水蒸气对煤粉MILD燃烧特性影响的数值模拟

基于IFRF炉子结构,在一次风喷口与二次风喷口之间增加一个水蒸气喷口,通过数值模拟方法研究了水蒸气流速对煤粉MILD燃烧的影响.结果表明,随着水蒸气流速的增加,一次风与二次风混合点提前,炉内烟气湍流混合作用增强,火焰尺寸增大,温度分布更为均匀.水蒸气流速的增加促进了碳的氧化反应并抑制了气化反应,但峰值温度和总的NO排放量分别下降了57,K和23×10~(-6),前者是由于烟气的稀释作用大于氧化放热作用,而后者则是由于气化作用生成的还原性物质抑制了NO的生成.     

污泥掺混煤粉燃烧过程的数值模拟模型适应性研究

针对某300 MW四角切圆锅炉煤粉掺烧污泥运行情况,采用FLUENT软件,基于单混合分数和双混合分数PDF模型,对锅炉炉膛内的烟气流动、燃烧过程和污染物NO〖HT5”〗x排放进行数值模拟。结果表明：与单混合分数相比,双混合分数PDF模型能更好地模拟污泥的高挥发分和水分对燃烧的影响,出口烟气误差在4%以内,更加符合炉内实际燃烧过程;随着污泥掺混比例的增加,污泥中水分蒸发吸热造成炉膛内的整体燃烧温度下降;当污泥含水量为40%时,掺混比例在6%以内对锅炉的燃烧情况影响不大,在技术上是可行的;由于污泥的含氮量显著高于煤粉,对于含水量为40%的污泥,随着掺混比例的增加,NO〖HT5”〗x排放量增加;含水量为80%污泥掺混煤粉后,随着掺混比例的增加,NO〖HT5”〗x排放由于燃烧温度急剧降低而减少。     

煤粉MILD燃烧NOx生成和还原机理的数值分析

采用计算流体动力学(CFD)软件分析了国际火焰研究基金会(IFRF)试验系统上煤粉低氧稀释(MILD)燃烧特性和NO_x排放特性。比较了不同的湍流与化学反应相互作用模型、挥发分气相反应机理和焦炭燃烧模型对煤粉MILD燃烧特性预测的影响,通过对比烟气速度场、温度场、组分浓度场的模型预报结果与试验结果,得到了能够准确预测煤粉MILD燃烧特性的模型组合,即EDC-WD-MSR模型。采用此模型对煤粉MILD燃烧NO_x生成和还原路径进行分析,结果表明：煤粉MILD燃烧中燃料型NO占主导地位,热力型NO、N₂O中间体路径和快速型NO之和对NO总排放的贡献小于10%。煤粉MILD燃烧存在强烈的NO均相和异相还原反应,其中NO异相还原反应使燃料型NO的排放量占单独计算的焦炭NO和挥发分NO排放量之和的71.1%。     

煤粉燃烧过程中NOx生成的数值模拟

本文提出用有限反应速率２阶矩封闭模型来模拟湍流对煤燃烧过程中ＮＯｘ生成的影响。     

煤粉浓淡空气分级燃烧过程的数值模拟

采用Fluent 6.3软件,对1台400 t/h四角切圆燃煤锅炉内的煤粉浓淡、空气分级及两者联用等3种燃烧过程进行了数值模拟,分析了煤粉浓淡比对炉内NOx和煤烟生成的影响.结果表明:与原始工况相比,仅采用煤粉浓淡燃烧时,NOx的生成量降低12.6%,但煤烟生成量会增加.当联合使用煤粉浓淡与空气分级燃烧时,随着煤粉浓淡比的增大,NO2生成量逐渐减少,当浓淡比值大于5时,NOx生成量的降低幅度趋于平缓;煤烟生成量随着煤粉浓淡比的增大先减少后增加,当煤粉浓淡比为3～5时,煤烟生成量最少.在两者联用条件下,NOx生成量的降幅可达27.6%,同时煤烟生成量也有所下降,这对锅炉的优化改造有一定的指导作用.     

MILD燃烧方式下燃料NOx生成特性数值模拟

针对MILD燃烧新模式下燃料NO_x生成特性暂不清楚的问题,开展了甲烷MILD燃烧的CFD数值模拟．通过向燃料中添加不同比例的NH₃,考察了NH₃添加对MILD燃烧方式下燃料NO_x生成特性的影响,对于明确MILD燃烧降低燃料NO_x排放的可行性具有重要意义．在分析现有CH₄/NH₃反应机理可靠性的基础上提出了改进模型,并进行了甲烷MILD燃烧火焰结构和NO排放的实验验证．研究结果表明：随着燃料中NH₃含量的增加,无论是常规燃烧还是MILD燃烧下NO排放都相应提高;同时,MILD燃烧下特殊的燃料氧化过程导致NO的还原作用弱于常规燃烧,因此当燃料中初始NH₃体积分数超过1.3%后NO排放值反而高于常规燃烧．     

