i s s i o 摭 霞掇豫c t 积s t 主cc a r r i e so ns i t u a t i o n sw 秘巍u s et h ee x h a u s tg a sf e 他l e 黼d 面e sl tu s e 懒e e x h a u s tg a sr e c 弦l e 。d u n gs i m u l a t i o nm em a j o ft e c l u l i c a lp b l e m sa r es o l v e ds u c h 嬲：t h e 蠡璐慧l 鑫誊e 娃蠡珏霉g 毡s 羚c 至羚毛l l a 鲑。廷戳d 薤翻斛e 魅e 躐池i n 。苫l 搀爨科3 老e df 豁毽l l 扬蠢i 谢e d m a t ，t h ee ) 【l l a u s tg a sr a c 炉l eb o i l m p a r e dw i mt h ec o n v e n t i o n a lb o i l m ed i s t r i b u t i o no f 姆蛾礓r e 钕邳蹦嬲r e 曲试。髑l y 捌娃c 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o 排放的 数值模拟，是本人在华托电力大学攻读硕士学位期闻，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华j 艺电力大学或其他教育机构的 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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 殇瑾日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 荠向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 露期：霞期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着社会经济的发展，社会生产更趋于工业化和自动化，这些给人类带来许多 物质利益与社会利益的过程，同时也引起很多物质问题与社会问题，其中之一就是 环境污染。在产业革命以后，由于化石燃料消耗的不断增加和人口的激增，在城市 周边和工业化地区发生了多次严重的环境污染问题，特别是2 0 世纪的一些大气污染 案例不断的敦促人们进行相关的研究，使得人们认识到有效制止大气污染闻题的重 要性。例如1 9 3 0 年比利时m u s e 溪谷发生的大气污染、美国宾夕法尼亚州d o n o f a 市发 生的大气污染，英国伦敦发生的大气污染等，对当地人身健康带来危害以及一系列 负面影响。通过研究知道，大气中n o x 浓度的增加会刺激人体呼吸系统、中枢神经 系统，导致肺气肿、麻痹和痉挛，使植物生长缓慢，叶面损伤。n o x 中的n 2 0 以及 氟化氢、甲烷等对臭氧层的破坏影响着人类自身的生存环境。同时氮氧化物和硫氧 化物等酸性气体会导致酸雨，不仅破坏生物，而且对建筑物和文物吉迹都有很大影 响。如酸性雨水可使树木桔死，土壤酸化，使土壤中有利植物成长的钙、钾成分溶 出，抑制土壤微生物的活动，降低混凝土的强度，引起金属的腐蚀等。众多生态学 者认为，环境污染严重地影响着我们的生活，甚至可能威胁到人类社会的存在j 。 近几年来，世界各国相继制定和完善了关于环境保护的法律法规，这对环境污染控 制是极大的促进。 发展带来环境问题，那么解决环境问题就需要对造成环境污染的物质和其生成 过程进行研究，我们对予硫氧化物的研究己经比较清晰，在控制二氧化硫的排放方 面近几年己经取得了极大提高，而对于氮氧化物的生成和控制机理的研究相对硫氧 化物机理来说要困难的多，所以，对工业生产的固定排放源和汽车等移动发生源的 n o x 排放控制进展缓慢。研究表明，在工业发生源和自然发生源过程中，工业产生 的污染物占了绝大部分，而化石燃料燃烧过程中氮氧化物排放量占全球氮氧化物总 生成量的一半以上【2 l 。 我国作为能源消费大国之一，随着市场经济的不断深入和发展，工业化程度的 不断提高也带来了严重的环境问题。在我国一次能源的消耗中，煤炭占主要地位， 并且在相当长的时问内不会改变，这就决定了我国二氧化硫和氮氧化物的排放较 高。上世纪未我国二氧化硫的排放量占亚洲总排放量的6 9 ，而氮氧化物占亚洲总 排放量的4 9 【3 】。这对我国关予酸性气体研究和排放控制是个严峻的考验。我圜能 源资源并- 1 # 十分丰寓，能源的入均资源占有量仅为世界人均资源量的l 2 ，是美国人 均资源l i 行量的l lo 。从l9 8 0 年以来煤炭在能源消耗总量中一壹在7 5 以上，犬然 华慧电力大学硬七学位论文 气约占5 。