煤粉富氧燃燒特性與污染物排放特性的中試研究及數(shù)值模擬.pdf

1、電力生產(chǎn)中以煤炭為主的化石燃料的燃燒排放了大量的二氧化碳,溫室氣體的快速增加導(dǎo)致了溫室效應(yīng)和全球變暖,其引發(fā)的全球氣候變化和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)給人類帶來(lái)了越來(lái)越大的影響。國(guó)際社會(huì)對(duì)此給予了越來(lái)越多的關(guān)注,達(dá)成了一系列以《京都議定書》為代表的國(guó)際間碳減排合作協(xié)議,并加速了燃煤電廠碳減排技術(shù)的發(fā)展。在眾多針對(duì)燃煤電廠煙氣中CO2的收集和儲(chǔ)存的技術(shù)中,使用氧氣與循環(huán)煙氣混合后替代空氣參與燃燒的煤粉燃燒技術(shù)(也被稱為富氧燃燒或O2/CO2循環(huán)燃燒),

2、是當(dāng)前在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最能被工業(yè)界所接受的一項(xiàng)碳減排燃燒技術(shù)。
　　與煤粉在空氣下的燃燒相比,煤的O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)由于沒(méi)有N2的參與,爐膛尾部煙氣中CO2濃度能夠達(dá)到90％以上,便于進(jìn)行捕集和回收,且煙氣容積的大量減少降低了熱損失和處理成本。已有研究表明,煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒的燃燒特性與污染物排放特性均不同于傳統(tǒng)空氣下的燃燒,如火焰溫度降低、穩(wěn)定性變差等。通過(guò)采用新型的燃燒器及合理的配風(fēng)技術(shù),能夠使火焰溫度和爐膛傳熱

3、特性與空氣下燃燒時(shí)接近,并且在污染物的脫除方面有很大的減排潛力。在本文研究之前國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的中型和大型試驗(yàn)研究尚無(wú),對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)在試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)、O2/CO2燃燒器開發(fā)、燃燒特性和污染物生成機(jī)理等方面的研究還非常缺乏。
　　本文采用熱天平(TGA)與紅外煙氣分析儀聯(lián)用,對(duì)三種煤及其煤焦進(jìn)行了不同O2濃度下的O2/N2和O2/CO2氣氛下的燃燒實(shí)驗(yàn),并對(duì)燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行了紅外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析,對(duì)比了兩種氣氛下煤的燃燒反應(yīng)特性,得到了處

4、在化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制區(qū)域范圍內(nèi)動(dòng)力學(xué)參數(shù),并采用多種計(jì)算方法相結(jié)合找出了最概然機(jī)理函數(shù)。通過(guò)對(duì)比煙氣濃度隨溫度的變化規(guī)律,分析了高濃度CO2對(duì)煤的反應(yīng)速率的影響以及污染物生成規(guī)律的影響。
　　設(shè)計(jì)并搭建了以豎直燃燒爐為主體的國(guó)內(nèi)首臺(tái)中試規(guī)模O2/CO2循環(huán)燃燒綜合試驗(yàn)臺(tái),對(duì)煤在空氣下和O2/CO2氣氛下的燃燒進(jìn)行了多工況試驗(yàn),對(duì)比分析了煤粉在不同O2濃度及不同煙氣循環(huán)方式下的燃燒特性和溫度場(chǎng)。尋找最佳煙氣循環(huán)率及其它運(yùn)行參數(shù),以使空氣

5、下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下的爐內(nèi)溫度場(chǎng)和傳熱狀況相近,且爐膛出口煙氣中CO2達(dá)到回收標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)O2/CO2循環(huán)燃燒的特點(diǎn),采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對(duì)O2/CO2旋流燃燒器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索。對(duì)改進(jìn)后的燃燒器進(jìn)行了冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn),確定了氣流擴(kuò)展角及回流區(qū)大小。在中試臺(tái)架上進(jìn)行的熱態(tài)試驗(yàn)用來(lái)研究燃燒器在空氣下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下的燃燒特性及污染物排放特性。研究表明,改進(jìn)后O2/CO2旋流燃燒器具有良好的可調(diào)性,

6、氧-煤混合度和燃燒性能有明顯的提高。這些研究對(duì)今后O2/CO2燃燒器的研究和設(shè)計(jì)有非常強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
　　利用CFD軟件對(duì)整個(gè)爐膛全尺度建模,選取了合適的湍流流動(dòng)、燃燒與傳熱的數(shù)學(xué)模型對(duì)煤粉在空氣和O2/CO2氣氛下的燃燒進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,數(shù)據(jù)吻合度良好,說(shuō)明模擬能夠反映真實(shí)的燃燒過(guò)程。并在FLUENT軟件上對(duì)變更煙氣循環(huán)參數(shù)后的燃燒過(guò)程進(jìn)行了探討,對(duì)實(shí)際運(yùn)行給出了建議和指導(dǎo)。另外,FLUENT軟件

7、在燃燒器設(shè)計(jì)過(guò)程中,在確定燃燒器的關(guān)鍵參數(shù)如旋流強(qiáng)度和葉片安裝角度上起到了重要的作用。
　　對(duì)中試臺(tái)架上煤在空氣下和O2/CO2循環(huán)燃燒條件下燃燒時(shí)爐內(nèi)污染物生成規(guī)律進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究,研究了NOx和SO2的濃度分布及排放規(guī)律,探索了在O2/CO2循環(huán)燃燒條件下進(jìn)行爐內(nèi)噴鈣實(shí)現(xiàn)對(duì)NOx和SO2進(jìn)行聯(lián)合脫除的方法。并使用FLUENT和CHEMKIN對(duì)O2濃度不同的O2/N2和O2/CO2氣氛下的燃燒進(jìn)行了模擬計(jì)算和機(jī)理分析,研