MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

高速射流煤粉MILD燃烧的研究进展

开发清洁高效的煤粉燃烧技术是应对我国乃至世界范围内日益严峻的环境污染问题的重要途径,煤粉低氧稀释(MILD)燃烧技术凭借其降低NOx排放、提高热流密度均匀性等优势而被视为颇具潜力的新型燃烧方式。同时,煤粉MILD技术结合富氧燃烧技术将是未来煤炭利用过程中减少碳排放的重要方向。综述了国内外煤粉MILD燃烧的发展历程、技术特点、研究现状等,并重点针对低温预热条件下的高速射流煤粉MILD燃烧技术探讨了研究中的关键问题和研究挑战等。煤粉MILD燃烧起源于气体燃料MILD燃烧,通过增强流场对高温烟气的卷吸并稀释反应物,使高温的火焰锋面模糊甚至消失,降低燃烧峰值温度并提升温度分布的均匀性,进而显著抑制了热力型NOx和燃料型NOx的生成。煤粉MILD燃烧可通过高温预热空气或提高射流速度实现,其中后者以其在经济性和可行性上的优势而更具发展前景,然而在速度达到100 m/s左右的高速射流的强烈剪切、湍流混合条件下的煤粉MILD燃烧机理及特性研究仍有待深入开展。在高速射流强烈剪切及卷吸作用下,煤粉弥散行为与常规射流燃烧相比有明显差异,而煤粉的弥散程度又直接关系到能否实现MILD燃烧。此外,强湍流混合会改变煤粉的升温、脱挥发分、焦炭燃烧等过程,进而影响着火延迟、火焰结构和污染物生成等煤粉燃烧过程中的关键问题。基于对上述关键问题的深入了解并结合气体燃料MILD燃烧的相关研究基础,可进一步发展针对煤粉MILD燃烧的系统、准确的定义,以更好地指导煤粉MILD燃烧技术的研究与应用。

交叉射流分级燃烧器中CH_4柔和燃烧特性分析

柔和燃烧具备燃烧稳定、烟气出口温度均匀、NO和CO排放低的特点,有望成为新一代燃气轮机燃烧技术。因此,开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的探索研究非常必要。烟气温度、氧浓度及其与新鲜空气的掺混对柔和燃烧的发生及燃烧性能有重要影响。为此,基于轴向分级概念建立燃烧器,通过精确控制烟气回流比例和当量比使得烟气的流量、温度、氧浓度连续可调,设计合适的燃烧器结构型式使得烟气在掺混区和燃料、空气以交叉射流方式掺混。通过数值模拟结合实验的方法,从流动、热力学角度研究分析了回流比例、当量比对OH﹡分布、火焰稳定性、NO/CO排放等燃烧性能的影响规律和机制。实验以甲烷为燃料,在回流比例r 0.5、当量比0.6工况下获得最佳的污染物排放性能:NO为6 mg/m3,CO为5 mg/m3。研究结果将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据。

同流热气中氧浓度对CH_4/H_2射流火焰的影响

通过雷诺平均纳维叶斯托克斯方程模型数值模拟研究了同流热气中氧浓度对CH4/H2射流火焰扩散燃烧的影响。研究基于JHC开放火焰实验装置,采用涡耗散概念模型和GRI-3.0详细化学反应机制进行数值模拟,研究同流热气中氧浓度变化的影响。结果显示,随着同流热气中氧浓度的减小,下游温度峰值及中间组分OH的质量分数峰值明显下降,温度分布更均匀。OH质量分数峰值位置比温度峰值位置略微靠外(同流热气侧)。H2CO主要分布在计算域内的低温区,高温时该组分被快速消耗;不同的燃烧模式下H2CO浓度分布差别很大。通过分析发现,要使传统窄小区域的快速燃烧模式过渡到大空间的慢速弥散燃烧,应减小同流热气中氧浓度。

CH_4/H_2高温稀释伴流射流湍流燃烧的数值模拟

采用标量联合PDF(probability density function)方法结合修正的k-ε湍流模型、EMST小尺度混合模型以及GRI3.0化学反应机理对甲烷-氢气混合燃料(体积比为1∶1)高温伴流射流J HC(jet in hot coflow)火焰进行数值模拟.比较分析了高温伴流中氧气质量分数分别为3%,6%和9%时的3种不同的MILD(moderate andintense lowoxygen dilution)燃烧火焰,3种火焰的计算结果与实验值符合得较好.