因为煤炭是主要能源，煤炭消耗引起的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物 褥放阉题鼗趋严重溺。作炎一个发展中国家，我国对环境污染控制的研起步毙较晚， 随着政府和人们认识程度的提高，对于环境治理和保护的投入不断增加，研究不断 深纯。在近十年来我篷环境保护和治理工掺也忍取得了长是的进展。 链条锅炉亦称链条炉排锅炉，是一种结构比较完善的层燃锅炉，由予它的加 煤、溥渣及出灰等主要作业都实现了机械化，且运行可靠、稳定，因此成为中国工 业企业、小型电厂及民用供热工程中应用最为广泛的设备。氮氧化物( n o x ) 气体是 影响生态系统的主要污染排放物之一，污染环境且危及人体健康。n o x 是所有燃煤、 燃气锅炉撵敖感酶主要大气污染枥。当今，鬓际上许多国家帮在考虑实施严格的生 态环境保护法，以限制氮氧化物的排放。对于现代大型锅炉设计中已考虑了种种降 低n o x 排放的措施，可傈涯其排放浓度不超过规定的袋值懿。丽对于现有的分布蘧 极广、数量巨大的中、小型锅炉，探索其减少n o x 气体排放措施，是一项紧追的任 务。 随着我国经济的快速增长，煤炭的消耗量将大幅度增加。因此，清洁、高效 地利用煤炭，走经济与环境协调发展的道路，是保证圈民经济可持续发展和保护环 境蘸最主要豹课题。霹前，中小型燃煤锅炉n o x 控制技术墨剽入国家离技术研究发 展计划( 8 6 3 计划) 的研究内容。本课题即为我因8 6 3 计划项圈“中小型锅炉n o x 控 翎技术与应雳示范”( 2 0 0 6 a a 0 6 a 3 潞) 的研究蠹容之一，主要研究内容是通过燧 气再循环降低中小型锅炉n o x 的排放。 i 。2 低n o x 燃烧技术的发展 冒外最早关于氮氧优物控制的研究开始于二次毽界大战结束，在许多工盐匿家 通过采取立法来限制n o x 排放，一系列非常严格的n o x 排放法规的颁布和实施，从 而促进了关予氮氧化物生成、控制葶鞲排放研究舱发艉。对予燃烧过程的n o x 控制的 研究和应用，开始予上世纪五十年代中后期，首先是c e 和s c e 公司开始对n o x 的排 放进行测试，如对内燃机的n o x 排放进行预测和控制，之后，c e 公司谯电站锅炉上 提出了分缀燃烧和烟气再循环降低n o x 的方法。至了六十年代后期s c 鼗公司在燃烧 器的没汁中威用了分级燃烧技术，并在燃烧器上方设罨火上风( o f a ) 来实现分级燃 烧溺。七十年代早鬻，研究入员通遮大量昀模型实验柬磅究燃烧器参数对n o x 撑藏 的影响。丰要包括燃料入射的方式、燃烧器空气射流的漩流数、空气的速度，燃烧 器喷翻的缩放角度和缩放类型以及携带煤鳇一次熙总量等对n o x 撵放的影响。随后 的研究中人们注意到燃料氮向n 0 x 的转变，尤其是化石燃料的燃烧过程中n 0 x 绝大 黯分是米色燃料本身所酲有的氮，对予燃拳喜氮的研究圭要集t p 在实验室氏进行，如 对燃料氮翔n o x 转化比例和生成机理进行研究。燃料氮向氮氧化物的转化率般在 华j 艺电力大学硕士学位论文 5 0 。9 0 之间【7 1 ，在燃料中氮的有机结构也影响着其转化。对燃料型n o x 生成的控 制远比对热力型n o x 的控制要圈难的多。 烟气再循环是一种低氮燃烧技术。它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分烟气 返回炉内，利用惰性气体的吸热和氧浓度的减少，使火焰温度降低，抑制燃烧速度， 减少热力型n o x 。抽取的烟气可以直接进入炉内，也可以与一次风或二次风混合后 送入炉内。 到目前为止，对于烟气荐循环对炉膛温度的影响，进而影响氮氧化物的生成的 实验研究一直很少，对于其数值模拟的研究就更少了。所以本课题对链条燃煤锅炉 减少n o x 排放有重要的理论意义和实际应用价值。 1 。3 本课题的提出 在今后相当长的时间内，煤炭的利用仍将在我国能源结构中占据十分重要的位 置。但煤是一种低品健的化石燃料，其燃烧过程排放蹴大量的污染物。在我国，煤 燃烧排放污染物占总燃料燃烧排放量的比例中，c o 为7 1 、粉尘为7 0 、s 0 2 为9 0 、 c 0 2 为8 5 、n o x 为7 0 圈。这些污染物严重破坏了生态环境，仅由n o x 、s 0 2 造成 的直接经济损失就高达数千亿元，严重制约了国民经济的可持续发展【9 】。 我国工业锅炉燃料以煤为主，炉型以小容量的层燃炉为主。据统计，我囡各类 型现役锅炉共计约5 0 1 万台，其中6 0 以上为0 5 7 5 t h 链条锅炉【m 】，其数量仍在 逐年增加，其容量还在不断扩大，年耗煤约3 5 0 m t ，而每吨的煤大约可产生7 4 公斤 的n o x ，致使每年产生大约2 6 0 万吨的n o x 【l | 1 期，其数鬣还是相当可观，弗且其仍在逐年 增加，其容量还在不断扩大，随之排放的氮氧化物( n o x ) 也逐年增加，因此如何经 济有效的降低链条锅炉的n o x 排放对予减轻大气污染是非常重要蛇。