W型火焰锅炉燃用无烟煤低NOx燃烧技术机理和模化试验研究

【摘要】：煤炭在我国的能源战略上举足轻重,在S02得到有效控制的同时,NOx的污染严重性日渐显现,于是大量控制煤粉氮氧化物排放的方法与技术出现,但燃用无烟煤的W型火焰锅炉的NOx排放量远高于一般燃煤锅炉,由于无烟煤的燃烧特性和W炉的燃烧特点,还未出现有效的控制方法,于是了解无烟煤的燃烧和NOx排放特性,寻找有效的控制W型火焰锅炉燃用无烟煤的高NOx排放量的燃烧技术十分必要。 本文按照“无烟煤燃烧和NOx生成机理研究—无烟煤一维悬浮燃烧试验——W炉冷态模化试验和数值模拟计算—W炉热态模化试验”的研究思路探究了无烟煤和W炉内的燃烧特性以及W炉燃用无烟煤时NOx的生成与控制方法。 在热天平试验台上进行无烟煤燃烧动力学特性研究,并建立了综合燃烧评价模型,发现煤粉挥发分析出主要受煤质本身特性的影响,粒径对其影响甚微；无烟煤着火温度高,稳燃和燃尽性能一般,可燃性差；通过综合判别模型认定无烟煤为劣等燃烧效果的煤种。 在固定床试验台上进行了无烟煤燃烧特性和NOx生成规律研究。无烟煤的燃烧速度很慢,其NO生成率随温度的升高而降低；无烟煤本身的挥发分含量是其煤质特性中影响其NO生成率最关键的因素,其N含量与NO生成率并没有必然的联系,O含量对NO生成率的影响规律与挥发分类似。 利用固定床试验台对无烟煤燃料N的转化规律和其焦炭对NO的还原规律进行了研究,并对不同的研究方法进行了比对。在本文试验条件下,在1200℃,6%氧浓度和200-250目的煤粉粒径下,无烟煤挥发分N的转化率最低,而对于焦炭N来说,在1200℃,1%氧浓度和粒径为250-300目的条件下时转化率最低,1000℃的制焦温度对于控制NO生成来说是最差的；无烟煤燃料型NO中,焦炭NO占绝大部分；煤粉挥发分N向NO的转化率要高于燃料N,焦炭N最低；在800℃下制得的无烟煤焦炭在1200℃和粒径为200-250目条件下时还原活性最强；燃烧排放气体中的CO/CO2值越大表明焦炭还原效果越差；在条件相同的情况下,烟煤焦炭对NO的还原效果要优于无烟煤焦炭,这是同等工况下无烟煤燃烧NO生成率要高于烟煤的关键原因。 基于固定床试验结论,建立了简化的燃料N转化模型和焦炭还原NO模型。燃料N转化模型可以准确地定性预测不同燃烧条件下燃料N的转化规律,发现在不同的燃烧条件下,对燃料N转化起主导作用的反应不相同；在焦炭还原NO模型中,发现公式RNO=4.18×10-4exp(-17500/T)A(?) PNO更适合用于计算焦炭还原NO量。 在一维沉降炉试验台上,对无烟煤在实际悬浮燃烧过程中的燃烧特性及NOx排放特性进行试验研究。燃用无烟煤时,最佳的炉内温度在1400-C左右,如采用空气分级燃烧,主燃烧区域过量空气系数应选择0.8-0.9附近,燃尽区域则应选择在1.1附近；采用一维沉降炉燃用无烟煤燃尽率低,可通过增加炉内停留时间来提高燃尽率,因而W炉是燃用无烟煤的最优选炉型。 根据机理研究和一维燃烧试验,简化燃料N转化过程中的复杂反应,建立了无烟煤一维燃烧燃料N的转化模型,得到的计算结果与实测结果较为吻和。通过该模型的应用发现,无烟煤粉粒径的变化对NO排放量的影响较小,在空气分级燃烧中主燃区过量空气系数控制在0.8-0.9之间较为适宜。 针对W炉燃烧特性,提出HAP低NOx燃烧技术。利用FLUENT计算软件,对采用该技术的W炉内流场进行模拟计算,并进行热态计算观察其对炉内温度场及NOx排放的效果,同时根据数值模拟计算结果选择性进行了冷态模化试验。试验结果认为HAP低NOx燃烧技术较一般W炉燃烧方法有效优化炉内流场,改善炉内结渣情况,并可较大幅度降低NOx排放量；侧墙风喷口处于较高位置,下倾角度为36°,冷灰斗风喷口处于较低位置,上倾角度为90°时既可得到较长的主气流射流深度和较高的下炉膛充满度,又可以尽可能减少炉内结渣危险性。 在国内最大的3.5MWe W炉热态模化试验台上,改造后进行热态模化试验,研究各种因素对炉内燃烧和NOx排放的影响,并对不同的W炉空气分级燃烧技术进行对比。不同的W炉空气分级燃烧技术中,带有OFA独立布置的燃烧技术要优于将乏气喷口置于上炉膛侧墙的燃烧技术,除去极限工况的情况下,通过燃烧调整NOx排放量最多可降低33.39%。HAP低NOx燃烧技术是一种适用于W炉燃用无烟煤且可在不降低燃烧效率的情况下有效降低NOx排放量的技术。 【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK227

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