直流燃烧器参数对氧煤燃烧特性的影响

以Φ200 mm×2 m的火焰炉为对象,借助软件FLUENT研究了在O_2/CO_2气氛下燃烧器射流动量比和射流间距的改变对炉内流场特性和燃烧特性的影响.结果表明:当射流动量比由28增至66时,烟气内循环率峰值呈现先增大后减小的趋势,混合区烟气内循环率的整体水平是在射流动量比为48时最大;随着射流间距的增大,Oxz轴面回流区向下游偏移,且氧气质量分数高于10%的区域逐渐缩小,燃烧峰值有所降低,当射流间距增至75mm时,Oxz轴面回流区的范围明显缩小,反应区氧气体积分数回升,使得燃烧峰值升高.同轴射流方式下的燃烧峰值最高,约2 200K,仅当射流间距为60mm工况下的炉膛燃烧最大温升小于煤粉的着火温度(790 K),即可实现氧煤MILD(moderate or intensive low oxygen dilution,温和)燃烧.

涡流运动对全氧MILD燃烧的影响

由于全氧弥散燃烧(moderate&intense low oxygen dilution,MILD)技术燃烧效率高,环境污染低等特点,成为现代清洁燃烧技术重要研究方向。文中用数值模拟与实验相结合的方法,在流量确定的情况下,通过改变动量比来改变炉膛内涡流运动情况,借助涡结构识别方法,研究涡流运动对气体混合以及全氧MILD燃烧效率的影响。结果表明:炉膛内气体的涡流运动可以很好的反映内部燃烧的混合情况,炉膛内涡流运动主要集中在炉膛初始段,也是炉膛的主要燃烧区域。当炉膛内有强度的涡流运动区间较大时,说明炉膛内气体的混合区域较大,全氧MILD燃烧效果较好,反之则不利于全氧燃烧实现MILD状态。

一种MILD燃烧器的NO_(x)排放性能的关键影响因素分析

对一种基于富燃-引射-MILD燃烧方案的生物质气MILD燃烧器进行了实验研究。燃烧器热功率设置为100 kW,重点分析了一次生物质气比例和富燃室传热比例对NO_(x)排放的影响。结果表明,在各测试工况下,燃烧室温差均小于200℃,出口烟气NO_(x)质量浓度为0.14~1.12 mg/m^(3);当一次生物质气比例为0.3~0.4时,需二次稀释实现MILD燃烧,大于0.4时无须二次稀释;二元回归得到的实验关联式可较好地解释一次生物质气比例、富燃室传热比例对NO_(x)生成的影响。

低氧稀释条件下煤粉颗粒燃烧特性实验研究

在平面扩散火焰煤粉燃烧实验系统上采用光纤光谱仪和CMOS相机分别测量了不同燃烧气氛(O2/N2、O2/CO2)、热协流温度(1473~1873 K)和氧气体积分数(5%~20%)下烟煤煤粉燃烧火焰的辐射光谱和火焰图像,获得了不同燃烧条件下煤粉颗粒温度沿程分布和燃烧特性。结果表明:在O2/N2或O2/CO2气氛下,随着热协流温度和氧气体积分数的降低,火焰颜色由亮黄色逐渐转变为暗红色,煤粉颗粒温度降低;随着热协流氧气体积分数的下降,煤粉颗粒温度波动系数减小了37%,颗粒温度分布更均匀;与O2/N2气氛相比,O2/CO2气氛下煤粉火焰光强减弱,煤粉着火距离增加,煤粉颗粒的平均温度降低了24~103 K,颗粒温度波动系数最大减小了24%。

