深度空气分级对旋风燃烧锅炉NO_(x)释放影响研究

针对纯燃高碱煤旋风液态排渣锅炉局部高温以及NO_(x)排放高等问题,通过ANSYS软件数值研究了不同深度空气分级方案对旋风液态排渣锅炉炉内温度场、组分场及NO_(x)浓度分布的影响。研究结果表明:深度空气分级燃烧不同工况设置合理,形成了良好的富燃料的主燃区与富氧燃尽区,炉内燃烧稳定,旋风燃烧器逆向布置可促进煤粉燃尽,提高锅炉效率。不同深度空气分级工况下,炉内各组分分布特性一致。同时确定了主燃区最佳过量空气系数为0.85,燃尽风量选用逐层降低布置可实现最佳低氮排放,炉膛出口烟温最低为1375.45 K,炉膛出口NO_(x)浓度最低为391.14 mg/m^(3)。

深度空气分级下煤粉耦合氨燃烧及NO生成特性

氨作为一种富氢的无碳燃料,具有能量密度高、成本低、储运安全等优势,与煤粉耦合燃烧可降低煤燃烧过程中CO_(2)的排放。以某20 kW沉降炉(氨从煤粉火焰高温区喷入)为研究对象,在深度空气分级下对煤粉耦合氨燃烧特性及NO生成规律进行研究,通过Fluent数值模拟探究了氨掺混比例(0、10%、20%、30%)、氨燃烧区过量空气系数(1.08、0.96、0.84、0.72)、氨不同送入位置(0.5、0.6、0.7、1.0 m)对煤粉燃尽特性及NO生成特性的影响。结果表明:①与纯煤粉燃烧相比,煤粉中掺混氨后飞灰含碳量增加、NO生成量降低;氨掺混比例进一步提高会增加飞灰含碳量、降低NO生成量。考虑燃烧经济性和NO排放量,氨掺混比例维持在20%左右较为合适。②氨燃烧区过量空气系数大于1时,氧量过剩会导致反应NH_(3)+O_(2)→NO+H_(2) O+0.5H_(2)发生,生成大量NO;氨燃烧区过量空气系数小于1时,未完全燃烧的氨发挥还原作用,有利于反应NH_(3)+NO→N_(2)+H_(2)O+0.5H_(2)发生,抑制NO的生成。综合考虑,建议氨燃烧区过量空气系数维持在0.96左右,既可满足煤粉的高效燃烧,又可有效抑制煤粉耦合氨燃烧过程中NO的生成。③喷氨位置与煤粉火焰区距离越大,飞灰含碳量和NO浓度越高,建议喷氨位置尽量靠近煤粉燃烧火焰区。

深度空气分级下混煤未燃尽碳与NO_x协同优化数值模拟

为探究掺混方式及配风方式对混煤燃尽率和NOx排放量的影响,以一台660MW四角切圆锅炉为研究对象,开展混煤燃烧过程未燃尽碳和NOx排放的协同优化数值研究。结果表明,在深度空气分级条件下,未燃尽碳主要受停留时间、掺混方式、配风方式等因素共同影响;合理搭配掺混方式和配风方案可降低混煤未燃尽碳水平和炉内NOx总生成量,达到两者的协同优化。与炉外掺混相比,炉内掺混更加灵活,可通过优化低挥发分煤的燃尽程度来改善混煤整体的未燃尽碳水平。在炉内掺混方式下,均等配风将低挥发分煤置于上部燃烧器或正宝塔配风将低挥发分煤置于下部燃烧器,均有利于低挥发分煤的燃尽;而将高挥发分煤置于上部燃烧器更有利于NOx减排。综合考虑混煤未燃尽碳和NOx排放特性,将高挥发分煤置于上部燃烧器且采用正宝塔配风可为下部低挥发分煤的燃烧提供相对充足的氧量,提高低挥发粉煤的燃尽率,降低混煤未燃尽碳水平;上部高挥发分煤析出的挥发分中含有大量含氮中间产物HCN,可将已生成的NOx还原,有利于降低炉内混煤NOx生成量。