高炉氧煤燃烧器中煤粉燃烧过程的数值模拟

本文采用颗粒相连续介质－轨道模型对同轴射流渐扩式高炉氧煤燃烧器内煤粉燃烧过程进行了数值模拟。数值模拟结果表明，同轴射流渐扩式氧煤燃烧器在适当的射流速度比条件下，可在氧煤枪出口后方诱导出回流区及低速区，有利于延长煤粉在直吹管内的停留时间，改善煤粉在热风管中加热、挥发和挥发份的着火条件，改善氧气和煤粉的混合，提高煤粉燃烧区的氧气浓度。     

切向燃烧煤粉锅炉燃烧和污染物排放的数值模拟

借助FLUENT CFD软件平台，对1台20MW切向燃烧锅炉炉内燃烧流动进行了三维数值模拟。计算了炉内流场、温度场、组分场，还对炉内污染物NO排放规律进行了计算。计算结果显示，整个炉膛空间存在旋转流场，直到炉膛出口还有旋转残余。炉内的温度场的最高温度出现在燃烧器区域，各组分浓度场与温度场都有很大关系，NO的生成主要是在燃烧过程中，沿炉膛高度浓度逐渐减小，与炉膛中氧气组分的浓度也有一定的对应关系。计算结果为工业运行、设计和改造提供了参考。图11参1表6     

超细煤粉再燃低NOx燃烧技术的数值模拟

为了验证超细煤粉作为再燃燃料的有效性,使用FLUENT软件对元宝山褐煤在燃烧试验研究装置中的进行了4个工况的数值模拟;1 个为常规燃烧,3 个为超细粉再燃工况。计算结果表明:超细粉再燃可以有效的降低NOx 排放,与常规燃烧相比,脱除率为58.2%~72.5%;再燃区过量空气系数越小,越有利于NOx 的还原;超细粉再燃工况中出口NOx 排放量不仅与再燃区NOx 的还原率有关,而且还与燃尽区新的NOx 生成有关。图5表3参7     

T型煤粉锅炉富氧燃烧的数值模拟

为研究采用富氧燃烧方式煤粉锅炉的燃烧特性,利用Fluent软件对一台T型煤粉锅炉的富氧燃烧过程进行了数值模拟,得到了一次风含氧体积分数变化时炉膛内温度场、速度场和烟气各组分物质的量浓度的分布.结果表明:富氧条件下整个炉膛温度水平高于空气助燃条件下;当含氧体积分数由21%增大至33%时,炉膛平均温度由1 413.2K升高为1 447.1K;当含氧体积分数增大至27%时,炉膛平均温度变化较明显,达到1 435.6K;当含氧体积分数大于29%时,炉膛平均温度变化不明显;变一次风风量富氧燃烧方式的含氧体积分数最佳范围为27%～29%.     

210MW煤粉炉燃烧系统改进的数值模拟

运用CFD软件对某210 MW煤粉锅炉的燃烧过程进行三维数值模拟,针对锅炉实际存在温度分布不好、燃烧效率不高、结渣问题严重,对炉膛进行偏二次风、反切燃尽风及两者联用改进。结果表明:与设计工况相比,单独的小角度偏二次风改进下的炉膛燃烧区温度降低约300 K,水冷壁附近氧气浓度提高,减少了水冷壁的结渣和高温腐蚀;单独小风率反切燃尽风改造后的配风方式更合理,烟气的停留时间增加0.6 s,燃烧区温度提高约373 K,高温区域扩大,炉膛出口烟气热偏差系数减小约0.7%,提高了锅炉的燃烧效率和运行的安全性,但可能加重炉内结渣;二者联用改进既能够很好地改善炉膛的温度分布,扩大炉膛高温区域,提高燃烧区温度约353 K,同时能够减少燃烧器区域的结渣和高温腐蚀,减小炉膛出口烟气热偏差,采用二者联用改造对锅炉运行最为合适。     

煤粉颗粒群着火和燃烧过程的数值模拟

建立了一维非稳态球形煤粉颗粒团的群燃烧模型.数值模拟煤粉颗粒团的着火和燃烧过程,获得了颗粒团燃烧火焰随时间的变迁.分析了煤粉颗粒团内部参数和外部环境参数对颗粒团着火和燃烧的影响.随着颗粒团内煤粉浓度的增加,颗粒团的均相着火延迟先减小后增加.增加煤粉颗粒尺寸和降低外部温度都会明显延迟均相着火.环境氧气含量的增加会减小着火延迟,同时增加颗粒团的燃烧速率.模拟计算和文献试验结果的变化趋势相吻合.     

