燃料稀释和喷嘴布置对甲烷非预混MILD氧燃烧的影响

中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution, MILD)氧燃烧能够同时实现低碳和低NO_x排放,是一种很有前景的燃烧技术。通过实验研究CO2稀释甲烷的非预混MILD氧燃烧炉内CO_2稀释量(30%～80%体积分数)和喷嘴布置(中心燃料喷嘴或中心氧化剂喷嘴)对燃烧和排放特性的影响。实验表明,随着燃料稀释程度的升高,炉内温度和NO排放均降低,但CO排放有所升高。另外,过高的稀释度(如80%)会导致炉内燃烧不稳定,易发生熄火。但预热燃料可以避免这一问题。70%燃料稀释度下,炉内温度分布均匀,NO排放较低(20×10~(-6)),且对当量比、燃料预热温度和氧化剂中氧气浓度的变化不敏感,更有利于MILD氧燃烧的实际应用。此外,实验发现,相比中心燃料喷嘴的布置,中心氧化剂喷嘴布置下,炉内温度分布更加均匀,NO排放极低(≈5×10~(-6)),更有利于建立超低排放的MILD氧燃烧。因此,实际燃烧器设计时可以考虑这种布置。     

稀释剂和氧浓度对甲烷非预混MILD富氧燃烧影响的模拟研究

通过数值模拟方法研究了不同氧化剂(O2/N2、O2/CO2和O2/H2O)和燃烧器出口氧浓度(21％～30％)对15kW实验炉内甲烷非预混中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution,MILD)富氧燃烧的流场、燃烧场及湍流-化学相互作用的影响.研究结果表明,不同稀释...     

MILD燃烧评定标准验证实验

MILD(炉膛内氧气被强烈稀释到低氧条件下的一种温和燃烧模式)燃烧作为一种洁净燃烧技术已成为国内外研究的热点,然而有关判定MILD燃烧的标准却鲜见报道。为了有效地判定燃烧是否达到MILD状态,本文总结了评定MILD燃烧的3条标准,并实验测量了MILD燃烧的特征参数。通过分析特征参数的规律,发现实现非预混MILD燃烧要同时符合火焰呈淡蓝色或无明显火焰,温度波动比值b小于15%,炉膛中CO和NO_x的质量分数低于100×10~(-6) 3条标准。此研究结果可为非预混MILD燃烧的判定提供参考及依据。     

二氧化碳、水和氮气稀释条件下甲烷MILD氧燃烧的实验研究

中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution,MILD)氧燃烧技术能同时实现低碳和超低NOx排放,是一种创新性的燃烧技术。通过实验方法研究了不同稀释剂(N_2、CO_2和H_2O)、氧气浓度、当量比和氧化剂预热温度下甲烷非预混MILD氧燃烧和排放特性。实验发现,N_2、CO_2和H_2O稀释的所有工况中均没有观察到火焰。但N_2稀释时,炉内温度和NO排放都比较高,且当氧浓度、当量比或氧化剂温度增加时,NO排放急剧升高(100×10~(-6)),因此无法实现较好的MILD氧燃烧。与之相比,CO_2或H_2O稀释下,炉内温度较低,NO排放也非常低(10×10~(-6));并且NO排放对氧浓度、当量比和氧化剂温度的变化不敏感,能在更宽的范围内建立起低排放的MILD氧燃烧。此外,CO_2稀释时会产生较高的CO排放(20×10~(-6)),但H_2O稀释下几乎没有CO排放,且NO排放最低(≈1× 10~(-6))。因此,H_2O稀释最有利于实现超低排放的MILD氧燃烧。但实际炉膛应用时需要注意防止H_2O稀释造成的炉壁汲水和因此导致的热效率降低、甚至熄火。     

煤粉MILD燃烧的数值模型优化

采用用户自定义函数(UDF)对煤粉MILD燃烧的数值模型进行了优化,包括挥发分的多组分比拟、脱挥发分极限的温度依赖优化和煤粉颗粒燃烧过程的算法优化。通过与IFRF的煤粉MILD燃烧经典实验的对比,验证了模型优化所产生的效果。研究发现,挥发分的多组分比拟能更准确地预测炉内O2浓度分布;脱挥发分极限的温度依赖优化,一方面能够使挥发分在低温区间开始脱附,改善模拟中着火延迟过长的问题,另一方面,能够使煤粉颗粒在高温区间脱附出更多的挥发分,使得温度分布的预测更为准确;煤粉颗粒燃烧过程的算法优化能够刻画挥发分脱附过程和焦炭反应过程在温度区间(780~1200K)上的重叠现象,能更准确地预测炉内CO分布,与真实的煤粉MILD燃烧过程更为相符。     

