锅炉NO_(X)生成和脱硝系统优化控制技术研究

文章针对电厂机组NO_(X)生成和脱硝系统优化控制技术进行探讨研究,重点对燃煤锅炉NO_(X)生成浓度的关键影响因素进行辨识,并采用创新的控制方法,减少NO_(X)生成浓度的大幅波动,控制出口NO_(X)浓度稳定,满足环保要求的同时降低喷氨量,避免过喷少喷的情况,从而维护设备安全,且极大节约了成本。

中心富燃料直流煤粉燃烧器燃烧及NO_(x)生成特性

为了提升直流煤粉燃烧器在促进煤粉着火稳燃及降低NO_(x)生成方面的性能,哈尔滨锅炉厂设计开发了一种中心富燃料直流煤粉燃烧器,通过设置两级煤粉浓缩并结合钝体回流及稳燃齿稳燃,强化煤粉浓淡分级燃烧、稳燃及降低NO_(x)生成效果,利用ANSYS Fluent数值计算方法获得该类型燃烧器的整体燃烧性能,通过调整风量配比系统研究了该燃烧器的气固流动、燃烧特性及NO_(x)生成特性。结果表明:一次风煤粉气流经两级浓缩后,可将大部分煤粉(占总煤粉量的80%~90%)浓缩于中间浓煤粉气流通道,浓煤粉气流喷出速度在12~16 m/s,能在燃烧器出口形成低速、富燃料区,促进煤粉气流的快速升温及着火,着火位置距燃烧器出口约300 mm。同时,稳燃板的设置可在燃烧器出口处形成2处对称高温回流区,对应回流区长度在160 mm附近。减小一次风量并增大二次风量,将降低挥发分的反应速率,延长CO及固定碳的反应时间,火焰高温区长度增大,且不利于抑制NO_(x)生成。而当增大二次风量同时减小燃尽风量时,高速二次风对煤粉气流的引射作用增强,为后续煤粉燃烧持续补氧,促进了后续煤粉的持续燃烧放热,同时由于空气分级燃烧效果进一步减弱,削弱了主燃区还原性效果,使NO_(x)质量浓度保持在237.3 mg/m^(3)(O_(2)体积分数6%)。通过该燃烧器基准工况下的NO_(x)生成特性可知,由于燃烧器出口高温回流区加低速富燃料区的共同作用,燃烧器出口形成贫氧富燃料的强还原性氛围,从而明显抑制NO_(x)生成,使NO_(x)质量浓度降至162.34 mg/m^(3)(O_(2)体积分数6%)。

燃煤链条炉掺烧半焦NO_(x)生成特性及配风优化数值模拟研究

针对煤炭分级分质转换过程中产生的过剩副产品热解半焦,为更加高效清洁的利用煤炭资源,本文提出在链条炉中掺烧热解半焦。使用Fluent软件对链条炉中烟煤与半焦的掺烧工况进行了数值模拟,研究了炉膛内流场、温度场和组分场的变化规律以及配风优化的影响,探讨了掺烧过程中NO_(x)的生成特性以及配风优化对炉内燃烧性能的影响。结果表明,提高半焦的掺混比例,炉膛中NO的体积分数升高,炉膛出口平均烟温降低。推迟配风有助于炉内形成贫氧程度更深的局部还原性区域,从而抑制NO_(x)原始生成,减少炉膛NO_(x)最终排放。层燃室燃复合燃烧时,烟煤在炉排上燃烧的同时将半焦粉末喷入炉膛,半焦比例每增加5%,炉膛出口平均温度约增加30℃;半焦粉末在炉中喉口位置喷入时,炉膛出口烟温最高。本文的研究结果能够为链条炉高效低污染掺烧利用热解半焦等低挥发分煤基固体燃料,提供一定的理论依据和科学指导。

超低挥发分碳基燃料与烟煤旋风炉内混燃的NO_(x)生成特性研究

采用数值模拟研究了热解半焦、气化残炭和烟煤在旋风炉中的混燃特性和NO_(x)生成规律.模拟结果表明:降低旋风筒过量空气系数会抑制NO_(x)生成但也会降低燃烧效率,并在降低至0.8时效果减弱;由于旋风炉中热力型NO_(x)生成量较多,削弱了混合燃料间燃料氮转化的交互影响,混合燃料的NO_(x)生成规律基本满足线性叠加;三元掺混时混合燃料的NO_(x)生成特性基本随热解半焦质量占比增加呈线性变化.本文研究工作可为实现烟煤与热解半焦、气化残炭在旋风炉中的高效清洁混燃提供理论指导.

