预热解式煤粉工业锅炉大比例直燃耦合生物质的数值模拟研究

燃煤耦合零碳的生物质是现阶段燃煤过程中减少CO_(2)排放成本最低和技术最成熟的技术。根据我国生物质资源分布国情,受生物质资源收集成本限制,在现有燃煤火电机组上只能进行低比例的耦合掺烧,但分布式供能燃煤工业锅炉具备进行大比例耦合甚至全部改烧生物质燃料的条件。目前链条炉和流化床锅炉掺烧和全烧生物质在国内已得到较为广泛的应用,然而相对更高效和自动化程度更高的煤粉工业锅炉大比例耦合生物质的研究和工业应用案例较少。针对近年来国内新发展的低NO_(x)预热解式煤粉工业锅炉大比例直燃耦合生物质甚至全烧生物质的可行性,通过CFD数值模拟进行初步探索,重点对大比例耦合生物质对预热解式煤粉工业锅炉温度场、壁面热流密度、气氛场和NO_(x)排放的影响进行评估。数值计算结果表明:预热解式煤粉工业锅炉大比例耦合生物质后,炉内的温度场、壁面热流密度和气氛场总体分布趋势与纯煤粉燃烧相似;随着生物质耦合比例的增加,主燃区燃烧过程得到强化,但由于生物质含水量较高,火焰总体存在着火延迟现象,主燃区消耗氧气的速率有所降低,挥发分与CO摩尔分数明显升高。受生物质燃料中含氮量高和火焰推迟的双重影响,随着生物质耦合比例的增加,NO_(x)排放先增加后减少。研究结果表明预热解式煤粉燃烧技术可实现煤粉工业锅炉大比例耦合生物质甚至全部改烧生物质,在适当控制生物质燃料收到基氮含量的条件下,大比例耦合生物质可显著降低锅炉NO_(x)排放。

煤炭地下气化条件下煤焦气化特性试验

采用高温高压固定床煤气化反应系统模拟煤炭地下气化还原区的反应条件,研究了气化压力(0.1~4.0 MPa)、温度(750~900℃)和气化剂中H_(2)O/CO_(2)的比例对块状神木煤焦气化特性和合成气热值的影响。试验结果表明增大气化压力可促进CH_(4)生成,对H_(2)的生成具有明显抑制作用。气化温度升高均显著促进H_(2)、CO和CH_(4)的生成,在900℃时各组分浓度达最大值,分别为33.2%、12.8%和1.4%。随气化剂中H_(2)O/CO_(2)质量比增加,H_(2)和CH_(4)浓度明显升高,而CO浓度有所减少。当气化剂H_(2)O/CO_(2)质量比达到3.0后,进一步增加水蒸气比例对合成气中各组分浓度无明显影响。在气化温度为900℃、压力为1 MPa和H_(2)O/CO_(2)质量比为2∶1时块煤气化合成气热值达到最大为5.7 MJ/m^(3)。

低温烘焙提质对褐煤着火燃烧特性的影响

褐煤高水分和高挥发分不利于运输和储存,且会降低锅炉燃烧效率,低温烘焙提质作为一种褐煤提质常用技术,能有效降低燃料中水分并提升燃料品质,显著改变褐煤燃烧特性。为研究低温烘焙提质对褐煤着火特性的影响,利用平面火焰燃烧系统并结合CMOS相机研究了不同热协流温度(1 473、1 673和1 873 K)和O_(2)体积分数(5%、10%和20%)下低温烘焙预处理(200、250和300℃)对褐煤着火燃烧特性的影响,并分析低温烘焙提质对着火延迟距离和火焰亮度的影响。结果表明,经低温烘焙预处理的褐煤颗粒在相同热协流温度和O_(2)浓度条件下的着火延迟距离稍大于原始褐煤颗粒;O_(2)体积分数为5%时,200℃烘焙褐煤的着火延迟距离在热协流温度1 473、1 673和1 873 K时较原始褐煤颗粒分别增加了0.24、0.28和0.13 cm;此外,不同烘焙温度下煤粉颗粒的着火位置较褐煤均有所延迟,且升高烘焙温度会降低褐煤着火距离,在1 673 K、O_(2)体积分数5%下,烘焙温度200、250和300℃时对应的着火延迟距离较褐煤的增加值分别为0.28、0.16和0.11 cm。