W火焰锅炉深度空气分级燃烧条件下底层二次风下倾角度对燃烧及NO_(x)排放特性的影响

为了分析在深度空气分级燃烧条件下底层二次风下倾角度对W火焰锅炉炉内流动、燃烧及NO_(x)生成特性的影响,以一台深度空气分级燃烧的600 MW、FW型W火焰锅炉为对象开展全炉膛数值模拟研究。数值模拟的结果与试验结果吻合较好。底层二次风水平送入炉内时,阻碍了炉拱一次风火焰下冲,下炉膛火焰充满度较差,不利于煤粉燃尽及NO_(x)减排;随着底层二次风下倾角度从0°增加到20°,火焰下冲深度、下炉膛火焰充满度以及煤粉燃尽程度有所增加,NO_(x)生成量有所减少;倾角增加到30°时,火焰下冲深度、下炉膛火焰充满度以及煤粉燃尽程度显著增加,NO_(x)生成量显著减少;倾角继续增加到40°,火焰下冲深度、下炉膛火焰充满度、煤粉燃尽程度、NO_(x)生成量变化不明显。综合炉内流动及燃烧特性,底层二次风下倾角度为30°时较为合理,既能保证下炉膛火焰下冲深度和火焰充满度,又能改善燃尽特性和NO_(x)生成特性。

基于煤粉预燃的深度空气分级低氮燃烧技术研究

基于带有预燃室的煤粉燃烧系统而开发的深度空气分级低氮燃烧技术,可实现低氮氧化物(NOx)初始排放效果。阐述了中心逆喷强旋流煤粉预燃系统的技术原理以及燃烧系统的配风策略优化,并从分级配风对比未分级配风、三次风比例对NOx的影响、不同配风位置对NOx的影响、炉膛出口氧含量等方面分析7MWth热态燃烧台架实验结果。结果表明,深度空气分级有利于降低NOx初始排放,当三次风配风比例不超过40%时,三次风占比越高,NOx初始排放值越低,最优工况NOx初始排放值约200 mg/Nm^3(@9%O2),配风比超过40%时NOx初始排放有增高趋势;采用炉膛侧墙对冲的三次风配风方式,配风控制精准,混合效果好,炉膛温度分布更均匀,炉膛出口断面氧量分布差异小,延长了煤粉在还原区的停留时间,利于降低NOx初始排放。

分级空气高速射流对煤掺氨燃烧中氨预分解与NO_(x)生成影响

氨作为零碳清洁燃料,对碳减排有重要作用,但其燃烧过程中NO_(x)生成倾向大。针对煤掺氨燃烧NO_(x)生成控制问题,以某50 kW一维试验炉系统所用旋流燃烧器为原型,提出一种内置高速空气射流阵列结构的新型煤掺氨旋流燃烧器结构,以实现炉内氨预分解后燃烧和分级燃烧。进一步用CFD燃烧数值模拟探究空气分级比、过量空气系数及氨燃料喷口尺寸对氨煤掺烧火焰结构及NO_(x)排放影响,优化新型燃烧器结构及运行参数。结果表明,相比于原型燃烧器,采用空间分散高速三次风射流会导致燃烧区域滞后,加深空气分级,减小主燃烧区域局部过量空气系数,抑制氨过度氧化形成NO_(x),也降低火焰温度峰值,利于抑制热力型NO_(x)产生。同时通过调控总过量空气系数使氨热解发生区域沿炉膛轴向逐渐延伸,火焰前部高温欠氧区增大,促进氨受热预分解为N_(2)和H 2,进一步减少氨中燃料氮直接转化形成NO_(x)。空气分级比20∶22∶58时,NO_(x)生成体积分数由原燃烧器的3309×10^(-6)降至新型燃烧器的1069×10^(-6),降幅达67.69%。增大过量空气系数,或过量空气系数不变、控制一次风率不变而增大三次风率将促进上述效应,进一步减少NO生成。氨管内径变化范围仅考虑5~9 mm,氨喷射速度和分散高速三次风带来的协同效应有待进一步研究。