然丽，国内外 尚未有成熟的控制这类中小型锅炉n o x 排放的技术。 本研究是基于先进的烟气霉循环燃烧技术的概念，通过调整锅炉的烟气荐循环 量，以期在不降低燃烧稳定性、运行的经济性和安全性的前提下，最大限度的降低 链条锅炉的n o x 排放。 烟气再循环所起的作用与再循环烟气量和孬循环烟气送入炉膛的位置有关。但 是，对烟气再循环对炉内温度的影响的研究还很少，烟气再循环可同时降低炉膛内 温度水平和氧气浓度，抑制煤燃烧中n o 。的形成同时还可以剥用炽热得煤焦还原在 循环烟气中的n o 。运行经验表明，再循环率为2 5 3 0 时，n 0 x 的形成可以降低3 0 左右【| 朝。 本课题将对烟气再循环锅炉进行数值模拟。湍流采用k 。8 模型，燃烧选择非预 混的漩漉扩散燃烧模型，羽篱化的p d 雉羹型计算反应和组分传递，n o x 计算采用后 处理方法研究。 3 华j 艺电力大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要工作 本课题以广东某公司一台3 5 t h 燃煤链条锅炉为研究对象，通过数值模拟其燃烧 过程和炉内温度场，进而研究n o x 的排放，并比较采用烟气再循环时和不采用烟气 再循环时的燃烧特性和炉内温度场，以及n o ，的排放特性。并在烟气再循环的基础 上通过调节烟气再循环量改变燃烧特性和炉内温度场，研究调节烟气再循环量对燃 烧特性和n o 。排放的影响。 本课题的研究重点是用方程来模拟炉内温度场，通过c f d 计算，得出燃烧组织 方式( 如烟气再循环率) 对炉蠹流场、温度场和n o x 排放的影响。 研究内容可以分为三个方面。 1 ) 链条锅炉炉内燃烧过程的数值研究。链条锅炉炉内澄瘦场的模拟主要分析调 节烟气再循环对燃烧特性和n o x 排放的影响。燃烧过程数值模拟主要分析炉内温度 分布、n o 浓度变化等。 ( 2 ) 验证模拟的正确性。模拟的炉膛出翻温度场与某公司3 5 t l l 锅炉炉膛出口温 度分布比较，以验证其模拟的正确性。 ( 3 ) 链条锅炉n o 。排放优化的数值模拟。通过模拟烟气再循环链条锅炉炉内的 n o 。生成情况，结合n o 。的生成与破坏机理，通过调节烟气再循环量改变炉内温度 场，研究调节烟气再循环对n o x 排放的影响，最大限度的降低n o x 排放。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章煤燃烧过程中n o x 生成机理与控制 氮氧化物是现今大气污染的主要物质之一，它包括n o 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 0 2 、 n 2 0 5 等，这里统称为n o x f m 】。排放到大气中氮氧化物主要是n o 和n 2 0 。n o 无色无 味，其中n o 占总n o x 排放量的9 0 左右，在空气中极易氧化成n 0 2 。n 0 2 在阳光的 作用下，经过一系列链锁反应可生成0 3 。臭氧是种有害、危险的刺激物，当其浓 度为1 2 p p m 时【1 5 1 ，可刺激黏膜，扰乱中枢神经，引起支气管炎和头痛。二氧化氮参 与光化学烟雾的形成，其毒性更大。已查明，l ，3 1 趁的酸雨是由氮氧化物造成的， 氧化亚氮也是引起温室效应的气体之一f 1 6 ”l 。燃烧过程产生n o x 占各种排放总量 9 0 ，其中工业燃烧、发电设备和汽车排放就占9 0 以上【1 8 】。如何有效的降低燃烧 过程的n o x 排放是解决氮氧化物污染问题的关键。n o x 的研究开始于二战之后，到 现在已经有5 0 多年的历史。世界各国都投入了相当大的人力物力进行研究，n o x 的 生成和控制的研究已经取得了一定的成果，人们对于n o x 的研究不断深化，从机理 研究到控制排放研究，从模型实验到实际应用，己经渐渐走向成熟。煤是主要的一 次能源，煤在燃烧过程中生成的n o x 占固定排放源n o x 排放的绝大部分，多年的研 究【挎】表明煤在燃烧过程中生成的n o x 由于生成路径和发生源不同分为三种： ( 1 ) 热力型n o x ( t h e 咖a ln o x ) ，是z e l d o v i c h l 2 0 】首先发现的，是在燃烧过程中空 气中的氮气在高温下与氧气反应所生成的n o x 。 2 ) 快速型n o x p m p 圭n o x ) ，是美国的f e 矬i m o f e 【2 1 】在1 9 7 1 年在乙烯一空气火 焰反应区域中发现的一种快速产生的n o x ，这种快速瞬闻形成的n o x 不能用热力型 n o x 机理来描述，故称为快速型n o x 。