燃煤锅炉CO生成特性对锅炉效率及NO_(x)生成的影响机制

以国内某600MW墙式切圆燃烧锅炉为研究对象,在炉膛关键区域布置了高温CO在线监测系统,通过试验与数值模拟计算,研究了炉膛CO生成特性与锅炉效率及NO_(x)排放的关联特性,并建立了低氮综合燃烧指数,以平衡锅炉高效燃烧与低氮排放之间的矛盾.研究结果表明,该锅炉效率随监测的炉膛CO浓度增大呈现先增大后减小的趋势,炉膛NO_(x)排放浓度随炉膛CO浓度的增大而逐渐降低;锅炉CO生成特性与锅炉效率及NO_(x)排放均表现出了显著相关性,优化炉膛CO生成特性能够使得锅炉燃烧效率与氮氧化物排放的综合性能实现优化.锅炉实际运行中,可通过监测与调控炉膛CO浓度,获得低氮综合燃烧指数最大值,以有效平衡锅炉效率与NO_(x)排放之间的矛盾,实现锅炉的高效、低氮运行.

氧分级对准东煤富氧燃烧NO_(x)生成与积灰特性的影响

准东煤储量丰富,但由于其碱及碱土金属含量较高,会导致严重的换热面沾污问题,影响锅炉效率和运行安全。富氧燃烧有望实现准东煤的清洁利用,且分级条件下的富氧燃烧可进一步降低NO_(x)排放,但同时也会影响煤中矿物质演变。目前氧分级对高碱煤燃烧积灰的影响规律鲜有研究,氧分级对NO_(x)和积灰的耦合作用尚不明确。利用两段炉试验系统,研究富氧分级燃烧条件下高碱煤燃烧过程中的NO_(x)生成和积灰特性。试验结果表明,富氧条件下烟气中的NO体积分数远低于空气条件,富氧气氛下的NO体积分数仅为80×10^(-6)左右,而空气气氛下NO体积分数已超过170×10^(-6)。相同O_(2)体积分数下(21%),富氧条件下的灰沉积倾向弱于空气条件,富氧条件下为26.20 mg/g,而空气条件下为16.45 mg/g,证明了富氧燃烧的优越性。随着主燃区O_(2)体积分数的增加(25%~60%),准东煤的燃料N转化率及灰沉积倾向逐渐升高,积灰的整体结构更加致密,积灰颗粒之间的团聚和黏连现象严重,独立存在的灰颗粒数量明显减少,颗粒表面的凹坑不断发育,出现较多的孔隙结构,烧结现象逐渐加剧。该研究有利于加深对高碱煤富氧分级燃烧下的积灰和NO_(x)生成特性的认识,为促进高碱煤的安全清洁利用提供借鉴。

氧分级对药渣O_(2)/CO_(2)燃烧NO_(x)生成规律与反应机理的影响

在我国目前能源结构中,化石能源尤其是煤炭资源占比很高,造成了极大的环境压力。抗生素发酵药渣为近年来产量迅速升高的固体废弃物,也是一种生物质燃料资源,但目前对药渣的能源化利用研究较少。以CH4等气体来模拟药渣可燃成分,利用Chemkin模拟软件中的PFR反应器构建了药渣在O_(2)/CO_(2)气氛下氧气分级燃烧及非分级燃烧模型,对2种情况下NO_(x)生成特性进行了模拟研究,探求了氧气分级及非分级燃烧时各种因素的影响,并利用生成速率分析法和敏感性分析法对结果进行了反应机理分析。研究结果表明,在氧气非分级条件下,NO_(x)转化率随燃烧温度升高先升高后降低,在1500℃左右达到峰值;NO_(x)转化率随过量氧气系数增加而升高,在过量氧气系数由0.9增至1.1时,增幅显著。在氧气分级条件下,主燃区燃烧温度对NO_(x)转化率的影响较为复杂;NO_(x)转化率随燃尽风率增加先降低后升高,随燃尽风位置推后降低。氧气分级条件下,还原气氛促进了NO_(x)中N向其他组分转化,能够明显降低NO_(x)生成。当燃烧温度低于1500℃,燃尽风率为0.35左右时,NO_(x)转化率最低。首次对药渣在O_(2)/CO_(2)气氛下的燃烧进行了反应动力学模拟研究,探求了各种因素的影响,为实现药渣能源化利用提供了指导。

