煤粉再燃中著火與脫硝相互作用的實(shí)驗(yàn)研究及其模化.pdf

1、本文在開發(fā)煤粉著火理論預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上,應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)煤粉再燃過程中極其復(fù)雜、具有高度非線性的兩種臨界現(xiàn)象一揮發(fā)分及煤焦還原脫硝臨界現(xiàn)象與煤粉著火臨界現(xiàn)象的相互作用進(jìn)行了研究。首次發(fā)現(xiàn)了煤粉再燃脫硝效率隨過量空氣系數(shù)變化而顯現(xiàn)的突變性質(zhì)與煤粉燃燒典型的臨界現(xiàn)象一“著火”有關(guān),并從理論上闡明了煤粉再燃脫硝與煤粉著火過程相互作用的物理本質(zhì),對(duì)再燃脫硝效率隨過量空氣系數(shù)發(fā)生突躍變化的臨界現(xiàn)象作出了合理解釋。本文研究成果

2、對(duì)煤粉著火及燃燒特性的預(yù)報(bào)、以及工程應(yīng)用中確定再燃運(yùn)行參數(shù)有重要現(xiàn)實(shí)意義,并為煤粉再燃技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)指導(dǎo)。
　　 本文采用居里點(diǎn)裂解發(fā)生器與氣相色譜儀研究了神木煙煤、二號(hào)煙煤及晉城無煙煤煤粉的快速熱解特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):煤粉的快速熱解失重主要發(fā)生在升溫階段,煙煤與無煙煤揮發(fā)分中焦油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最大,其中煙煤焦油釋放量占揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50％以上,高于無煙煤。根據(jù)熱解產(chǎn)物的釋放數(shù)據(jù),采用單方程反應(yīng)模型計(jì)算出了熱解反

3、應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。依據(jù)這些參數(shù),本文開發(fā)了考慮包括焦油在內(nèi)的具體熱解成分的單顆粒煤粉著火過程、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)全耦合瞬態(tài)精確模型,并對(duì)上述三種煤的著火及燃燒過程進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)三種煤粉的著火模式均為聯(lián)合著火,計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了炭粒著火初期顆粒表面CO火焰所引起的高溫,而且給出了揮發(fā)分火焰引燃顆粒表面一次反應(yīng)產(chǎn)物CO的證據(jù)。此外,本文還采用該模型計(jì)算了煤粉發(fā)生聯(lián)合著火時(shí)的能量分配系數(shù)。
　　 針對(duì)全耦合燃燒瞬態(tài)模型計(jì)算過程復(fù)

4、雜、計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)等缺點(diǎn),本文開發(fā)了基于可燃?xì)怏w著火極限理論的單顆粒煤粉非穩(wěn)態(tài)均相著火簡(jiǎn)化模型,并采用全耦合瞬態(tài)模型對(duì)簡(jiǎn)化模型的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)三種煤的計(jì)算結(jié)果表明,簡(jiǎn)化模型理論假設(shè)合理、計(jì)算精度較高、計(jì)算過程簡(jiǎn)單、計(jì)算時(shí)間很短,可以滿足工業(yè)應(yīng)用?；谏鲜龊?jiǎn)化的均相著火理論,本文開發(fā)了適合工程應(yīng)用的煤粉氣流均相著火模型。上述關(guān)于模型的工作解決了煤粉燃燒領(lǐng)域中以前一直未能很好解決的一個(gè)基礎(chǔ)理論問題,研究成果具有學(xué)術(shù)理論和實(shí)際應(yīng)用的雙

5、重意義。最終,本文結(jié)合關(guān)于炭粒的熱力著火模型,開發(fā)了再燃條件下煤粉氣流發(fā)生著火時(shí)的臨界條件的預(yù)報(bào)方法。
　　 本文設(shè)計(jì)建立了煤粉再燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)煤粉脫硝效率、煙氣中主要?dú)怏w含量和部分殘焦隨再燃區(qū)過量空氣系數(shù)及停留時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)再燃區(qū)爐膛圖像進(jìn)行了在線采集,并采用上面開發(fā)的方法預(yù)報(bào)了再燃煤粉的著火狀態(tài)。從理論上說明了煤粉再燃脫硝與煤粉著火過程相互作用的內(nèi)在本質(zhì),闡述了再燃區(qū)各運(yùn)行參數(shù)影響脫硝時(shí)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

