大同烟煤增压富氧燃烧的热重实验研究

利用TherMax500型加压热天平研究了大同烟煤在增压富氧条件下的燃烧行为,主要考察压力对其燃烧特性的影响。实验结果表明,煤粉常压时的非均相着火,在中低压力下转变成均相着火,当压力增加到4 MPa后又逐渐向非均相着火过渡,并在6 MPa时完全转变成非均相着火。在均相燃烧时,随着压力的升高,挥发分燃烧速率逐渐加快,煤粉热解程度逐步加深。由于不同压力下着火方式的改变,煤粉的着火温度及燃尽温度并非随着压力的增加而单调变化,因而导致煤粉的综合燃烧特性指数S随着压力的增加先升高后降低。

增压富氧燃煤锅炉省煤器管束磨损研究

针对常压空气燃烧和增压富氧燃烧两种工况,利用CFD软件、应用k-ε双方程模型模拟锅炉省煤器管束间烟气的流动,用拉格朗日方法研究管束间颗粒的运动,并利用颗粒与管壁的碰撞和反弹模型考虑颗粒与壁面碰撞后的运动。通过对比3种磨损模型,得出Oka模型考虑的因素相对更全面,与实验数据也比较吻合。利用该模型可得壁面磨损量随流速呈指数规律变化,随着入射角度的增大磨损量先增加后减小,壁面材料硬度越大,磨损量越小,并且随着颗粒粒径增大磨损量略有增加。增压富氧燃烧下,最大磨损速率比常压下小很多,且最大磨损位置也发生了变化,各管排的颗粒撞击和平均磨损速率分布较均匀,除了第1排管外,单管最大磨损区域位于管壁迎风阶两侧60°附近。这对省煤器实际运行及增压富氧燃烧下省煤器的设计有重要意义。

煤粉的增压富氧燃烧特性及煤灰矿物演变

为了更好地了解煤粉在增压富氧条件下的燃烧过程,利用加压热天平(PTGA)结合X射线衍射仪(XRD),研究了增压富氧燃烧条件下压力对煤粉燃烧特性及煤中矿物演变的影响。研究表明,随着压力的升高,煤粉常压时的非均相着火逐渐转变为均相着火,当压力升高到3 MPa开始向非均相着火过渡,并在5 MPa时完全转变成非均相着火。由于煤粉着火机理的转变,综合燃烧特性指数S随着压力的增加先升高后降低。不同的着火机理下,煤粉的燃烧温度也会有所差别。常压时非均相着火较高的燃烧温度使得反应生成了莫来石等矿物,而1 MPa时均相着火较低的燃烧温度则使得煤灰中出现了伊利石等矿物。压力继续升高,均相着火开始向非均相着火过渡,燃烧温度逐步升高,伊利石逐渐转变为莫来石。

增压富氧燃烧烟气物性及对流传热系数的研究

增压富氧燃烧产生的烟气不能作为理想气体处理,为了计算增压富氧燃烧产生烟气的物性和对流传热系数,采用基于实际气体的三参数维里方程计算了增压条件下烟气的密度,通过剩余热容求解烟气的定压热容,并采用Chung等的方法解得烟气的动力黏度和导热系数.结果表明:与常压条件下相比,增压(6.0 MPa)下的烟气密度增大了约60倍,定压热容、动力黏度、导热系数变化及普朗特数变化不大;在相同的烟气流速下,烟气侧的对流传热系数提高了十几倍.

煤在增压富氧燃烧条件下NO_x排放特性实验研究

利用高压热重傅里叶红外联用的方法研究大同烟煤在增压富氧条件下燃料N的释放行为,主要考察压力对NOx排放特性的影响。实验结果表明,压力的改变对燃料N的迁移转化过程影响显著。由于含氮前驱体的生成机制不同,压力升高后,其转化率变化规律并不一致。随着压力的升高,挥发分产量的增加,燃料N向NO的转化率逐渐上升。在2 MPa以下时,由于NO浓度和氧分压的增加,燃料N向NO2的转化率逐渐升高,但在3 MPa时,随着NO2分解速率的加快和产量的减少,NO2的转化率有所下降。燃料N向NOx的转化率随着压力升高单调增加。