富氧燃烧锅炉辐射传热特性数值模拟研究

为研究富氧燃烧与空气燃烧锅炉之间的辐射传热特性差异,并为设计或改造新型富氧燃烧系统提供所需的理论指导,对2种燃烧方式下的炉膛流场与传热分布特性进行了数值模拟研究。首先对富氧燃烧数值模拟采用改进灰色气体加权和（WSGG）模型计算气体吸收系数的必要性进行了探讨,并将Johansson WSGG模型结合进入燃煤锅炉的CFD模型框架内,使CFD数值模型适用于富氧燃烧的辐射传热计算。在此基础上对某330 MW机组锅炉分别采用干、湿烟气再循环富氧燃烧方式及空气燃烧方式的炉膛流场与传热分布特性等进行了对比分析。结果表明:在锅炉煤量、入口气体质量流量和氧量皆相同情况下,不同燃烧方式间燃烧烟气成分及物性的差异使富氧燃烧与空气燃烧锅炉在流场、温度与炉膛传热分布等方面皆呈现出较明显的差异;富氧燃烧烟气中所富含的CO2和H2O的比热容高于N2,使采用湿烟气循环方式富氧燃烧锅炉炉膛的整体温度和吸热量明显低于空气燃烧;同时,由于CO2的密度高于N2,富氧燃烧锅炉的整体流速低于空气燃烧锅炉,并影响了炉内的温度与传热分布。在设计富氧燃烧系统或改造现有空气燃烧系统时应考虑富氧燃烧与空气燃烧锅炉在炉膛流场与传热方面的差异,合理安排锅炉的传热分布,避免或减少锅炉受热面的改动。     

汽油机射流燃烧系统

本世纪以来,对于汽油机的研究,国外屡经改进,至今普遍认为汽油机油耗再下降是困难的。经过理论分析,各国把提高汽油机的性能主要仰仗于提高压缩比(气缸容量比)上,压缩比越高,汽油机热效率越高,     

应用喷嘴射流吹扫引风机叶片积灰研究

在引风机叶片上加装射流喷嘴装置吹扫引风机叶片的积灰.应用Fluent软件模拟引风机不同喷嘴进口风速下引风机叶片非工作面上的静压分布.结果表明,引风机变负荷运行时,叶片非工作面低压区压力若达到满负荷时的压力值即可防止叶片积灰.通过比较引风机各负荷不同工况下的静压分布,可获得各负荷对应的最佳喷嘴进口风速和风量,在保持吹扫效果的同时降低了能耗.     

200MW_e富氧直流锅炉燃烧特性数值模拟研究

采用CFD软件结合改进的辐射特性模型以及化学反应机理,对200MW富氧直流锅炉燃烧特性进行数值模拟,计算空气分级燃烧、空气燃烧以及氧分压分别为23%、26%的富氧循环工况,对着火、结渣特性进行分析,结果表明:对比空气燃烧工况,富氧下挥发分浓度明显提高,且随着入炉氧分压的增加,挥发分浓度提高,可见富氧下挥发分的氧化速率变慢,燃烧持续时间更长;富氧工况下炉内主燃区和过热器屏底区域具有较高的CO浓度,结渣和高温腐蚀倾向加强,锅炉设计应采取较低的断面热负荷和容积热负荷,并对燃烧器配风进行优化。     

富氧燃烧模拟烟气一体化压缩脱硫脱硝试验研究

富氧燃烧是能够大规模商业化捕集CO₂的主流技术之一,为进一步探讨富氧燃烧压缩过程捕集CO₂性能、并同时一体化脱硫脱硝技术的能力,在搭建的50 kg/h规模的试验平台上,通过调整不同的参数,采用液体CO₂洗涤混合气体技术,表明压缩过程可同时脱除NO_x和SO_x等污染物,通过试验进一步研究液气比对NO_x和SO_x脱除的影响。结果表明,整体脱硫率、脱硝率可达98%以上,尾气中SO₂体积分数低于50×10^-6,NO_x体积分数小于30×10^-6,富氧燃烧系统中压缩纯化过程具备实现一体化脱硫脱硝的潜力。     

