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焦炉燃烧室内NOx生成和还原机理的数值模拟研究

李伯阳  
【摘要】:随着我国工业水平的快速发展,对焦炭的需求量日益增多。焦炉作为炼制焦炭的重要设备,其使用量逐年增长。然而,我国庞大的焦炉基数造成了严重的大气污染且焦炉烟气NO_x含量较低,采用传统的烟气脱硝技术经济性较差。因此降低焦炉炉内NO_x生成显得至关重要。当前,国内焦炉主要通过单独采用分段燃烧或烟气再循环的方法来降低焦炉炉内NO_x生成量,采用分段燃烧与烟气再循环联用技术未见报道。同时由于焦炉热过程、NO_x生成及还原机理比较复杂,影响因素也没有得到全面的考量。本文以某大容积7m焦炉为研究对象,利用CFD数值模拟软件来探究炉膛结构参数、配风比例、烟气循环倍率、二级燃料供入方式等对焦炉燃烧室内燃烧特性及NO_x产生过程的影响,并对NO_x生成及还原机理进行阐述。通过改变空气供入位置、调节风量供入比例等影响因素得出:空气分级燃烧技术会抑制主燃区燃烧水平,降低炉内温度,同时改变炉内还原性气氛区的大小进而影响NO_x生成量和还原量,拉伸火焰高度提高炉内温度分布均匀性;空气分三段较空气分两段供入效果更佳。在空气分级燃烧部分最优工况:一次风占总风量50%,二次风入口位置参数为0.5,三次风与二次风风量比例7:3,三次风入口位置参数为0.84的基础上,加入烟气再循环技术,实现空气分级燃烧与烟气再循环技术联用。通过调节再循环烟气供入位置及循环倍率得出:分段燃烧与烟气再循环联用使烟气流速提高,稀释炉内O2浓度抑制燃烧强度,降低炉内温度,进而降低NO_x生成量。再循环烟气入口位置参数选取0.33,烟气再循环率为2%时NO_x排放量低于64ppm,满足国标要求。最后,在空气分级燃烧的基础上,创新性的提出将焦炉煤气作为二级燃料,实现焦炉燃料分级燃烧降低NO_x排放的设想。通过模拟计算发现:在空气分级燃烧的基础上加入燃料分级燃烧技术,不但对燃烧室内温度场扰动较小且二级燃料不完全燃烧产生的CH3、CH2等中间物质可大幅度还原分解立火道内已生成的氮氧化物。二级燃料与主燃料量的比值为0.01时,出口处NO_x排放量低于30ppm,NO_x降幅可达95%。本课题的研究工作对研究焦炉内部氮氧化物生成和还原机理以及焦炉炉型结构优化具有一定的参考价值和实际意义,可推动低氮燃烧技术在焦炉中的应用和发展。


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