煤粉MILD燃烧NO_(x)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、N_(2)O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%。

高温低氧O_(2)/CO_(2)气氛下煤粉燃烧NO生成与还原特性

在Hencken燃烧器平面扩散火焰的煤粉燃烧实验系统上测量了煤粉火焰不同高度处的烟气组分浓度分布,研究了O_(2)/CO_(2)气氛下不同热协流温度和氧气体积分数对NO生成与还原的影响.结果表明,当热协流温度从1873K降低至1473K时,NO产率降低了5%,而当氧气体积分数从20%降低至5%时,NO产率降低了20%.通过NO生成动力学分析得到了挥发分氮氧化反应生成NO的活化能为82.5 kJ/mol,得到的NO生成速率有助于MILD富氧燃烧条件下煤燃烧氮化学模型改进的应用.同时,采用计算流体动力学(CFD)软件对高温低氧O_(2)/CO_(2)气氛下煤粉燃烧及NO生成进行了数值分析.通过与实验数据的对比,验证了数值模型的准确性.通过分离挥发分NO与焦炭NO对不同的NO生成与还原阶段进行分区,有助于了解挥发分氮和焦炭氮生成与还原的相互作用机制和定量分离挥发分NO与焦炭NO生成与还原.

四角切向燃烧锅炉烟道烟速偏差的实验研究与数值模拟

在对 6 0 0MW四角切向燃烧锅炉进行冷态模化实验的基础上 ,对四角切向燃烧锅炉炉内流场及水平烟道内速度偏差进行了数值模拟 ,分析了炉内气流流动特性和水平烟道烟气速度偏差的形成机理 ,提出了减小水平烟道烟气偏差的措施。模拟结果与冷态实验结果符合较好。

四角切向燃烧锅炉水平烟道烟温偏差形成机理的研究

以 HG-2 0 0 8/1 8.2 -YM2型四角切向燃烧锅炉为原型进行冷态模化试验 ,采用热线风速仪测量了上部炉膛及水平烟道内的流场 ,研究了上部炉膛屏区气流速度分布特点 ,分析了水平烟道内烟气速度偏差和温度偏差的形成机理 ,为科学地分析过热器、再热器超温爆管的原因和减小水平烟道烟气温度偏差提供参考。图 9表 1参

焦炭氮释放和NO_(x)生成与还原特性的实验研究

在沉降炉上开展低挥发分贫煤焦炭燃烧实验,研究了反应温度(1100~1300℃)、氧气体积分数(0~15%)和初始NO体积分数(0~500 mL/m^(3))对焦炭氮释放和NO_(x)生成与还原特性的影响。结果表明:在1300℃无氧条件下,焦炭和NO发生异相还原反应,随着初始NO体积分数由0增加至500 mL/m^(3),NO_(x)还原率由0增加至93.4%。在焦炭燃烧条件下,焦炭氮释放并氧化生成NO_(x),此时增加初始NO体积分数抑制焦炭氮向NO_(x)转化。随着反应温度升高、氧气体积分数降低或初始NO体积分数增加,焦炭氮向NO_(x)的表观转化率均有所降低。当反应温度为1300℃、氧气体积分数为5%时,随着初始NO体积分数由0增加至500 mL/m^(3),焦炭对NO_(x)的还原作用逐渐增强,NO_(x)表观转化率由7.9%逐渐降低至-24.2%。

神木煤灰增湿活化脱硫的半工业性台架试验研究

建立了烟气处理量为3000Nm3/h的多功能烟气脱硫试验台,对神木煤灰增湿活化脱硫进行了研究。试验结果表明,喷水雾化液滴粒径、出口烟气温度与绝热饱和温度的差值、烟气停留时间与液滴蒸发时间以及Ca/S摩尔比等因素对高钙煤灰增湿活化脱硫有重要的影响,且存在一个最佳的雾化液滴粒径。经工艺参数的优化,该系统具有50%左右的脱硫效率。该脱硫工艺因系统简单、投资和运行费用极低,对燃用高钙低硫煤的锅炉烟气脱硫具有广泛的应用前景。