MILD燃烧模式下CH_(4)燃烧NO_(x)生成特性及机理数值研究

采用计算流体力学(CFD)方法研究了低氧稀释(MILD)燃烧模式下CH_(4)燃烧NO_(x)生成特性及反应机理,采用考虑全组分扩散的层流有限速率模型耦合GRI Mech 2.11详细化学反应机理,计算结果与实验结果符合较好。结果表明:在MILD燃烧工况下,CH_(4)燃烧NO_(x)生成量约为10×10^(-6)且以NO为主。(NCO→NH→HNO→NO)、(NH_(2)→HNO→NO)、(NH_(2)→NH→HNO→NO)和(N→NO)是生成NO的主要路径,NO主要通过R274、R249、R250、R251和R255等反应被CH_(x)和HCCO还原。在MILD燃烧模式下CH_(4)燃烧的热力型机理较弱,NNH机理、N_(2)O中间体机理和快速型机理主导NO的生成。

核准制下超超临界火电机组NO_(x)排放特性的数值模拟

围绕新建火电项目核准制度,以某新建超超临界火电机组1000 MW四墙切圆燃煤锅炉为研究对象,运用FLUENT数值计算软件对其进行1:1实体建模,选择对应的数学模型,采用数值模拟的方法对燃煤锅炉在不同过量空气系数、磨煤机组合方式以及锅炉负荷率下的NO_(x)生成特性规律进行了研究。结果表明:炉内过量空气系数在1.1~1.15时可取得较低的NO_(x)排放及较高的燃烧效率。6层燃烧器全部投运工况下,锅炉燃烧NO_(x)生成量较多,投运5层燃烧器时,磨煤机组合方式为ABCDE可取得最低的NO_(x)排放,组合方式为BCDEF时NO_(x)排放浓度最高。随负荷减小炉内温度下降,NO_(x)生成量减少,而气流组织和燃尽度较差。

煤粉工业锅炉NO_(x)生成特性数值模拟研究--燃烧器内二次风开度影响

为提高煤粉工业锅炉燃烧效率,研究NO_(x)生成特性,从燃烧系统的角度出发,通过CFD数值模拟的方法,研究了不同内二次风开度下炉内流动、燃烧及NO_(x)生成特性。结果表明:各工况下,在燃烧器出口区域均形成了稳定的旋流回流区。烟气在高温旋涡燃尽装置中一部分贴着上壁面流向出口,另一部分则在下壁面形成一个低速烟气回流区,总体上在炉内形成对称稳定的“灯芯”形火焰。当内二次风开度为0%和30%时,炉膛内温度分布均匀,火焰充满度较好;而当内二次风开度为50%时,炉膛内火焰沿着燃烧器上下两侧逐渐分散。此外,在燃烧器中心的旋流回流区边界上NO_(x)浓度较高;反之,在旋流回流区内NO_(x)浓度较低。当内二次风开度为0%时,炉膛出口NO_(x)原始排放浓度最低,可达90.08 mg/m^(3),且炉膛整体燃尽效果也最好。本研究可以为燃煤超低NO_(x)排放工业锅炉的设计与运行提供参考。

燃尽风对锅炉效率与NO_(x)生成的耦合影响特性研究

为研究燃尽风对锅炉效率以及NO_(x)生成特性的影响,以某630 MW机组前后墙对冲燃煤锅炉为研究对象,在3种不同锅炉负荷下,通过调节不同的燃尽风门开度,得到各工况下燃尽风对锅炉效率和NO_(x)排放的影响。研究结果表明,不同负荷下锅炉效率均随着燃尽风门开度的增大而减小;炉膛NO_(x)生成量在较高负荷下随燃尽风门开度增大,呈现先减小后增大的趋势,低负荷下则随着燃尽风门开度的增大而减小;锅炉效率与NO_(x)生成量之间存在耦合关系,基于此建立了可作为锅炉燃烧优化指标的低氮高效燃烧指数,且存在最佳的燃尽风门开度,使得此指数取得最大值,燃尽风门开度需根据负荷和氮氧化物综合确定。

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%。

MILD燃烧方式下燃料NO_(x)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NH_(3),考察了NH_(3)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CH_(4)/NH_(3)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NH_(3)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NH_(3)体积分数超过1.3%后NO排放值反而高于常规燃烧.