煤粉再燃燃烧碳氢组分转化机理的数值模拟

以GRI 3.0数据库为基础,结合CHEMKIN模块软件中敏感性分析的方法对煤热解挥发分中碳氢组分转化反应机理进行了数值模拟.结果表明:自由基H、O、0H是启动一系列重要基元反应的活化基;轻质烃本身对NO 基本没有还原作用,通过转化为CH1基元后,直接与NO发生还原反应降低NO的排放;CH2直接对NO进行还原时,CH3为主要的还原物质,其反应最终稳定的产物主要是对NO的还原有促进作用的HCN;在O、O2等氧化剂存在的条件下,这些碳氢基也会被直接氧化成CO、CO2等产物,在一定程度上减弱碳氢基对NO的还原效果.     

高风温点火燃烧器中煤粉气流着火燃烧过程的数值模拟

对一种新型电站锅炉无油点火煤粉燃烧器的着火燃烧过程建立数学模型,利用CFX软件对高温空气直接加热点燃煤粉气流的过程进行了数值模拟,得到了点火室内温度场和浓度场分布,并且重点讨论了不同煤粉浓度对煤粉气流着火的影响。计算结果表明,在一定的运行条件下,煤粉气流的稳定着火只发生在一定的煤粉浓度范围内。所进行的理论模拟计算与现场试验结果具有良好的一致性。     

600MW超临界煤粉炉燃烧过程数值模拟

四角切圆煤粉锅炉是我国较为普遍适用的燃煤锅炉的炉型之一,炉膛结渣是影响锅炉圆燃煤锅炉膛内的湍流流动,传热和燃烧过程进行了三维数值模拟,得出炉膛内温度场和速度场分布。通过灰污层外表面平均温度与煤灰的变形温度DT进行比较,能够较为准确地判断结渣区域,为安全运行提供有效依据。     

强弱射流型MILD富氧燃烧器燃烧特性的数值分析

采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对一种强弱射流型MILD富氧燃烧器的流动和燃烧特性进行了分析.采用有限速率/涡耗散(FR/EDM)模型预测了丙烷MILD富氧燃烧过程中烟气速度场、温度场、组分体积分数分布和烟气内循环流量比等宏观特征,并与已有实验数据进行比较,验证了模型的准确性.在此基础上深入分析了MILD富氧燃烧的化学反应区结构、湍流和化学反应时间尺度等微观特征.结果表明:强烈的烟气内循环充分地稀释并预热主反应区内的反应物,减缓了化学反应速率,从而降低了火焰峰值温度,揭示了强弱射流型MILD富氧燃烧的低氧温和燃烧特征.     

富氧燃烧煤粉炉传热特性的数值模拟研究

利用商业软件FLUENT,在3种氧气浓度燃烧状态下对燃煤锅炉进行了数值模拟,研究了不同氧浓度下火焰形状及炉膛传热特性的变化规律。研究表明,氧气体积浓度为33%时,炉膛的温度分布更加平均,并且火焰传递给炉墙的热量与空气燃烧时最为接近,因此,当氧气体积浓度为33%时,对现有锅炉受热面的改造最小。此外,为了平衡锅炉的热负荷,使其适应富氧燃烧,可将流经省煤器之后的给水温度适当降低或者将部分过热器移到炉膛辐射区来代替部分水冷壁。     

氧煤MILD燃烧技术经济性分析

以某一电站燃煤锅炉为例,对50%综合氧浓度煤粉MILD(Moderate and Low Oxygen Diluted)燃烧锅炉的锅炉效率、烟气辐射特性、炉膛辐射换热计算方法、受热面变化等进行了探索和分析。结果表明:相比空气燃烧方式,50%综合氧浓度煤粉MILD燃烧方式下的烟气量减小58.6%,锅炉效率提高4.8%,炉膛内烟气发射率提高23%,低温过热器面积和低温再热器面积分别降低82.9%和85%,其他受热面面积都有一定幅度的下降,锅炉总受热面减小58.8%。     

煤粉燃烧放热及介质辐射特性参数的数值分析

本文概述了区域分析法和Monte-Carlo法两种辐射传热数学模型所需的输入数据。采纳Field等人建立的煤粉燃烧模型,数学上用一阶非线性常微分方程组描述,本文给出了方程的数值解法。炭粒和灰粒吸收系数用“投影理论”计算。本文完成了计算的各个细节,独立地编排出FORTRAN计算程序,进行了实例计算,算出煤粉燃烧放热及介质吸收系数的三维空间分布。定量地分析了各参数灵敏度,为制订今后的试验研究方案提供了依据。本程序已和Monte-Carlo程序结合计算,对20万千瓦电站锅炉炉膛温度场及热流场作出预报。