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《山西大学》 2017年
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燃煤锅炉高效燃烧与低氮排放耦合技术研究

王菁  
【摘要】:近年来,随着我国大气污染问题日益严峻,燃煤污染物控制技术得到了广泛关注。低氮燃烧技术作为主要的NO_x控制技术之一,能够有效控制燃煤过程中NO_x的生成。然而,低氮燃烧技术应用于各类锅炉时,普遍存在NO_x控制与燃烧效率之间相互制约的问题。因此,实现高效燃烧和低氮排放的耦合对低氮燃烧技术的进一步发展具有重要意义。基于解耦燃烧技术通过热解与燃烧两个阶段,可以解除燃烧与低NO_x之间矛盾的特点,本文研究了煤先热解、再燃烧分段反应特性,提出了适用于贫煤煤粉锅炉、工业层燃炉及小型民用炉的高效燃烧与低氮排放耦合技术,采用实验和数值模拟相结合的方法,对各炉型的燃烧特性和NO_x生成特性进行了详细的研究,并优化了各锅炉的结构和运行工况。本文的主要内容和结论如下:(1)对煤先热解、再燃烧分段反应特性进行了理论分析,针对三种典型低效率高污染炉型提出了高效燃烧与低氮排放耦合技术方案。采用综合热分析仪研究了长治贫煤先热解、再燃烧分段反应特性。结果表明,燃煤过程中采用先热解再燃烧的方式会降低半焦的燃烧反应速率,而延长热解时间对总体燃烧反应速率的减缓程度小。基于此形成了技术思路:采用先热解、再燃烧分段反应方式,尽量强化前段煤热解程度,并在后期燃烧段提供有利燃尽条件保证燃尽。并据此提出了由解耦燃烧器和多角解耦燃烧炉膛组成的贫煤解耦燃烧系统、解耦再燃复合低氮燃烧链条炉以及解耦炊暖两用炉的设计方案。(2)应用冷模中试实验、冷态数值模拟及热态数值模拟方法,从边界条件和内部结构两方面对煤粉解耦燃烧器的结构、稳燃、低氮原理进行了细致的分析讨论,并对燃烧器结构和运行参数进行了优化。结果表明,该燃烧器具有合适的回流特性和阻力特性;煤粉粒径较入射煤粉质量流量对燃烧器分离特性的影响更大。该燃烧器产生的高效浓缩与低速回流区,使煤粉呈阶梯状逐级点火;阶梯状稳焰器组织煤粉射流形成长而稳定的煤粉束,形成自稳燃烧状态;煤粉束提高了焦炭对NO_x的还原能力,降低了NO_x的生成。燃烧器喷口采用水平分离隔板时,可有效提高热解程度,使燃烧器出口NO_x浓度较初始设计降低59.36%。对该结构燃烧器的优化计算表明,最佳运行工况下出口NO_x浓度较设计工况降低61.88%。(3)通过冷模中试实验、冷态数值模拟,对四墙切圆/角式二次风炉膛(FWC)结构和不同二级二次风不同位置、不同摆角两个方面对空气动力场的影响进行了探究;并用热态数值模拟对FWC炉和四角切圆/墙式二次风(FCW)炉与传统四角切圆和四墙切圆炉膛进行比较,从煤粉的着火、燃烧、NO_x控制及炉膛水冷壁保护等方面分析了影响炉膛稳燃和低氮性能的关键因素。结果表明,多角切圆炉膛推迟了燃烧反应,且在炉膛中心形成高温、高煤粉浓度煤粉束,有利于解耦燃烧,FWC和FCW炉较四墙和四角切圆炉膛,出口NO浓度分别降低17%和36%;同时切圆内的高湍流特性,延长了煤粉的停留时间,挥发分和CO随炉膛高度的变化曲线显示两种解耦燃烧炉型更有利于可燃物的燃尽;两种解耦炉膛内的动力场,有效组织了气流、颗粒及气体组分分布,有明显的水冷壁保护作用。综上,可以分别采用FWC与FCW两种新炉型进行改造,达到高效燃烧与低氮排放耦合的目的。(4)采用数值模拟对解耦再燃复合低氮燃烧链条炉内空气动力场、燃烧特性、NO_x排放特性等进行了数值模拟研究,并对锅炉结构进行了优化计算;另外,采用现场实验的方法对炊暖两用解耦炉的燃烧和污染物释放特性进行了评价分析,对该炉型减排能力和对不同煤种的适用性进行了评估,并对过程中室内污染物浓度进行了监测。对新型链条炉的研究表明,热解室与主燃烧室分隔、采用导气管将热解气引向炉排,以及炉拱上下喷入煤矿乏风为再燃气的设计,促进了主燃烧区气流与热解气流的混合,强化了热解气对主流烟气中NO_x的还原反应,避免了热解燃烧炉中热解气燃烧不完全的问题;解耦燃烧与气体再燃的复合作用较热解燃烧炉进一步提高了NO_x还原率。炉膛出口热解气浓度和NO浓度较传统链条炉分别降低了72%和89%。对炊暖两用解耦炉的实验研究表明,通过炉膛分区和不同区间的补风管,使燃烧效率较传统炉提高36%,SO_2、NO_x和CO浓度分别控制在200 mg/m~3,100 mg/m~3和300 mg/m~3以下。本论文基于解耦燃烧反应特性的研究,针对不同燃煤锅炉提出了高效燃烧与低氮排放耦合技术,为解决炉中高效燃烧和NO_x控制相互制约的问题提供理论依据和技术指导,对实现燃煤锅炉高效、清洁燃烧有一定现实意义。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X701

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