煤燃烧过程中燃料型NO_(x)生成及还原机理研究进展

燃料型NO_(x)是煤燃烧烟气中氮氧化物的主要组成部分,抑制燃料型NO_(x)的生成是低氮燃烧技术中降低NO_(x)排放初值的关键手段。燃料型NO_(x)的生成实属非常复杂的物理化学过程,涉及许多相互竞争的机制,受多个因素的综合影响。煤燃烧过程中燃料型NO_(x)的生成主要包括煤热解过程中挥发分N的释放过程、挥发分燃烧过程中NO_(x)的生成及还原过程、焦炭燃烧过程中NO_(x)的生成及还原过程。综述煤燃烧过程中燃料氮的迁移转化规律的研究结果,对煤燃烧中均相和非均相氮化学反应的详细机制进行整理并分析燃料型NO_(x)形成的内在机理,发现煤热解过程中煤中氮迁移形成挥发分N和焦炭N,迁移过程由煤种和热解条件共同决定。热解条件不仅影响挥发分N的释放,还影响焦炭的反应活性,从而影响焦炭燃烧及焦炭N的转化过程。挥发分N主要以HCN和NH;的形式存在,通过详细的均相氮化学机理建立挥发分NO_(x)的生成预测模型,以期较为准确地预测煤燃烧过程中挥发分NO_(x)的形成过程。焦炭N的转化过程主要涉及焦炭N-O;和焦炭-NO 2个反应,焦炭NO_(x)的形成是受煤种、温度、氧气浓度、矿物组分、焦炭粒径、焦炭反应活性等因素交互影响的综合结果,研究焦炭N的转化需综合考虑各因素的影响。

一种新型低NO_(x)排放辐射管烧嘴开发及应用

在分析烧嘴NO_(x)生成机理的基础上,结合现场实际确定了烟气引射回流的方式降低NOx排放浓度,并利用热工实验室进行不同结构烧嘴的分组实验测试,最终获得了较为合理的烧嘴和引射器结构;同时将该烧嘴应用于某钢铁厂退火炉上,取得了良好的效果。

层流火焰下氨/乙醇裂解气燃烧与NO_(x)生成分析

为改善氨燃料的燃烧性能,本文研究了氨燃料裂解以及掺混乙醇对层流火焰下燃烧和排放特性的影响。建立了包含159种组分、1450步反应的氨/氢/乙醇混合燃料燃烧化学动力学机理,并通过已有实验数据进行验证,预测准确性较高。结果表明,随着乙醇掺混比的增大,NO_(x)的生成量先增大后减小;当乙醇比例为40%时,氨裂解使得混合燃料的层流燃烧速度增加,当裂解比例超过60%时,稀燃条件下NO生成量显著降低,混合燃料的燃烧和排放同时得到改善。

柴油机缸内两相流卷吸效应对燃烧模式的影响

预混合燃烧和扩散燃烧是柴油机的基本燃烧模式,本文选取高压共轨直喷柴油机两种典型燃烧室:缩口型燃烧室和扩口型燃烧室,通过仿真计算研究在不同背景气流环境下基于卷吸效应的混合气形成机理。结果发现:喷射初期油束贯穿背景气流时,油束表面小尺度涡流引起的卷吸效应是形成预混合气的主要原因;对一定的喷射条件不同背景气流直接影响卷吸效应;缩口型燃烧室喷射初期卷吸作用强,预混合速率较快,且大部分燃料在燃烧室内部强滚流的作用下快速扩散燃烧,所以属于预混合扩散燃烧(PDC)模式,虽预混合燃烧占比小,但高温区宽;扩口型燃烧室虽喷射初期卷吸效应相对较弱,预混合燃烧速率较低,但油束冲击壁面凸台后形成二次预混合过程,使预混合气形成持续期延长,预混合燃烧占比大,形成双预混合扩散燃烧(DPDC)模式,通过这种DPDC燃烧模式可减小高温区域面积,由此有效抑制NO_(x)的生成。

DBD结构对船用LNG发动机尾气CH_(4)氧化脱除的影响

为提高等离子体氧化CH_(4)的脱除效率,同时避免放电过程中副产物NO_(x)的生成,在模拟天然气(LNG)发动机排气中,研究了介质阻挡放电(DBD)反应器电极结构参数对CH_(4)脱除效率、CO_(2)选择性及NO_(x)生成的影响及其机理。结果表明:增大电极直径使得气隙中折合场强E/N提高,增加了·O和·OH自由基的生成,促进了CH_(4)的氧化,提高了CO_(2)选择性;内电极直径的增大使E/N在气隙中分布更加集中,抑制了N_(2)(X,v)和N自由基的生成,减少了副反应的发生。与圆杆电极相比,螺纹电极的螺牙顶部附近具有过高的电场强度,从而促进N自由基的生成并抑制·O自由基的产生,故圆杆电极比螺纹电极具有更高的CH_(4)脱除效率及更低的NO_(x)生成。电极长度过长降低了折合场强以及电子平均能量,不利于氧化性活性粒子生成,导致CH_(4)脱除效率和CO_(2)选择性降低,同时增加了N_(2)(X,v),也使得NO_(x)增加。本研究可为提高低温等离子体协同催化剂促进甲烷还原NO_(x)系统的脱除效率,降低DBD反应器能耗提高能源利用率提供参考。