大同烟煤增压富氧燃烧过程中硫、氯和氟的析出特性

利用高压热重结合傅里叶红外研究了大同烟煤在增压富氧燃烧过程中硫、氯和氟的释放行为,主要考察压力对其析出特性的影响。实验结果表明,压力的改变对煤中硫、氯和氟的迁移转化均有显著影响。随着压力的升高,黄铁矿硫向COS等中间产物的转化率逐渐增加,导致SO2的收率逐步上升,但在3 MPa时,燃煤SO2收率却有所降低。此外,压力升高后反应气氛中CO分压的增加促进了COS的生成,导致其收率逐渐上升。因为煤中有机氯析出和转化与挥发分的释放密切相关,所以高压下挥发分释放量的增加使得煤中有更多的有机氯析出并转化为HCl,而且压力升高后,挥发分燃烧速率和温度的升高促进了无机氟化物分解,HF生成量相应增加。此外,高压下水解反应的强化也提高了HF的收率。

增压富氧燃烧烟气辐射特性宽带关联k模型

针对增压富氧燃烧方式下烟气中高浓度H2O和CO2混合气体的辐射换热问题,以改进的宽带关联k分布模型为基础,建立了CO2气体4.3μm多谱带合并带的分段处理模型,并与逐线计算和简化模型的计算结果进行对比,结果表明,随着压力的增大,该分段模型与逐线计算结果吻合较好,与简化模型相比,计算精度大大提高。针对电站燃煤锅炉采用富氧燃烧方式炉内H2O和CO2的生成状况,基于以上模型计算得出不同压力下H2O和CO2各谱带的吸收系数,并计算了不同温度和压力下混合气体的辐射强度和发射率,结果显示:在相同的压力下,混合气体的辐射强度和发射率随着温度的升高而升高;当压力由0.1MPa逐渐升至1.5MPa时,辐射强度和发射率逐渐增大,但二者的相对变化却逐渐减小。

增压富氧燃烧与捕集CO2电站的经济性分析

以300MW燃煤锅炉汽轮发电机组为研究对象,计算了其在6～8MPa压力下增压富氧燃烧的经济性,并与常压富氧燃烧下的经济性进行了对比分析.结果表明:由于系统压力的提高,烟气中水蒸气的凝结热得以回收,用于加热汽轮机低温凝结水,减少汽轮机抽汽,使汽轮机出力增加,电厂的毛输出功率接近320MW;增压富氧燃烧的空气深冷分离制氧(ASU)功耗大大增加,占毛输出功率的26%,而烟气压缩(CPU)的功耗大大降低,约为毛输出功率的0.2%;综合考虑电站其他辅机功耗后,6～8MPa下增压富氧燃烧的电厂净效率比常压富氧燃烧下提高了4.5%.与常压富氧燃烧发电机组相比,增压富氧燃烧在CO2的捕集、压缩液化与封存(CCS)技术中的经济性明显提高.

增压富氧燃煤锅炉省煤器的设计与优化

以300MW机组煤粉炉省煤器为例,对锅炉常压空气燃烧、常压富氧燃烧和5种不同增压(6MPa)富氧燃烧方案下的锅炉对流受热面尺寸、烟气流量、烟气侧传热系数和压降等参数进行了计算和分析,根据基于经济性分析的单位换热量换热器总费用最小的原则确定省煤器的最佳设计结构.结果表明:与常压空气燃烧相比,常压富氧燃烧下烟气体积流量减小了28.5%,对流传热系数减小了11.5%;增压富氧燃烧下的烟气体积流量减小了98.82%,随着烟气流速的增大,受热面面积减小,烟气侧传热系数和压降增大;最佳方案中的烟气流速为1.54m/s时,单位换热量换热器总费用约为常压空气燃烧下的60%,烟气侧压降为582.65Pa,烟道截面积仅为常压空气燃烧下的7.8%.

基于实际气体的增压富氧燃煤烟气焓值的计算

将增压富氧条件下煤燃烧产生的烟气视为实际气体的理想混合物,在维里方程的基础上,采用余焓数法推导出烟气焓值的计算方程,并对6 MPa、2 MPa和0.5 MPa压力下的烟气焓值进行了计算和分析.结果表明:基于维里方程的余焓数法能很好地反映实际气体的特性,有较高的计算精度,可以用于实际工程计算.

增压富氧燃烧流化床炉内传热特性

建立了增压富氧燃烧流化床锅炉炉内传热模型.通过模型计算,分析了颗粒粒径、空隙率、床层温度及系统压力等因素对炉内传热特性的影响.结果表明:随着颗粒粒径增大,传热系数减小;随着空隙率增大,传热系数减小;随着温度升高,传热系数增大;随着压力升高,传热系数增大,但增加的幅度明显变小,说明当压力升高到一定程度时,继续升高压力对传热没有太大影响.