不同空气分级模式下氨煤掺烧数值模拟

氨作为零碳燃料和良好的储氢介质,近年来引起广泛关注。未来在燃煤电厂掺烧零碳燃料是碳减排的重要途径。在空气深度分级模式下,对氨煤掺烧进行了数值模拟,讨论了煤燃烧区域不同过量空气系数α工况下炉内的温度场、组分浓度场及NO_(x)排放情况,而各工况总的过量空气系数均维持在1.2。模拟了4个燃烧工况(α=0.696、0.840、0.912、0.996)。对温度场的统计结果表明,随α降低,煤粉燃烧第1阶段的着火位置提前,但形成的高温火焰长度缩短,喷氨口附近的温度更低。在α=0.696工况下,可明显区分出煤粉火焰和氨燃烧火焰。随α提高,二者界限逐渐模糊。α降低有助于在氨燃料喷入上游形成一个较长的还原区,因此氨发生氧化反应的概率降低。但随α降低,炉内燃尽情况降低,CO排放浓度、飞灰含碳量及氨逃逸量提高。炉内NO x浓度统计结果表明,随α降低,NO_(x)排放水平显著降低。进一步对炉内H 2浓度进行统计,发现α=0.696工况下,炉内最高H 2体积分数可达2%,这意味着该工况下氨的分解反应显著增强。由于氨的消耗反应是3个总反应竞争的结果,因此分解反应的增强使氨直接参与氧化的反应减弱。而H 2生成的增加也进一步提高了NO_(x)被还原的几率,使炉内NO_(x)排放水平进一步降低。总之,在实际煤粉炉掺氨运行工况下,可通过空气深度分级的方法,调控氨燃烧区域的温度、氧气浓度,实现低NO_(x)排放。

空气深度分级燃烧NO_x排放特性的CHEMKIN模拟研究

利用两段PFR反应器构建模型在CHEMKIN中模拟,研究空气深度分级燃烧中各个影响因素,使用生成速率分析和敏感性分析,探求燃料N向NOx的转化路径及原因.模拟结果表明,主燃区α对NOx转化率影响较大,高温强还原氛围能明显降低NOx排放;改变燃烧温度降低NOx排放,应当考虑主燃区,而非燃尽区;当主燃区温度小于1500℃,燃尽风比率为35%左右时,NOx排放最低;富燃条件下O2/CO2燃烧增大了OH/H,促进NOx生成;燃尽风位置向后移会降低NOx转化率,改变燃尽风氧浓度NOx转化率几乎不变.本文不仅扩大了前人对空气分级燃烧的研究范围,而且对于前人没有研究的影响因素给出了结果,并且进行了化学反应动力学分析,对实际锅炉运行过程中减少NOx排放具有指导意义.

煤粉工业锅炉空气深度分级数值模拟研究

为了研究空气分级低氮燃烧技术对煤粉工业锅炉NO_x初始排放浓度的影响规律,针对煤科院40 t/h煤粉工业锅炉采用数值模拟的方法探讨了空气分级深度对锅炉燃烧及NO_x初始排放浓度的影响规律,并通过工程试验验证了模拟结果的准确性。研究结果表明:随着三次风比例由0增至50%,双锥燃烧器出口平均温度由980 K上升至1 530 K,且温度分布更加均匀;双锥燃烧器出口气流流速降低约10 m/s;锅炉NO_x初始排放浓度由空气不分级工况下的697 mg/m^3降至三次风30%工况下的424 mg/m^3,降幅约39%。工程试验表明,三次风比例为30%时,NO_x初始排放浓度为409 mg/m^3,与数值模拟结果相差小于5%,数值模拟较好地预测了锅炉燃烧及NO_x排放情况。空气深度分级低氮燃烧技术可有效降低煤粉工业锅炉NO_x初始排放浓度。

焦炭气化反应对煤粉空气深度分级燃烧NOx生成的影响

焦炭气化反应对空气深度分级工况下燃烧及污染物的生成具有重要影响。笔者采用滴管炉试验与数值计算相结合的方法,研究了主燃区过量空气系数SR1在1.2→0.6变化过程中,焦炭气化对空气深度分级工况下煤粉燃烧和NOx排放特性的影响规律。通过对比滴管炉试验数据与传统模型和改进模型(考虑焦炭气化)结果可知,传统模型对空气分级燃烧的还原性气氛预测存在一定缺陷,改进模型与试验结果较吻合。滴管炉试验及改进模型计算结果表明,空气深度分级工况下,主燃区极度缺氧,燃烧过程由最初的挥发分着火(R1和R2)和焦炭不完全氧化(R4)过渡到以焦炭气化反应(R5和R6)为主导的燃烧状态,大量CO生成,高浓度CO2逐渐被消耗,直至还原区段结束,随着燃尽风加入,O2含量增加,CO被迅速消耗(以R2为主),CO2生成。空气分级工况下NOx排放特性表现为:燃烧器附近NOx浓度高,伴随还原性气氛的形成,出现一定程度的下降后保持较低的NOx水平,随着燃尽风的加入,出现一定程度的"反弹",这是因为还原区结束时,一部分未完全被还原的氮中间体在燃尽风加入后被迅速氧化造成的。