快速型n o x 主要是在碳氢火焰中产生，最初 是碳氢原予团在燃烧火焰中和n 2 反应生成中间产物 c n 和少量的c n ，这些中间产 物将进步氧化成为n o 。 ( 3 ) 燃料型n o x ( f u e ln o x ) ，是出燃料中的氮形成的n o x 。燃料中的氮在挥发 和燃烧过程中，先以含有氮的中闻产物析出燃烧生成n o x ，还有一部分是结合于焦 炭中的氮在燃烧过程在焦炭表面发生多相反应丽生成n o x 。这两部分n o x 都称为 燃料型n o x 【盈l 。 2 2 n o x 的生成机理 链条炉煤燃烧过程中生成的n o x 主要是n o 和n 0 2 。n o 约占9 5 ，n 0 2 是由一部 分n o 在火焰带下游或足在排放质氧化形成的，煤燃烧过程中n o x 主要是来自燃料型 n 0 x ， i 总生成量的7 5 9 0 ，热力型n o x 占l o 左右，快速型n o x 的生成量很少2 ”。 5 华耗电力大学硬士学位论文 2 2 1 热力型n o x 的生成机理 热力型n o x 是燃烧过程中空气的氮气( n 2 ) 和氧气( 0 2 ) 在黼温下生成的n o 和n 0 2 的总和，热力型n o x 的生成枫理是苏联科学家捷里多维奇z e l o v i e h ) f 2 4 1 1 9 4 6 年提出 酶，叉称为捷里多维奇n o x 。 热力型n o x 生成可以由下厩不分支链反应式来表达： n 2 o n o + n n + 0 2 铮n o + 0 n + o h n o + h 在高温下n 0 和n 0 2 的总反应式： n 2 + 0 2 2 n o n o + l ，2 0 2 一n 0 2 捷里多维奇很据实验结果，通过推导计算提如了捷里多维奇机理的n o 生成速率表达 式： 掣糯k 【n 2 1 0 2 7 2 式中；k 值根据捷里雾维奇实验得到，k = 3 1 0 1 4 e 5 4 2 0 0 0 7 r t 上式变为： 掣咄1 0 1 4 【n ：i o ： ，2 e5 露r 式中：【0 2 】，科】，【n o 】分别是0 2 ，n ，n o 酶浓度，m o l ，e m 3 ； 卜绝对温度，k ； 卜霹闻，s 。 热力型n o x 的氮来源于空气中的n 2 ，氮气中的氮原子是以叁键的形式结合在一 起，要使氮气之闻的键断裂的活纯能是9 4 l 妨加o l ，其主要在火焰带下游的高温 区生成，并且生成反应比燃烧反应慢。在温度低于j 5 0 0 k 时，几乎没肖热力型n o x 生成，当温度凑于1 5 0 0 达到可以使氮气之间的三键断裂所需鲍能量艨，热力型n o x 的反应开始变得显著；当温度高于2 0 0 0 时，实验表明热力型n o x 的生成速率增加 6 7 倍，所以温度对热力型n o x 的生成具有决定性作用【2 6 1 。 图2 一l 是各静类型n o x 熬生成量帮温度豹关系，图中可冤热力型n o x 的生成量主 要取决于温度，在相闹条件下n o x 的生成量随温度的增大而增大，反应速率也按指 数规律增加；当溢度t 燃煤性质对n o x 生成的影响 影响n o x 生成的燃料性质主要是煤种的差异、煤颗粒的尺寸以及煤中的水分等 因素f 3 m 。 煤种的差异主要体现在煤中氮的含量和结合形式，现代研究表明煤中氮含量与 n o x 最终排放量没有线性关系，但是优质煤中氮含量越高其n o x 排放浓度越大。煤 中氮的结构决定了其反应活性。 煤颗粒的粒径不同影响着其加热和挥发过程，从而改变了火焰的状况及空气动 力特性，这势必影响n o x 的生成。文献中提到在层流火焰燃烧装置的火焰扔期中煤 颗粒变大则n o x 排放降低，这是由于在颗粒表面挥发分释放量增加，并且在颗粒附 近燃烧，使得0 2 向焦炭中扩散受到限制，从而使n o x 的生成延迟并减少，但煤颗粒 粒径较大则在燃烬区n o x 的降低程度就较小；相对小粒径而亩如果在燃烧区域停留 时l 玎j 较短挥发分的快速释放也能降低n o x 的排放。煤颗粒的大小也决定了其与空气 的混合特性，粒径越小混合特性越好则生成的n o x 也就越多。 煤中水分会延迟煤的点火和挥发分的析出而降低燃烧温度【3 ，当煤中水分被烘 干瓣焉燃瓣氮的转化比较发现，烘i ? 赢转化率略仃降骶，烈是辛| | 埘滁度和燃烧环境 8 华薯艺电力大学硕士学位论文 的变化而言是非常小的，所以认为在实际的工业锅炉中煤中水分对n o x 的生成的影 响是霹以忽略的。 ( 2 ) 煤燃烧运行方式对n o x 生成的影响 煤的燃烧因为其良身复杂性也决定了其反应过程在不同条件下有不同的反应 途径和产物形式，对n o x 生成起到作用的燃烧条件和方式主要有：化学当量比、停 留时阀、湿度、煤颗粒的混合特性和火焰形式等，丽这些影响因素之间又是相互制 约的。 