增压富氧焚烧垃圾近零排放电站技术经济性分析

提出了一种新型增压富氧焚烧垃圾近零排放电站的设计概念,采用液态排渣增压垃圾焚烧锅炉,增加制氧装置与烟气压缩净化回收系统。以日焚烧1100t城市垃圾的汽轮机发电机组为例,计算了炉膛压力分别为0.5,1.0,1.5 MPa下发电机组的经济性,并与常压富氧焚烧技术进行对比。结果表明：由于锅炉炉膛压力增高,烟气中水蒸气的凝结热可用于加热汽轮机低温凝结水,减少汽轮机抽汽量,增加汽轮机发电功率,发电机组输出功率可达到25 MW左右;空气分离制氧电耗约占发电量的34%,CO2压缩电耗占发电量的5%,低于常压富氧焚烧。综合考虑电站其他辅机电耗后,0.5-1.5 MPa炉膛压力下的增压富氧焚烧垃圾发电机组的净效率可提高9.31%-9.90%。

增压富氧气氛下NOx均相生成及SNCR反应机理研究

采用动力学计算与实验相结合的方式,对增压富氧气氛下的NOx均相生成和选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)特性进行研究,分析温度、压力和组分体积分数等关键因素的影响。研究结果表明:对于NOx的均相生成反应,当反应压力为0.1~0.9 MPa时,最主要的NOx生成路径为NH3→NH2→H2NO→HNO→NO和HCN→CN→NCO→N2O;提高反应压力,上述NO和N2O主要生成路径基本保持不变;反应气氛中H2O分压提高使得部分H2NO中间体以及NO2产物进一步生成HONO,而HONO在H2O作用下快速分解为NO;而对于NOx的均相还原反应,提高反应压力可促进NO还原反应,但同时也在一定程度上可促进烟气中NO2的生成。

增压富氧鼓泡床的NO生成特性

搭建小型增压富氧燃烧鼓泡床试验台,以试验结果为基础结合偏最小二乘法对增压富氧燃煤NO生成特性进行了研究和分析.试验结果表明,压力对NO排放规律的影响与反应气氛中的氧体积分数有关.在增压空气燃烧时,随着系统总压的升高,燃烧过程中NO的生成量有明显降低,但在增压富氧燃烧时,系统总压升高后,燃煤NO生成量反而逐渐增加.分析显示,在加压燃烧过程中,挥发分燃烧速率增加对煤粉热解的促进作用与CO和焦炭对NO的还原作用共同决定了燃煤NO的生成特性.在低氧气体积分数时,系统总压升高后CO和焦炭对NO的还原作用强于燃料氮的氧化作用,导致燃料氮的NO转化率逐渐下降,但是在高氧体积分数时,系统总压升高后,快速燃烧的挥发分使得挥发分氮的释放和转化强于CO和焦炭的还原作用,导致燃料氮的NO转化率逐渐增加.

增压富氧煤燃烧烟气焓值计算方法的研究

在1 MPa压力及富氧条件下煤在炉内燃烧产生以CO2为主要成分的高温高压烟气,由于烟气中的CO2和水蒸汽均为距离液态较近的气体、且二者占95%以上的体积份额,不能视为理想气体,因此烟气的焓值不能采用常压锅炉燃烧烟气计算焓值的方法。将烟气看成是几种实际气体的理想混合物,基于热力学的维里方程和余函数,推导出增压富氧燃烧条件下烟气焓值的计算方程,基于实际工况进行了计算,并与假设为理想气体混合物的计算结果进行了比较,可为增压富氧燃烧热力设备的设计提供可靠准确的基础数据。

增压富氧燃烧回收烟气水分潜热的分析

增压富氧燃烧发电机组具有在较高烟气温度下回收烟气水分潜热的独特优势。以某300MW汽轮机组为研究对象,基于汽轮机变工况热力计算方法,计算分析了高压烟气中水分潜热加热凝结水对汽轮机热耗率与出力的影响,并与常压富氧燃烧进行了比较。结果表明,在增压富氧燃烧系统中采用排烟冷凝器,使汽轮机凝结水吸收烟气中水分的凝结放热和烟气的显热,随着烟气温度由190℃降至90℃,可使烟气水分含量由12.38%降至1.17%,回收了全部水分潜热的90.5%;与常压富氧燃烧相比,在机组额定功率下,汽轮机热耗率降低约5.8%;在汽轮机额定进汽量下,汽轮机功率增加约6.1%。