四角切向燃烧锅炉折焰角结构对水平烟道烟速偏差影响的试验研究

对引进型６００ＭＷ 机组四角切向燃烧锅炉进行冷态模化试验，系统地研究了不同折焰角结构对水平烟道烟速偏差的影响。试验结果表明：在现有的折焰角结构下水平烟道仍存在较大的气流速度不均匀性。通过折焰角结构进行改进，可以明显减小水平烟道气流速度场的不均匀性，为解决大容量四角切向燃烧锅炉水平烟道流场偏差这一重大技术问题提供了有价值的科学实验数据。

大流量单混合孔Y型喷嘴的雾化特性

对大流量单混合孔Y型喷嘴的雾化性能进行了实验研究,分析了其流量特性以及气耗率对雾化粒径的影响。结果表明,单混合孔Y型喷嘴设计流量能够达到1000kg/h以上,且具有较细的雾化粒径;在气压一定时,随着水压的增大其水流量增大,气耗率减小;气耗率对雾化粒径的影响较明显,但当粒径减小到一定程度后,继续增大气耗率对雾化粒径的影响不明显;单水孔与多水孔Y型喷嘴的雾化性能无明显差别;改进的Y型喷嘴液膜随机破碎模型可较好地用于大流量单混合孔Y型喷嘴雾化粒径的预报。

过氧化氢溶液增湿Ca(OH)_2脱硫的实验研究及微观机理分析

在小型喷雾气流反应脱硫实验台上研究了不同浓度过氧化氢溶液增湿Ca(OH)_2的脱硫效果,并收集了典型工况脱硫产物样品进行微观分析。结果表明,采用过氧化氢水溶液增湿Ca(OH)_2脱硫时,其脱硫效率随着过氧化氢水溶液浓度的增加而有较大的提高,提高幅度达15%～20%。通过对脱硫产物样品的XRD和SEM分析表明,随着过氧化氢水溶液浓度的增加,脱硫产物中未反应的Ca(OH)_2明显减少,生成的硫酸钙和亚硫酸钙含量增加,而且生成了更多更稳定的CaSO_4。同时生成的硫酸钙减少了脱硫产物在脱硫剂颗粒表面的沉积和孔隙堵塞,有利于提高脱硫效率和改善半干法烟气脱硫产物的品质。

四角切向燃烧锅炉炉内气流流动特性及炉膛高度的选取

以HG - 2 0 0 8/18.2 -YM2型四角切向燃烧锅炉为原型进行了冷态模化试验 ,研究了炉内气流流动特性和炉膛高度对水平烟道烟速偏差的影响 ,分析了炉内气流旋转强度沿炉膛高度的变化规律 ,得出了合适的炉膛高度 。

循环流化床烟气脱硫气固两相流动特性的试验研究

采用三准则相似理论设计了循环流化床烟气脱硫气固两相流动试验台.通过对循环流化床脱硫反应器试验装置内沿高度方向阻力分布和不同高度截面上局部颗粒质量通量的测量,详细地研究了脱硫反应器内气固两相流动规律和内循环特性.结果表明:脱硫反应器阻力主要集中在文丘里管段,而且随着循环物料量和气体流量的增加,系统阻力显著增加;脱硫反应器内气固两相流动呈典型的环核流动结构,边壁下降流颗粒浓度高,中心区域上升流颗粒浓度低,且固体质量回流比率随着脱硫反应器高度的上升而下降.研究结果为循环流化床烟气脱硫系统的设计与放大提供了依据.