二氧化碳、水和氮气稀释条件下甲烷MILD氧燃烧的实验研究

中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution,MILD)氧燃烧技术能同时实现低碳和超低NO_(x)排放,是一种创新性的燃烧技术。通过实验方法研究了不同稀释剂(N_(2)、CO_(2)和H_(2)O)、氧气浓度、当量比和氧化剂预热温度下甲烷非预混MILD氧燃烧和排放特性。实验发现,N_(2)、CO_(2)和H_(2)O稀释的所有工况中均没有观察到火焰。但N_(2)稀释时,炉内温度和NO排放都比较高,且当氧浓度、当量比或氧化剂温度增加时,NO排放急剧升高(>100×10^(-6)),因此无法实现较好的MILD氧燃烧。与之相比,CO_(2)或H_(2)O稀释下,炉内温度较低,NO排放也非常低(<10×10^(-6));并且NO排放对氧浓度、当量比和氧化剂温度的变化不敏感,能在更宽的范围内建立起低排放的MILD氧燃烧。此外,CO_(2)稀释时会产生较高的CO排放(>20×10^(-6)),但H_(2)O稀释下几乎没有CO排放,且NO排放最低(≈1× 10^(-6))。因此,H_(2)O稀释最有利于实现超低排放的MILD氧燃烧。但实际炉膛应用时需要注意防止H_(2)O稀释造成的炉壁汲水和因此导致的热效率降低、甚至熄火。

过量空气系数、热负荷及反应物混合模式对天然气锅炉柔和燃烧特性影响

柔和燃烧(MILD)因其NOx排放低、节约能源和燃烧稳定的特点,有望成为新一代天然气锅炉燃烧技术。文中以成分97%为CH_4的天然气为燃料,基于额定蒸发量为1t/h的天然气锅炉的实际运行工况,研究了过量空气系数φ从1.05~1.45,热负荷P从600~786k W不同工况下的预混和扩散方式柔和燃烧特性。试验结果表明,柔和燃烧条件下,过量空气系数增加,NO和CO排放降低。满负荷下,预混柔和燃烧NO排放仅为54mg/m^3@3.5%O_2,远低于传统旋流扩散燃烧方式天然气锅炉的NO排放(111mg/m^3@3.5%O_2)。

燃料稀释和喷嘴布置对甲烷非预混MILD氧燃烧的影响

中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution, MILD)氧燃烧能够同时实现低碳和低NOx排放,是一种很有前景的燃烧技术。通过实验研究CO2稀释甲烷的非预混MILD氧燃烧炉内CO2稀释量(30%~80%体积分数)和喷嘴布置(中心燃料喷嘴或中心氧化剂喷嘴)对燃烧和排放特性的影响。实验表明,随着燃料稀释程度的升高,炉内温度和NO排放均降低,但CO排放有所升高。另外,过高的稀释度(如80%)会导致炉内燃烧不稳定,易发生熄火。但预热燃料可以避免这一问题。70%燃料稀释度下,炉内温度分布均匀,NO排放较低(<20×10-6),且对当量比、燃料预热温度和氧化剂中氧气浓度的变化不敏感,更有利于MILD氧燃烧的实际应用。此外,实验发现,相比中心燃料喷嘴的布置,中心氧化剂喷嘴布置下,炉内温度分布更加均匀,NO排放极低(≈5×10-6),更有利于建立超低排放的MILD氧燃烧。因此,实际燃烧器设计时可以考虑这种布置。

稀释剂和氧浓度对甲烷非预混MILD富氧燃烧影响的模拟研究

通过数值模拟方法研究了不同氧化剂(O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2)和O_(2)/H_(2)O)和燃烧器出口氧浓度(21%~30%)对15kW实验炉内甲烷非预混中度与极度低氧稀释(moderate or intense lowoxygen dilution,MILD)富氧燃烧的流场、燃烧场及湍流–化学相互作用的影响。研究结果表明,不同稀释剂下炉内流动和烟气卷吸情况几乎相同,但在炉内反应方面存在较大差异。各稀释剂下炉内燃烧温度和CO、OH浓度的高低顺序为:N_(2)>CO_(2)>H_(2)O。而且,N_(2)稀释时炉内存在集中的高温区(>1800K),且温度和组分浓度随氧浓度增大而快速升高。而CO_(2)或H_(2)O稀释时炉内温度、组分分布均匀,且对氧浓度变化不敏感。另外,相比CO_(2)或H_(2)O稀释,N_(2)稀释下反应区内的层流火焰速度和Damköhler数(Da)更大,且随氧浓度的升高而急剧增加,30%氧浓度下已经进入传统薄反应区燃烧模式。而CO_(2)或H_(2)O的稀释可以显著降低层流火焰速度,增长化学反应时间,减小Da数,在高氧浓度下依旧保持在分布式反应区,即MILD燃烧区。因此,相比N_(2)稀释,CO_(2)或H_(2)O稀释下更有利于建立MILD富氧燃烧。