6、　　 再燃溫度較低時(shí),煤粉脫硝效率及煙氣中H2、CO含量曲線隨再燃區(qū)過量空氣系數(shù)增大均呈現(xiàn)不規(guī)則“M”型的變化規(guī)律,煤粉著火狀態(tài)對(duì)脫硝效率有關(guān)鍵影響。當(dāng)煤粉尚未著火時(shí),少量氧氣的存在有利于煤粉的同相脫硝反應(yīng),此時(shí)煤粉在再燃區(qū)的最佳停留時(shí)間與煙氣中碳?xì)浠衔锏南乃俾视嘘P(guān)。但當(dāng)過量空氣系數(shù)較高以致引起煤粉發(fā)生均相著火時(shí),碳?xì)浠衔锛捌渲虚g產(chǎn)物被氧化反應(yīng)大量消耗掉,脫硝效率明顯降低,煤粉在再燃區(qū)的最佳停留時(shí)間與煤粉著火時(shí)間基本吻合。當(dāng)再燃

7、區(qū)過量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大時(shí),揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量加熱并引燃煤焦,此時(shí)煤粉著火方式為聯(lián)合著火,顆粒大幅升溫,殘留揮發(fā)分釋放及表面氧化反應(yīng)速率快速上升,有利于煤焦表面CO和自由活性點(diǎn)的生成。NO的異相還原反應(yīng)速率隨顆粒溫度升高也會(huì)快速上升,此時(shí)異相還原反應(yīng)開始占優(yōu),總體脫硝效率上升,在實(shí)驗(yàn)研究的停留時(shí)間范圍內(nèi)脫硝效率持續(xù)上升,此時(shí)最佳停留時(shí)間的確定應(yīng)與煤粉燃盡一起來考慮。太高的過量空氣系數(shù)會(huì)導(dǎo)致煤焦燃燒開始受到擴(kuò)散控制,火焰離開顆粒表面外移

8、,氧氣難以到達(dá)顆粒表面,不利于煤焦升溫和表面自由活性點(diǎn)的生成,異相脫硝作用開始減弱,總體脫硝效率再次下降。較高再燃溫度下煤焦顆粒升溫對(duì)異相脫硝的促進(jìn)作用不如低溫工況明顯。再燃溫度固定時(shí)較粗煤粉發(fā)生均相著火及聯(lián)合著火時(shí)的臨界過量空氣系數(shù)下降,導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)的過量空氣系數(shù)亦有所降低。
　　 針對(duì)上述研究結(jié)論,本文認(rèn)為,在實(shí)際鍋爐的大多數(shù)再燃工況下,由于煤粉的均相著火,揮發(fā)分對(duì)NOx的均相還原效用并沒有得到充分的發(fā)揮。在煤粉再燃初

9、期,應(yīng)盡量避免發(fā)生著火,以使煤粉熱解釋放出的揮發(fā)分能夠主要用于對(duì)NOx的同相還原反應(yīng),而不是被燃燒反應(yīng)消耗掉:在再燃過程后期,應(yīng)該使煤焦剛好發(fā)生著火,從而促進(jìn)顆粒升溫和異相還原反應(yīng)的進(jìn)行。
　　 本文最終提出了理想的再燃方案:極少量空氣或部分來源于尾部煙道的煙氣攜帶再燃煤粉進(jìn)入再燃區(qū)起始段,該區(qū)段過量空氣系數(shù)很低,從而避免煤粉發(fā)生著火,確保同相還原反應(yīng)效果占優(yōu)并最大化。在再燃區(qū)第二段,注入少量空氣,確保起始段形成的煤焦剛好發(fā)生非