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300MW锅炉半焦煤粉掺混的燃烧过程及NO_x排放的数值模拟

【摘要】:半焦是由烟煤或者褐煤在中低温下干馏得到的可燃固体产物。如若半焦能够在煤粉锅炉上与煤粉的混合燃烧中得到大比例的掺烧,不仅能够扩大电厂煤粉锅炉中与煤粉混合燃烧的燃料范围,而且有利于煤炭分质利用下游产品。但是半焦着火温度高,想要在大规模掺烧的同时保证半焦的燃尽率,需要较高的燃烧温度,这与降低炉内氮氧化物排放的要求是相违背的。因此研究使用分级燃烧技术来实现半焦煤粉混合燃烧的低NO_x排放尤为必要。本文使用CFD数值模拟的方法来研究300MW四角切圆锅炉半焦煤粉掺混燃烧的NO_x排放情况。首先采用浓淡煤粉直流射流实验系统,在半焦掺混比例为45%情况下,研究半焦掺混煤粉的燃烧状况,得到的相关燃烧数据与运用Fluent软件在相同的工况下得到的模拟数据相对比,从而验证本文中使用的数理模型的可靠性。在模型得到验证的基础下,本文改变不同参数,研究了300MW锅炉在变掺混比、变粒径、变燃尽风率、变再燃燃料比和调整半焦煤粉燃料层的情况下,NO_x的排放规律。首先对锅炉燃烧进行了不同半焦掺混比例下的数值模拟,研究表明随着半焦掺混比例的增加,炉膛中心温度升高,掺混半焦的煤粉燃料在炉内的着火距离(从一次风喷口到燃料达到着火温度的距离)也在增大,同时炉内NO_x排放量增大以及燃尽率降低。并且当半焦掺混比例达到60%时,半焦的着火距离大幅度提高。在半焦掺混煤粉比例一定的情况下,针对不同半焦粒径的掺混燃烧进行了数值模拟研究,结果表明在半焦掺混比例一定的情况下,随着半焦颗粒粒径的降低,主燃区CO浓度增大,半焦着火距离减小。并且随着半焦颗粒粒径的降低,炉膛出口燃尽率增大并最终保持稳定。在半焦掺混煤粉比例一定情况下,针对炉膛不同的燃尽风率情况下的半焦煤粉燃烧进行了数值模拟,研究表明随着燃尽风率的增加,炉内的温度也不断的降低,主燃区的CO浓度升高,炉内NO_x生成量也随之降低。当燃尽风率为15%,半焦的掺混比例为60%时的炉膛出口NO_x排放量为483.7mg/Nm~3,燃尽率为96.2%,既能满足燃料达到比较高的燃尽率,又能保证燃烧的低NO_x排放。在燃料分级条件下,半焦作为再燃燃料,半焦煤粉混合燃料作为主燃区燃料(其中半焦混合60%)时,研究了不同再燃燃料比对NO_x排放的影响。研究表明,随着再燃燃料比的增大,再燃区NO浓度增长率降低,其中再燃燃料比25%时增长率最低,这不仅仅是由于炉内的温度降低的原因,还因为半焦焦炭对NO_x的还原作用,从而降低NO_x的排放。在燃料分级条件下,研究了当半焦占据三层燃料层,剩下两层都是烟煤燃料层时,半焦和煤粉分布在不同燃料层的燃烧状况。研究表明当半焦燃料层分布在主燃区上部,煤粉燃料分布在主燃区下部时,既能获得较高的氮氧化物还原率,又能兼顾煤粉半焦的燃尽及经济性。

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