化学当量比对于煤燃烧过程中n o x 的释放的影响是非常明显的，当量比控制着 燃烧过程中的气氛，研究表明主燃烧区域最佳的空燃( 空气，煤) 比是0 7 。过多的空气 会加大n o x 的生成量，比例过低h c n 和n h 的生成量加大，这些含氮中间产物在燃烬 区内将大部分转化为n o x l 3 。 温度对n o x 排放的影响与煤种和炉膛的结构是密切相关的，因为煤种的不同决 定了煤的热解和燃烧过程是不同的，炉膛结构的差异也使煤燃烧过程的温度产生很 大的变化。温度越高煤中的挥发分析出速度越快，这就有利于抑制主燃烧区内n o x 的生成，焦炭n 向n o x 的转化在超过l 0 0 0 以艨受温度的影响才非常明显p ”。对于 低n o x 燃烧器而言其他运行参数( 如当量比) 与温度相比对n o x 影响就不明显了。 煤颗粒和空气的混合特性对n o x 生成的影响和当量比是类似的，调节煤颗粒与 空气在燃烧区域内的比例就可以有效的控制燃烧反应时的环境气氛【n 】，从前蟊的叙 述知道在主燃烧区域内呈还原性气氛可以降低n o x 的生成量。空气分级和燃料分级 燃烧降低n o x 排放的枫理就在于此。火焰形式昀不同也就决定了煤的混合特性差异， 从而改变了火焰区域的燃烧状况，最终引起n o x 生成量的变化。 2 3n o x 的还原与控制机理 2 3 。董n o x 的还原机理 在氧化性气氛中生成的n o x 当遇到还原性气氛( 富燃料燃烧或缺氧状态) 时，会 在焦炭表面发生多元反应，焦炭本身的还原特性和周围的还原性气体也促使部分 n o x 还原成氮气，这就是n o x 的还原。n o x 的还原途径如下图f 3 5 】： 9 华l 艺电力大学硕士学位论文 图2 4 氮氧化物主要破坏途径 n o 在焦炭表面的还原是一个非常复杂的过程，还没有一个比较明确的理解，不 同的文献给出的还原规律存在差异，但是大部分研究表明焦炭表面的多元反应是最 主要的，当温度超过9 5 0 k 时反应机理和活化能就发生了变化，低于这个温度主要生 成的是n 2 和c 0 2 ，在高温条件下c o 成为主要的产物。并且随着温度的升高c 0 圮0 2 的值也不断增加，c o 具有良好的还原性和极高的反应速率，所以高温时c o 是n o 的 主要还原剂【3 6 l 。n o 另一个主要还纛途径是通过焦炭的还原性来实现的，焦炭与n o 的反应速率因为煤种不同差异非常大，反应速率主要和焦炭的内表面积直接相关 【3 7 l 。在一些焦炭的气化反应中，焦炭表面反应随着挥发分的增加而得到强纯，所以 通常认为焦炭氮向n o 的转化随着燃料中挥发分的增加而增加，但是文献中的数据表 明焦炭氮向n o 的转化和燃料种类并没有明确的关系。 2 3 2 控制热力型n o x 的措施 热力型n o x 是由燃烧空气中的n 2 与反应物如。根和o h 根与分子0 2 反应丽成的。 空气中n 2 在高温下氧化，是通过一组不分支的连续反应进行的。所以，抑制热力型 n o x 的生成的措施和方法如下1 3 s 】： ( 1 ) 降低烧温度，避免局部高温，如向燃烧区域内喷射水和水蒸气： ( 2 ) 降低氧气浓度，如使用催化莠| l 组织稀薄混合气燃烧； ( 3 ) 缩短在高温区内的停留时问； ( 4 ) 降低氮的浓度。 2 3 3 控制快速型n 0 x 的措施 快速型n o x 主要是c h 自由基反应生成，所以抑制快速型n o x 也是通过抑制二者 之问的反应来实现的f 3 9 4 叭。一种方法是加入水和水蒸汽促使c h 自由基和o h 或者 h 2 0 反应，从而抑制了快速n o x 的生成；另一种方法是预混燃烧，预混燃烧代替扩 散燃烧可以使火焰中没有燃料和氧化剂混合所引起的局部当魁比分别，理论上可以 事f 效参挈澍快速繁n o x 的乍成。 1 0 华l 艺电力大学硕士学位论文 2 3 4 控制燃料型n o x 的措施 燃料燮n o x 的生成梳理菲常复杂，从前面凡节的介绍可知燃料中的n 通常以原 予状态与备种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化台物，与空气中的氮相 比，其结合链能量较小，在燃烧时很容易分解出来，经氧化反应生成大量的n o x 而且燃料型n o x 的生成受多种因素的影响，主要的影响因素包括燃烧区内的气氛、 露气混含特性、煤颗粒的尺寸和燃烧温度。所以兔了降低燃料銎n o x 生成，主要款 以下几秀面实现1 4 1 l ： 暴) 使建燃料含n 量低静燃料； ( 2 ) 调节燃烧区域内的空气比，如组织浓淡燃烧； ( 3 ) 燃烧形式和火焰的控制；如低n o x 燃烧器。 