炉内流场中复杂结构喷嘴射流的近流线数值模拟

采用独立开发的近流线数值模拟方法,对大型四角切圆炉膛中具有复杂结构喷嘴射流的炉内流场进行了数值模拟,同时与三维热线风速仪的测量结果相对照,证明了该数值模拟方法较好地解决了在计算区域由于合速度方向与网格线方向之间有较大夹角而产生的伪扩散问题,并详细地模拟了复杂的燃烧器喷嘴结构和炉膛的大切角结构,准确地反映了复杂的燃烧器喷嘴射流和实际炉内燃烧区域的流场特征,较好的实现了近流线的数值计算。     

600MW四角切圆燃烧锅炉富氧燃烧的数值模拟

为了研究煤粉锅炉的传热特性,控制燃煤污染物排放,阐述了600 MW四角切圆煤粉锅炉炉内的流动、传热与燃烧过程的数值模拟方法,通过Gambit软件建立炉膛的三维结构及网格生成,在FLUENT软件中选择合理的数学模型,分别进行了空气气氛和富氧气氛下炉内煤粉燃烧的数值模拟过程。模拟结果表明:O2/CO2气氛下,CO2具有较高的比热容,炉膛内烟气的蓄热能力及着火热增加,炉膛整体温度下降,火焰中心上移;随着氧气浓度的提高,煤粉的燃烧得到强化,炉内温度升高,炉内高温区变大,火焰中心逐渐下移,有利于煤粉的着火和燃烧。     

富氧燃烧模拟烟气石灰石-石膏湿法脱硫试验研究

为了研究富氧燃烧情况下烟气石灰石-石膏湿法脱硫系统的效率,在自行搭建的富氧燃烧烟气石灰石-石膏湿法脱硫实验台上进行脱硫试验,通过控制脱硫系统中的CO₂浓度（体积分数14%、60%、70%、80%和90%）,研究富氧燃烧气氛下不同烟气流速、液气比、入口SO₂浓度以及浆液pH值对SO₂脱除特性的影响。发现随着烟气流速和入口SO₂浓度的增加,液气比和浆液pH值的减小,脱硫效率逐渐减小,系统中CO₂浓度越大,脱硫效率越小;对不同CO₂浓度气氛和浆液pH下的石膏晶体进行粒度分析和SEM电镜扫描,发现浆液pH值和CO₂对石膏的结晶并不会产生明显的影响。     

炉内喷嘴射流刚性的理论模型及试验研究

为增进对炉内燃烧器射流特性和射流与炉内旋转气流相互作用规律的认识,提出了射流出口初期的刚性假设和射流弯曲应力的概念,并以此建立了射流偏斜的弯曲应力分布模型。同时直接从N-S方程出发,建立了射流偏斜的微元体运动模型。在炉内射流的外界条件相同的情况下,分别对矩形喷组射流,水平浓淡风喷嘴射流和刚性问题进行了理论模型分析和试验研究,得到了影响射流刚性的两个关键因素,即：射流的截面形状和射流的动量,首先,燃烧器喷嘴出口截面的几何形状,它决定射流初期的断面形状,射流截面惯性矩JZ和射流抗弯截面模量WZ的大小,从而决定了射流截面各类弯曲应力的大小和分布,它对影响射流刚性的外因-弯曲应力产生了重要影响,是直播影响射流出口初期偏斜的重要因素。其次,燃烧器喷嘴射流出口动量,是决定射流刚性大小的内在因素,即：射流动量越大,则射流刚性越强,偏斜越小。     