高温低氧及富氧气氛下煤粉颗粒着火和燃烧特性数值分析

采用计算流体力学(CFD)软件对煤粉颗粒在平面扩散火焰系统中的着火和燃烧过程进行了详细的数值模拟,测量了不同热协流气氛(O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2))、温度(1400~1800K)和氧气体积分数(10%~30%),特别是高温低氧(1800K,10%O_(2))环境下的气体温度场和颗粒温度分布,获得了MILD燃烧工况下煤粉颗粒着火和燃烧特性.结果表明,在高温低氧环境下,煤粉颗粒的着火距离明显缩短,气体温度场更加均匀.1800K协流温度下,随着氧气体积分数每提高10%,其着火距离缩短12%~14%,氧气体积分数为10%时的烟气温度波动系数比氧气体积分数为20%时下降9%.与O_(2)/N_(2)气氛相比,在O_(2)/CO_(2)气氛中相同热协流温度和20%氧气体积分数下,着火距离增加了2.7~3.4 mm,烟气平均温度降低了168~183 K.

铜冶炼企业综合节能与能源优化研究

铜冶炼企业生产能耗高,因此节能降耗是企业降低成本、提高效益的重要途径。金隆铜业近年来,在生产实践中通过与大专院校和专业厂家合作,开展企业综合节能与能源优化研究工作,改善了能源结构,提高了能源综合利用效率,经济效益显著,减少了环境污染,增强了企业竞争力。

铜冶炼阳极炉烟气热能回收方式评析

采用稀氧燃烧技术后,烟气量大幅减小,原有形式的低压余热锅炉已经无法适应新的工作,且设备庞大,总投资大,逐渐被水冷换热器、烟管式余热锅炉、中间介质换热器等余热回收设备替代。通过对三种常见换热设备的设计和应用进行分析,并提出了改进优化的建议,可供同行业参考借鉴。

无焰燃烧技术的研究现状

无焰燃烧技术有设备简单、温度均匀、燃烧稳定、效率高和排放低等特点,被称为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一。本文结合多篇国内外研究文献,总结了他们各自无焰燃烧方式的特点及其判定方法。接着列举了几种实现无焰燃烧的技术手段,包括充入氮气、高速射流和特殊燃烧室结构等。最后分别对气体燃料和固体燃料的无焰燃烧机理进行分析,从基元反应的角度说明了无焰燃烧排放低的原因,并列举了无焰燃烧技术在工业中的应用实例。

天然气柔和燃烧锅炉结构参数影响模拟研究

在天然气锅炉中引入柔和燃烧技术将大大降低NOx排放,高速未燃气卷吸高温烟气回流并与之快速掺混再燃烧是柔和燃烧的重要特征,因此,开展天然气锅炉关键结构参数优化设计以组织流场形成柔和燃烧所需的高温低氧反应气氛非常必要。基于天然气锅炉的工况特征,设计了热负荷15kW的模型燃烧室,采用数值模拟手段详细研究了燃烧室高度、喷嘴孔径、喷嘴相对位置及烟气出口尺寸对燃烧室流场、组分场及关键参数——烟气回流比的影响规律,并最终确定了燃烧室结构优选方案,对天然气锅炉柔和燃烧机设计提供理论基础数据。

低氧稀释下煤粉燃烧反应区结构实验与模拟研究

在平面扩散火焰燃烧系统上采用CMOS相机获得了不同协流温度(1473~1873 K)和氧气体积分数(5%~20%)下煤粉火焰图像和光强分布,并在数值模拟中导入详细化学反应机理对比了单步、双竞争和CPD等不同脱挥发分模型以及焦炭反应模型的影响,对比已有实验结果提出了煤粉燃烧最佳模型组合。基于该模型数值模拟结果分别得到了煤粉和焦炭燃烧的OH自由基分布,与光强信号对照分析了煤粉燃烧反应区结构特性,定量地把整个煤粉燃烧过程划分为(Ⅰ)预热阶段、(Ⅱ)挥发分燃烧阶段和(Ⅲ)焦炭燃烧阶段,分阶段获得了挥发分和焦炭的燃烧特性。发现在5%低氧稀释条件下,随着协流温度由1473 K提高到1873 K,预热阶段和挥发分燃烧阶段分别缩短了0.70 cm和1.24 cm。