华= l 艺电力大学硕士学位论文 第三章工业链条锅炉燃烧及其n o x 排放的数值计算方法 3 1 引言 层流和湍流是流体的两种基本流动方式，而自然界和工程中绝大部分流体流 动、对流传燕传质和燃烧过程几乎全部是湍流过程。湍流过程本身是一种无规则的 流动状态，流动中的各种量随时间和空间的变化具有随机性和无序性，这也就决定 了湍流研究的重要性和特殊性。在近几十年来人们对湍流己经有了较为深入和广泛 的实验和理论研究，对于工程湍流的机理和特性的研究也有了清楚的了解，定性分 析和定量计算在工程湍流中已经开始有了广泛的应用。燃烧是建立在湍流基础上的 反应模型，它是一个十分复杂的物理、化学过程，煤颗粒燃烧更是涉及到多相流动、 传热和燃烧等多个学科。 链条锅炉的炉内过程是一个非常复杂的三维、非稳态、多相、湍流以及多元反 应相互作用的过程。对于冷态空气动力场而畜，要描述其特征，必须由质量守恒、 动量守恒得到湍流流动基本的控制方程的微分方程组，描述两相流动要加上颡粒的 运动方程以及能量方程和一些物性关系式，得到描述多相流动的封闭微分方程组， 热量的传递包含了热传导、对流换热和辐射换热三种基本的传热方式。燃烧过程是 包括多组分气相的燃烧和固体煤颗粒的燃烧两部分，这就需要相关的反应物模型， 组分方程、能量方程，以及各方程之闻的解耦方程。n o x 生成模型是建立在燃烧结 果基础上的后处理过程。整个炉内过程是非常复杂的，但是炉内过程的变化是有一 定规律可寻的，模型和参数必须满足相关的物理和化学基本定律，如质量守恒定律、 牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律等。湍流和燃烧计算模 型就是建立在各种定律和有关假设的基础上的反映流体湍流流动和炉内燃烧过程 的通用微分方程组，再建立相关的附加方程使方程组封闭，初始边界条件要根据实 际工程问题进行确定。 所以燃煤锅炉的燃烧和n o x 生成的数值模拟是个多模型联立的复杂过程，它 包括下面几个子过程：气相流动、颗粒运动、煤粒热解、气相燃烧、焦炭燃烧、辐 射换热、n o x 生成等。 3 2 气相基本控制方程 3 2 1 通用微分方程 锅炉炉内的气体流动是辐于三维湍流反应流，气体流动模型包括三维连续性方 程、动乓i ：方袱及k 和f 的两个输运方程，这儿个方稗郝可j 以用通用微分方程来表示。 1 2 华j 电力大学硕士学位论文 通用方程是基本方程的统一格式，是出于便于求解的需要。各个基本方程之间的差 异从数学的角度来看仅在于源项的不同。本节中各个基本微分方程都表达7 一定的 守恒原理。每个方程都使用了定盼物理量作为它的因变量，并且意味着在影响这 个变量的各个因素之闻必须处于平衡。如果因变量用甲来表示的话，刘通用的微分 方程就是： 知) + 蔷一专。尹h t ) ( 1 )l l ( ) 式中，( i ) 项表示单位体积内特性量的局部变化率，即非定常项；( 1 1 ) 项表示通过控 制面的净通量，即对流项；( i i i ) 项表示通过控制面由分子效应引起的输运项以的散 度，即扩散项；( ) 项表示任一内部和外部过程或源对控制体内特性量变化所作的 贡献，即源项。通用微分方程采用的是笛卡尔的张量记号，下标相同项表示求和。 所有传热和传质、流体流动、湍流及有关现象的相应的微分方程都能被看作是通用 的微分方程的特殊情况，这就把基本控制方程统一成一般化的数值计算方法，从而 便予计算和编制通用的计算程序，这也是c f d 软件得以发展的基础【4 2 1 。 3 2 2 连续性方程 如果单位质量的特性量妒2 l ，以2 0 。并假定在流体中不存在质量源或汇，即& 2 0 ， 则代入式( 3 一1 ) 可得连续性方程： 号+ 毒o ) = o 2 ) 诳空闽某点流体微团的瞬时速度为吩。v l + v l ，瞬时压力为p 2 ，+ p 瞬时密度为 p 2 夕+ p ，把它们代入式( 3 2 ) ，并且对方程取时间平均，得时均连续性方程： 等+ 善丽+ 两) 一o 3 ) 3 2 3 动量方程( n a v i e r - s t o l ( e s 方程) 如果特性量是动量，即盘v j 则得到动量方程为： 掣+ 毒h ) 一一鲁地 a& ；j1 7 & ； 静 1 玎h 。硕流m 仃，= 戚刊毒+ 专) + ；鲁屯 ( 3 4 ) 华i 艺毫力夫学礞士学位论文 f o i j 乒为流体麓粘性系数，孬磊茺如气 l l i j s 剥包括各种体积力和阻力在i 方窝上的分量 3 2 。4 能量方程 如果特性量是能量，即m = h ，h 为比热焓，则w 得到能爨方程为： 掣十之掣。