低挥发分煤粉增氧燃烧的数值模拟

采用增氧方式对低挥发分煤粉的着火燃烧进行研究。针对200 MW无烟煤的燃烧器,利用FLUENT软件平台,计算在不同的一次风率(15%、20%、25%)和一定的氧燃比下,改变增氧氧气浓度(不增、40%、60%、80%、100%)的低挥发分煤粉燃烧工况,并对燃烧器出口的温度场以及NOx浓度进行分析。结果表明:增氧燃烧能够提高低挥发分煤粉的燃烧温度,加快煤粉的反应速率,对于低挥发分煤粉的提前着火和充分燃烧有很大的促进作用。应尽量避免高氧浓度(60%)增氧燃烧。综合对比,工况9的燃烧各参数(燃烧温度、高温区距钝体的距离、NOx浓度)最为合理,是所研究11种工况中的最优工况。     

燃煤锅炉不同氧分压富氧燃烧过程数值模拟

采用CFD软件,结合改进的辐射特性模型以及化学反应机理,对3MW富氧燃煤锅炉进行数值模拟,计算空气燃烧工况以及氧分压分别为23%、26%和29%下的富氧循环工况,对炉内速度、温度、组分场进行分析,结果表明:富氧燃烧工况与空气工况相比,速度场、温度场相对保持不变。富氧燃烧绝热火焰温度总体低于空气燃烧工况,26%氧分压条件下比空气工况低200 K;入炉氧分压对炉内温度水平具有一定的调节作用,随氧分压提高,火焰最高温度也提高;富氧燃烧条件下燃烧器区域烟气CO浓度较高,锅炉主燃烧区域的水冷壁区域的结渣和高温腐蚀倾向有所加剧。随着氧分压的提高,CO浓度峰值也增加达到了3%~4%,但是在炉膛出口烟气中,CO浓度则稍微低于空气燃烧工况,燃尽度得到改善。     

卧式炉的富氧燃烧试验及数值模拟

利用卧式炉对煤粉气流在富氧气氛下的燃烧进行了试验和燃烧数值模拟,结果表明,在富氧气氛下,提高了煤粉的燃烧速率,炉内温度场水平升高,燃料燃烧更加完全;火炬前端的温度水平显著提高,煤粉气流的着火距离缩短,燃烧速率加快,有利于实现煤粉富氧直接点火;烟气中Co的含量减小,NOx含量先增大后减小,SOz含量呈增大趋势.     

卧式炉富氧燃烧试验及其三维数值模拟

通过卧式炉旋流燃烧器燃烧试验,表明氧浓度大小对煤粉的初期、中期着火影响明显。在富氧条件下,火炬前端的温度水平显著提高,有利于实现富氧少油或者无油点火;煤粉的着火距离缩短,燃烧速率加快,从而强化了炉内换热,提高了燃烧效率。     

集流导叶对喷嘴射流刚性的影响

喷嘴射流刚度对电站锅炉炉内空气动力场影响较大,在喷嘴入口增加集流导叶使工质更加集中,提高射流刚度。利用数值方法,分析不同形状导叶对射流刚度的影响。采用k-ε标准模型,分析在不同工况下,喷嘴出口的速度分布。在自由射流和增加干扰射流时,将不同方案下喷嘴射流的有效射程S、射流偏转角β、z方向出口速度v_z进行对比。结果表明：在喷嘴内部添加集流导叶能够使射流中心速度提高,集流导叶能够增加射流抗干扰能力,降低速度衰减率,提高射流刚度。通过综合评价得出圆弧形导叶提高射流刚性最优,其后依次为抛物线形、三次曲线形、直线形。     

烟气循环倍率对煤粉富氧燃烧影响数值模拟

为了研究煤粉富氧燃烧方式下烟气循环倍率对燃烧和传热特性的影响,本文以某500k W燃烧测试炉为研究对象,采用数值模拟方法对空气燃烧以及不同循环倍率下的富氧燃烧进行了研究;采用化学渗透脱挥发分(CPD)模型模拟煤粉的脱挥发分过程,挥发分成分考虑为多种轻质气体,挥发分的燃烧采用详细化学反应机理,介质辐射特性模型均针对富氧燃烧进行了修正。研究结果表明:虽然富氧燃烧下二次风与一次风的动量比较空气燃烧下降了50%以上,但采用相同的旋流燃烧器仍可实现与空气燃烧相似的炉内流场特性;煤粉燃烧温度和着火位置均受循环倍率的影响,富氧燃烧下循环倍率为72%时,炉内平均温度分布以及着火位置与空气燃烧下较为接近,随着循环倍率增加,辐射传热量降低。