多流体碱雾发生器烟气脱硫新方法的试验

提出了一种新的半干法烟气脱硫方法——多流体碱雾发生器烟气脱硫,运用两相流相似模化方法建立了烟气脱硫试验台,研究了该脱硫方法中CaO脱硫剂颗粒与雾化水滴的碰撞活化效率、脱硫效率以及各种因素对脱硫效率的影响。试验结果表明:多流体碱雾发生器烟气脱硫方法在Ca/S摩尔比为2.0、高于绝热饱和温度10℃～15℃、停留时间为2.25s时,脱硫效率接近70%,且脱硫剂颗粒与雾化水滴的碰撞活化效率为70%左右,明显高于烟道增湿活化脱硫方法中25%左右的碰撞活化效率,同时又避免了直接喷射浆液喷嘴的堵塞、磨损以及反应器庞大等问题。

前置碱雾发生器内气液固多相流动的测量研究

根据两相流相似模化原理建立了前置碱雾发生器烟气脱硫颗粒图像测速技术多相流动实验台,运用颗粒图像测速(PIV)技术对前置碱雾发生器内气液固三相流动进行测量,得到不同工况条件下喷雾射流与固体颗粒的流动结构和流场信息。结果表明:由于雾化液滴射流的卷吸作用,大部分固体颗粒被卷吸进雾化锥内,在喷嘴出口一定区域固体颗粒与雾化液滴具有较大的速度差,在雾化锥内固体颗粒与雾化液滴发生剧烈的碰撞形成浆液,此为形成碱雾的主要区域。合理设计边壁风量有利于抑制甚至防止雾化液滴以及碰撞形成的浆滴可能的粘壁现象。

不同试验规模的富氧煤粉燃烧研究进展

分析总结了不同规模燃烧试验装置上获得的富氧煤粉燃烧研究成果及进展,并对今后富氧煤粉燃烧的发展进行了展望。实验室规模研究表明,在相同O2浓度条件下O2/CO2气氛煤粉燃烧气体和颗粒温度比O2/N2气氛低,燃尽时间延长,但提高O2浓度可明显改善煤粉着火及燃烧特性。中试规模研究表明,再循环烟气比例、一、二次风O2浓度和二次风预热温度对富氧燃烧煤粉着火及火焰稳定性有重要影响。要达到与空气煤粉燃烧相匹配的燃烧与传热效果,O2/CO2气氛中O2浓度一般在27%～35%,此值主要与煤种有关。

一种新型半干法烟气脱硫方法的机理分析

The advantages and disadvantages of a typical semi-dry flue gas desulfurization （FGD） method are analyzed and a novel semi-dry FGD method of simple and compact system with high efficiency is firstly put forward, named multi-fluid alkaline spray generator FGD method. The results show that the colliding activation efficiency between the sorbent particles and the spray water droplets in the prefixed alkaline spray generator may reach about 70%, which is significantly higher than the 25% colliding activation efficiency in in-duct injection FGD. And SO2 removal efficiency reaches 70%, higher than that of in-duct injection FGD at the same conditions. The study confirms it is a new simple compact and highly-efficient semi-dry FGD method.

切向燃烧锅炉炉膛结构对烟道烟气偏差的影响

对引进型６００ＭＷ机组四角切向燃烧锅炉进行冷态模化试验，系统地研究了上部炉膛折焰角结构和炉膛高度对水平烟道内气流速度不均匀性的影响．通过对原炉膛结构进行改进，提出了新的折焰角结构和炉膛高度，明显减小了水平烟道内气流速度场的不均匀性，为解决大容量四角切向燃烧锅炉水平烟道烟气偏差提供了有价值的试验数据，并为锅炉设计和改造提供了参考依据．

四角切向燃烧锅炉分隔屏过热器结构对水平烟道烟速偏差的影响

对引进型６００ＭＷ四角切向燃烧锅炉进行了冷态模化试验，首次系统地研究了屏区气流流动特性及改变分隔屏结构布置对水平烟道气流速度场偏差的影响。试验结果表明，采用对称不等间距的分隔屏结构布置可进一步地削弱炉膛出口的残余旋转，减小水平烟道气流速度的不均匀性，可供新锅炉设计时参考。