善毒睾+ 唧+ 鳙十矿 釜 寸 岔 方占窖j 咖耀赵趟髻醐鬲擎 枣越壹f醐饕口 枣* 醐鬲擎枣醐鬲娶 咖鹾如醐丽擎咖酶如醐鬲娶唧噼如醐鬲擎删蛹如醐鬲擎咖誉舡郴鬲娶 趔籁 掣斟 妒挺 捶婶 懈辖求犁娶峰蝼 q 寸样 n n 寸 n n 寸o n n 寸 n n 寸o n n 寸 h n 卜o n n 寸 o n q h n n 寸 寸a h n n n 寸 o n a h n n 寸 岔h n h n n 寸 h n 卜o 避 鬟卜熙h 粘目 班 n 咖 d 舻 d 幽 d 鹋 0 他 0 他 0 他 0 他 0 q 赠 棚 赠 棚 赠 棚 赠 棚 赠 棚 区 区 区 区 匠 医 匠 区 区 医 轼呈v 鞲韫v 心 价 寸 区憋 区 区封1 医蛸蛞l 口区岌1 t ( k( 赠 删 区 区 n 口医蚓1 糕媳 搽弧球砖套辎婴蓑 h 辱僻 仪秘攀扑书隧扑k r 脚菩抖 华北l u 力大学硕 学位论文 4 6 温度场的模拟结果与对比分析 46 l 截面温度特性对比 ( a ) y = 05 m 时的到x z 面上的温度场分布图 华北电力大学硕士学位沦文 ( b ) y = 2o m 时的到x z 面上的温度场分布图 ( c ) y = 60 m 时的到x z 面上的温度场分布图 图4 4y 取小值时x z 面上的温度场分枷围 华北电力大学硕 学竹论文 图4 4 的( d ) 、( b ) 、( c ) 分别为y = 0 5 m 、y = 20 m 、y = 60 m 时 h 上的温度场分布图。通过对比观察可以清楚地看出，链条炉内 ，向上来看，温度场分布自下至上逐渐降低。当取面y = o 5 m 时( 锅炉煤层以上o5 m 处的水平面) ，此处燃烧最剧烈，温度分布也 i 边低；随着y 的增加，当y = 2o m 时，温度水平明显降低，仅有q 温度稍微高一些，其它别处温度分布较均匀：而到了y = 6 0 m 时， f | 更加均匀。这主要是因为在煤层上方时中问部分燃烧剧烈，导致e i ，但随着锅炉高度的增加，煤层燃烧后产生的气体充满整个炉膛 a 度自下至上逐渐下降且趋于均匀。 ( a ) z = ll m 时的到x y 面上的温度场分布网 华j e 电力大学硕士学位论文 ( b ) z = 23 m 时的到) ( y 面上的温度场分布图 ( c ) z = 35 m 时的到x y 而k 的温度场分砧图 罔4 5z 取不同值时x y 而上的温度场分枷图 罔4 5 ( a ) ( b ) ( c ) 分别为z = 1l m 、z = 23 m 、z = 35 m 时的到x y 而 2 7 华北电力人学硕十学佩论文 上的温度场分如图。其中ac 两图因为此面f 好截在二次风几处，所以二次 风效果比较明显，在二次风的剧烈扰动作用下，导致炉膛内未被燃烬细颗粒 以及未燃烧的气态物质得以进一步充分燃烧释热，所以温度比其附近剧围要 高一些。通过对比观察，还可以看到，当取面z = 23 m 时( 锅炉z 轴上中间 处) 的x y 面时煤层以及上方温度偏高，同样是冈为煤在中间燃烧最充分， 这里也正足供给0 2 量虽充足的进风口处。 462 截面流场特性对比 ( a ) x = 2 帅时的到y z 面卜的流场分布圉 华北电力人学硕士学位论文 ( b ) x _ 35 m 时的到y z 面上的流场分布图 ( c ) x = 5o m 时的到y z 面卜的流场分柿图 罔4 6x 取小叫值叫y z 面上的流场分前j 圈 华j 匕电力大学硕f ：学位论文 ( a ) z = l0 9 m 时的到x y 面上的流场分布图 ( b ) z _ 22 4 5 m 时的到x y 面上的流场分布图 华北电力大学硕十学他论文 ( c ) z _ 34 m 时的到x y 面卜的流场分布图 圈4 7z 取不卅值时x y 面上的流场分卸罔 图4 6 和图4 - 7 为锅炉y z 和x y 面上的流场分布幽。次进风以3 m 如 左右的速度通过链条面后均匀进入煤层，并与其耦合燃烧，_ 二次风的介入 导致锅炉中出现约5 5 m 如的高速流，扰动着一次风，再加上空气温度的升高， 使得炉膛内气流速度加快，在炉j f | l i 中刚时有着1 0 州s 以上的速度，图4 7 中 的( a ) 和( c ) 正好截到二次风喷口处，所以二次风的效果更加明显一些， ( b ) 图在两个喷口中间位置。 牛匕电力人 砸十学位论i 盘_ 463 炉膛出口温度于实际测量对比 图4 _ 8 烟气出u 处温度场分布图 该链条炉炉膛出口处温度分布较为均匀，如图所示：出口平均温度的计算结 果为1 1 2 0 k ，即8 4 7 。这与该链条锅炉j r 常运行时记录的数据( 7 2 7 - 8 9 4 ) 相 符。这表明链条炉炉内过程模拟所采用的数学模型、模拟方法足正确的。同时为 后面烟气再循环工况及其优化的数值模拟研究提供了u r 靠的保证。 47 燃烧过程数值模拟收敛性研究 计算燃烧学在工程实践应用中的小断发展和完善，数值模拟在燃烧学领 域的作州也不断突出，现在，对于炉膛等温流场的数值训掉较成熟，这方 面是由丁等温流场的计算相对简单，另方面其等温流场的收敛判据也非常 明确，叩计算的所有参量的残差小于菜给定的界限值( 般为i o5 ) 时就可认 为计算收敛”。