增压富氧循环流化床的二维流动模型

建立了增压富氧循环流化床的二维流动模型，将增压富氧循环流化床炉膛分为下部密相区和上部稀相区，同时考虑气固轴向和径向变化。模型针对3002／70再循环烟气（RFG）富氧气氛，5mm颗粒粒径，在温度范围20～1000℃，压力范围0．1～6．0MPa下，计算了增压富氧循环流化床的流动特性，主要分析压力和温度对临界流化速度Umf的影响以及压力对环形区厚度6，床层空隙率8和颗粒浓度分布8。的影响。计算结果表明：随着压力的升高，临界流化速度不断减小，环形区厚度变薄，空隙率降低，颗粒浓度增大。随着温度的升高，临界流化速度先增大后减小，且床层压力越大，迭到峰值所需的温度越高。

煤颗粒流化床增压富氧燃烧脱挥发分模型

增压富氧燃烧被认为是最有前景的CO_(2)捕集技术之一,近年来逐渐引起学术界和工业界的关注。而由于增压试验难度较大,燃烧过程如同“黑匣子”,燃烧信息获取不丰富等原因,目前关于煤颗粒增压富氧燃烧机理的研究尚不充分。通过建立煤颗粒脱挥发分数学模型研究了增压流态化条件下的O_(2)/CO_(2)和O_(2)/N气氛对煤颗粒脱挥发分过程的影响机制。模型考虑了煤颗粒与环境之间的传热以及颗粒内部温度梯度,采用非稳态一维颗粒模型描述煤颗粒干燥和挥发分的析出过程。研究结果表明,模型具有良好的适用性,脱挥发分时间的计算值与前期实验结果之间误差小于20%;模型敏感性分析表明床料比热容、燃料比热容、燃料尺寸、燃料密度、燃料水分含量以及总换热系数对颗粒干燥时间的影响较大;床料比热容、换热系数以及燃料的密度和尺寸对脱挥发分过程影响较大,而床料比热容、换热系数、燃料密度以及燃料尺寸是影响颗粒内外温度梯度峰值的主要因素;压力和床层温度的升高均会带来煤颗粒与床料之间换热的增强,从而带来较低的干燥时间和脱挥发分时间,提高颗粒内外温差的峰值;而与N气氛相比,CO_(2)气氛下干燥时间和脱挥发分时间略有下降,颗粒内外温差会增加;随着流化数(w)的升高,颗粒与环境之间的换热作用被加强,干燥和脱挥发分过程被缩短。

增压富氧煤燃烧烟气凝结换热的计算

针对含有少量水蒸气的增压富氧煤燃烧产生的烟气在竖直管内的对流凝结换热进行了分析研究.利用修正的膜模型与Nusselt凝结理论建立了换热数学模型,并对不同壁面温度、不同雷诺数和不同水蒸气份额下烟气的凝结换热进行了计算.结果表明:壁面温度升高时,烟气的凝结速率、换热流率和凝结液膜的厚度均减小;混合气体的雷诺数增大时,烟气的凝结速率和换热流率增大,凝结液膜的厚度减小;烟气中水蒸气的份额减小时,烟气的凝结速率和换热流率减小,凝结液膜的厚度减小不明显.

增压富氧锅炉高温对流受热面换热规律研究

以某台300 MW燃煤锅炉为研究对象,运用Aspen Plus软件确定煤粉在常规空气、常压富氧和增压富氧燃烧气氛下生成的烟气物性,采用Fluent软件,结合离散坐标辐射模型(DOM),对3种燃烧气氛下高温再热器和高温过热器处的烟气流速、对数平均温差、传热系数、管壁温度分布和管圈内蒸汽焓增等参数进行数值模拟.结果表明:燃烧气氛由常规空气变为常压富氧再到增压富氧的过程中,换热器的传热系数均增大;与常规空气燃烧气氛相比,常压富氧和增压富氧燃烧气氛下换热器的管圈间热偏差较小;换热器的弯管处可能存在超温现象;随着烟气流速的增大,实现相同换热量,换热器所需换热面积逐渐减小,且变化幅度也减小,为保证锅炉安全稳定运行,需要将部分省煤器移入炉膛上部.