1000MW塔式锅炉深度调峰下再热蒸汽温度与NO_(x)运行特性优化研究

早期投运的部分塔式锅炉存在着再热蒸汽温度偏低和脱硝入口NO_(x)浓度偏高的问题。研究了塔式锅炉深度调峰下炉内燃烧状态以及换热特性,分析了炉内燃烧状态对辐射换热、对流换热比例的影响规律,根据研究成果,综合运用燃烧调整手段,显著提升了深度调峰状态下的再热蒸汽温度并降低了脱硝入口NO_(x)浓度,锅炉运行经济性显著提升,研究成果对同类型机组的运行优化调整有重要的参考意义。

高速煤粉燃烧器大占比掺烧秸秆共燃烧试验研究

为了研究煤粉工业锅炉大占比掺混生物质的燃烧特性和NOx排放特点,以高速煤粉燃烧器为研究对象,在型号为WNS的6 t/h蒸汽锅炉系统上进行试验研究,燃料为秸秆和神府烟煤混合粉体。首先研究混合燃料在高速煤粉燃烧器中的燃烧稳定性,其次研究掺混占比、锅炉负荷及空气分级对燃烧和NOx的影响。研究结果表明:不对燃烧器做任何改动,不同占比的混合燃料均能够在燃烧器中着火和稳燃,工况4条件下锅炉从点火到额定负荷只需26 min,燃烧器观火孔处火焰橘红色,炉尾火焰亮红色,锅炉运行氧含量与炉膛压力波动平稳;当深度空气分级时,三次风达到总风量的质量浓度50%,秸秆占比为0时的NOx最低排放质量浓度为420 mg/m^(3)左右,飞灰热值5525 kJ/kg;秸秆占比分别为50%和70%时NOx最低排放质量浓度为110~120 mg/m^(3),飞灰热值2511~2930 kJ;秸秆占比为100%时NOx最低排放质量浓度为200 mg/m^(3),飞灰热值为0,表明大占比掺混生物质有利于提高深度空气分级时的燃烧效率和低氮效果;当锅炉负荷从4 t/h提高到6 t/h,掺混秸秆占比为50%和70%的混合燃料燃烧和低氮效果变优,燃用纯秸秆粉体NOx排放质量浓度从135 mg/m^(3)增加到218 mg/m^(3);二次风是影响NOx排放的决定性因素,以50%掺混占比的混合燃料为例,使用空气分级技术,100%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为27%和100%,NOx初始排放质量浓度从417 mg/m^(3)降低到182 mg/m^(3),80%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为20%和70%,NOx初始排放质量浓度从711 mg/m^(3)降低到205 mg/m^(3)。

700MW四角切圆锅炉低NOx燃烧的数值模拟

对一台700 MW四角切圆煤粉锅炉低NOx燃烧改造前后开展了多工况炉内流动、燃烧、传热与污染物排放特性的数值模拟,模拟结果与测量值符合良好。数值模拟与实际运行结果都表明:采用M-PM低NOx燃烧器并进行深度空气分级燃烧改造后,炉内空气动力特性良好,气流不会直接冲刷水冷壁;主燃烧区处于低氧高CO浓度的强还原性气氛,可抑制NO生成并大量还原已生成NO,锅炉NOx排放显著降低,100%、75%和50%负荷下分别降低了68.8%、52.9%和56.6%;屏底烟气温度明显增加,主、再热汽温特性明显改善,温度升高达到设计值;水冷壁壁面热负荷更加均匀;尽管飞灰含碳量和CO排放浓度增加,但排烟温度降低了约10℃,排烟热损失降低大于机械和化学不完全燃烧损失增加之和,锅炉效率升高。