而对于锅炉炉内的燃烧过程来说，就其机理是非常的复杂， 数值计算过程中涉及到了多相流动、燃烧反应和传热等多方面冈索，由于各 参量之间相关性的明显增强，数值残差除在箅初期有明显的降低外，在计 算后期基本维持在一个稳定的区域内振动，国内外燃烧数值计算过程，芙干 燃烧收敛的判定都是个人引对经验判定的，没响明确的依掘，本文埘燃烧收 敛性进行了研究。 华北电力太学硕士学位论文 等温流场计算是以残差l x l 旷5 为收敛设定值，当所有残差小于此值时，动量方 程就认为收敛。前面己经提到，燃烧模拟是以等温流场的计算结果为初始场，燃烧 过程计算时的残差随迭代次数的关系如图4 1 1 所示。从图中可以看出，所有燃烧参 数的残差在计算初始阶段有一个太幅的反弹，这是因为燃烧计算初期由于固相颗 植的加入和燃烧反应所致：随后残差髓迭代次数的增加，以震荡的方式不断减小。 低频震荡是燃烧计笄的系统特征，总体趋势随迭代次数减小，高频震荡是由颗粒场 和纽分场的模型选择所决定。本研究的燃烧计算是取煤颗粒场每二十次迭代更新一 次，组分场每十次迭代吏新次，更新次数选择的主要依据是计算机的速度，把二 青的更新次数降低可以降低燃烧收敛的迭代次数，但却增加了迭代一次的时间。 在燃烧过程迭代6 0 多步匕上后，残差的振幅收窄，计算残差或震荡残差的虽大值 的连线趋于某一水平线在这以后随着迭代次数的增加丰要残差曲线呈现周期性 振荡。 从图中可以看出，当连续性方程的残差或震荡的虽大残差走平以后所有参数 的戏筹或震荡残差的培大值趋于某一水平线，圈a 中连续性方程残差的平均值为 l 旷，这时的计算次数为1 0 0 左右；| 墨| b 中连续性方程贱差的、r 均值为l o 。一1 04 之间， 这叫的计算次数为1 2 0 z 二有。如前所述，燃烧参数的高频残差随若迭代次数呈现出 周期性的变化，高频震荡刷期是由颗粒场和组分场的更新控制所决定，本研究- 】的 周期为2 0 ( 颗粒村 卫新的迭代步数) 。按照以往f l u e n t 燃烧模拟计算的经验，可 以认为其为收敛。 h4 9 嫂蔗畸哒代次数的关系 华北电力大学硕士学位论文 5 。l 引言 第五章烟气再循环锅炉n o x 排放的数值模拟 工业链条锅炉n o x 的产生过程是菲常复杂的，n o x 机理的许多方面仍然存在 很多难题还有待于解决。n o x 排放数值模拟在n o x 控制技术研究及工程实践中已 得到了广泛的应用 本章采用与第朗章相同的工况，通过模拟无烟气再循环链条锅炉和采用烟气荐 循环链条锅炉的n o x 的生成和排放特性，以及对比两种工况下0 2 浓度和e 0 2 浓度 的变化，来分析炉内温度场以及n o x 的生成的关系。 5 2n o x 模型及模拟方法 5 2 1n o x 模型 f l u e n t 中n o 。模型能够模拟热力型、快速型、燃料型以及由于燃烧系统晕回 燃导致的n o 。的消耗。其采用燃料能源部、英国l e e d s 大学和公丌文献中发展的速 率模型【4 载。 为了预测n o 。的排放，f l u e n t 解决了n o 浓度的输运方程，对于燃料n o 。 源，f l u e n 罩解决了一个中间产物( 疆c n 或n h 3 ) 肫输运方程。n 0 葺的输运方程逶 过给定的流场和燃烧结果来解。换句话漉，n o x 的预测是燃烧模拟的后处理过程。 因此准确的燃烧模拟结果是n o 。预测的前提。比如，当温度达到2 2 0 0 k 后，温度每 升高9 0 k ，热力型n o 。产物就会增加一倍。所以必须提供给燃烧模型准确的热物理 参数和边界条件，而且必须采用湍流、化学、辐射和其他子模型。 在大多数情况下，能够准确预测n o 。的变化趋势，但是不能精确预测n o x 的量。 准确预测n o 。参量变化的趋势可以减少实验室试验的次数，方便更多的设计变化的 研究，缩短设计周期，减少产品开发的费用。这就是f l u e n t 中n o 。模型的真覆功 能。 ( 1 ) n o x 输运的控制方程 f l u e n t 解决n o 组份的质量输运方程，同时考虑了n o 及相关组份的对流、 扩散、生成和消耗。出于来源于质量守恒的基本原则，这种方法是完全通用的。n o 。 机制中的滞留时间的影响，拉各朗f = 1 坐标系统【4 9 】的概念包含在用欧拉坐标系统写的 挎制露榉的对流项巾? 对0 二热匀型剥恢速，n 0 。机制，仅翥螫n o 、维份的输运方怒。 华j 乏电力大学硕士学位论文 昙o y 黼) + 协g 蚕y 辩) 一协油) ( 5 _ 差) 跟踪含氮的中间产物组份是很重要的。f l u e n t 除了n 0 x 组份，还解决了h c n