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MILD-Oxy燃烧的数值模拟与0.3MWth试验研究

毛志慧  
【摘要】:富氧燃烧(Oxy-fuel Combustion)技术是目前化石燃料燃烧领域最具发展前景的碳捕集技术之一,可有效减少火力发电厂的二氧化碳排放,对于缓解全球变暖具有重要意义。MILD燃烧技术是一种新型高效的燃烧技术,具有燃烧效率高、污染物排放少等优点。将MILD燃烧与富氧燃烧相结合,形成一种新型MILD-Oxy燃烧技术,该技术既可兼具二氧化碳减排以及高效、低污染的优势,又可互相改善两种技术的不足,具有很强的工业应用价值。目前,MILD以及MILD-Oxy技术的研究仍处于起步阶段,其燃烧机理、判定机制等仍不明晰。因此,本文针对MILD以及MILD-Oxy燃烧技术面临的一些关键科学问题从微观燃烧机理与宏观中试试验两方面展开了研究,研究结果对于深入揭示该新型燃烧方式的燃烧机理与污染物的生成与控制等原理具有十分重要的科学意义。富氧或MILD-Oxy气氛下固有的高浓度水蒸气通过改变比热容、辐射换热以及气化反应对燃烧产生影响。针对该影响,论文对基于IFRF卧式炉的煤粉旋流富氧燃烧展开了数值研究。结果表明在低氧气浓度条件下,比热容对温度的影响较大,增加入口水蒸气浓度会提高燃烧温度;而在高氧气浓度条件下,辐射换热对温度的影响较大,增加入口水蒸气浓度反而会降低燃烧温度。同时,提高入口氧气以及水蒸气浓度都会增强气化反应,从而导致燃烧区域内的温度梯度下降。达姆科勒数是判定MILD燃烧形成的重要依据。高温预热、高速射流以及二氧化碳稀释等技术参数对达姆科勒数具有重要影响。因此,论文随后对天然气MILD燃烧展开数值模拟,探讨了上述技术参数对达姆科勒数的影响规律,并分析评估了不同技术手段对MILD燃烧形成的影响。研究结果表明提高入口射流速度可显著降低达姆科勒数Da,当射流速度足够高时,Da的值可以接近1。二氧化碳稀释也可以降低MILD燃烧的达姆科勒数Da,但与提高射流速度相比其效果相对较弱。降低预热温度会小幅降低MILD燃烧的达姆科勒数Da。此外,由于水蒸气浓度以及氧气浓度对煤粉MILD-Oxy燃烧的重要影响。论文数值模拟了煤粉的MILD-Oxy燃烧,基于炭颗粒表面反应的达姆科勒数以及炭颗粒消耗比例这两方面对该影响展开研究。结果表明提高入口氧气浓度会导致所有炭颗粒表面反应的达姆科勒数增加,特别是对氧化反应,说明在高氧气浓度条件下燃烧状态向火焰燃烧方向偏移。水蒸气浓度对氧气的扩散系数影响较大,提高入口水蒸气浓度会加快氧气分子由环境气体向炭颗粒表面扩散的速率。MILD燃烧状态下气化反应消耗炭颗粒的比例要显著高于旋流燃烧,同时MILD燃烧状态下气化反应消耗炭颗粒的总比例要高于氧化反应。基于前文微观机理研究提供的理论依据,论文在低预热温度条件下,通过提高射流速度进行了中试规模的煤粉MILD燃烧实验研究。试验结果表明,MILD燃烧状态下燃烧反应区被极大的扩展,反应区出现大量的小火花以及火焰碎片,但无可见连续的火焰锋面;由于燃烧温度降低同时炉膛内形成还原性气氛使炉膛尾部的NO排放大幅下降;在低温预热条件下,MILD燃烧过程中的燃烧稳定性降低,着火延迟增加,燃烧器出口附近温度波动增强。这说明,相比采用高射流速度同时低温预热的方式实现MILD燃烧,采用高温预热的方式实现MILD燃烧在提高燃烧稳定性方面仍具有一定优势。在煤粉MILD燃烧中试试验的基础上,论文最后开展了低预热温度条件下0.3MWth中试规模的煤粉MILD-Oxy燃烧的试验研究,试验系统包括完整的烟气循环,燃烧工质为循环烟气和纯氧的混合物。研究结果表明,射流速度是维持MILD-Oxy燃烧的关键;在MILD-Oxy燃烧条件下,反应区域扩大到炉膛内部的较大区域内,火焰峰值温度比旋流富氧燃烧降低60K,且温度梯度在轴向以及径向都降低;同时,由于火焰温度降低以及炉内CO浓度上升,NOx排放降低约40%。


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