煤粉锅炉低NOx燃烧数值模拟及生物质气化再燃的研究

上海交通大学硕士学位论文煤粉锅炉低NOx燃烧数值模拟及生物质气化再燃的研究姓名：林鹏云申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：罗永浩;吴国江20060218上海交通大学硕士学位论文I煤粉锅炉低NOx燃烧数值模拟及生物质气化再燃的研究摘要近年来，我国能源需求超常规增长、电力短缺、石油进口依赖度不断增加，能源问题已经成为制约我国经济发展的重要因素之一。当前，我国的能源结构以煤为主，并且在相当长的一段时间内将继续维持现状。煤炭的大量燃烧使用伴随产生了大量包括硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、烟尘在内的大气污染物，对环境带来了严重的污染，直接危害人类的身体健康，已经引起广泛的关注。NOx是其中一种有毒有害的污染物，因此研究新的降低NOx排放的技术具有重要的意义。本文首先从分析燃烧过程中NOx的生成机理着手，介绍了NOx生成的主要途径，包括热力型、燃料型和快速型三种。从理论上阐述了分段燃烧降低煤粉锅炉NOx排放的原理，并且对目前国内主要研究机构和大学在煤粉锅炉燃烧数值计算方面的研究现状进行了介绍，根据文献资料和计算经验选择不同的数值计算燃烧模型，对煤粉锅炉NOx的生成量进行数值计算。本文对用到的数值计算模型进行了介绍，包括Realizableκ-ε双方程湍流流动模型、模拟气相湍流燃烧的混合分数/概率密度函数模型、颗粒相离散模型、模拟煤粉挥发份上海交通大学硕士学位论文II析出的单步反应模型以及模拟NOx生成的化学动力学模型，基本阐述了本文所用到的煤粉燃烧的数值模拟过程。然后，文章以某电厂的分段燃烧低NOx系统的改造项目为背景进行了数值计算，并与现场的测量数据进行了对比。分段燃烧的计算结果能够全面反映大型煤粉锅炉炉内煤粉燃烧时的气相速度分布、温度分布、氧浓度分布以及NOx的分布情况。通过对比原始工况和空气分段改造后的工况所得到的计算结果，可以看到空气分段燃烧可以有效降低NOx的排放浓度，是一种有效的低NOx燃烧方式。最后，本文还对生物质气化再燃降低NOx的技术进行了研究。介绍了目前国内外生物质能源的利用现状及各种主要生物质能利用技术，作为目前世界能源领域的研究热点之一，生物质能的利用应该引起国内能源界的足够重视，并以多功能NOx实验台架为计算背景，在对比天然气再燃工况下数值计算和实验结果的基础上，模拟实验台架上生物质气化再燃对NOx排放的影响，得出生物质气化再燃也是一种有效降低NOx排放的技术，加之生物质能是一种资源丰富、无污染的新能源，其利用方式值得进一步深入研究。关键词：煤粉燃烧、低NOx排放、数值模拟、生物质能、再燃上海交通大学硕士学位论文IIINUMERICALSIMULATIONONNOxEMISSIONSOFCOAL-FIREDBOILERSANDBIOMASSGASIFICATIONREBURNINGPROCESSABSTRACTIncreasingenergydemand,electricitydeficiencyandincreasingdependenceonoilimportationareamongthemainenergyproblemsthatChinaisfacingtoday.Energyproblemisbecomingmoreandmoreimportant.EnergystructureinChinamainlydependsoncoalandwillprobablynotbechangedinthenearfuture.ExtensiveuseofcoalcausesabundantairpollutantsincludingSOx,NOxanddust,whichdogreatharmtotheenvironmentandpeople’shealth.NOxisoneoftheharmfulpollutants.Thus,researchofnewtechnologytodecreaseNOxemissionsisofgreatimportance.TheprinciplesofNOxformationincludingthermalNOx,fuelNOxandpromptNOxandtheprincipleofairstagingareintroduced.Domesticresearchesonnumericalsimulationofcoal-firedboilersarelistedandintroduced.Accordingtothepapersandsimulationexperiences,differentnumericalsimulationcombustionmodelsarechosenandmodelsusedinthepaperareespeciallyintroduced,includingrealizableκ-εmodel,mixturefraction/PDFmodel,discretephasemodel,singleratemodeland上海交通大学硕士学位论文IVdynamicmodelofNOxformation.Accordingtothereconstructionprojectofoneelectricitygenerationplant,thepapercompletedthesimulationoftheflow,combustionandheattransferinpulverizedcoalfurnaceandtheresultsofsimulationiscontrastedtothetestresults.Thesimulationresultscangenerallyreflectthevelocity,temperature,O2andNOxdistribution.Aftercomparingthesimulationresultsoforiginalconditionswithairstagingconditions,itisprovedthatairstagingisaneffectivetechnologytoreduceNOxemissionofcoal-firedboilers.Atlast,someresearchesaboutbiomassgasificationreburningtechnologyarealsointroduced.Differentbiomassenergyutilizationtechnologiesareintroducedandbiomassgasificationtechnologyisespeciallyintroduced.Accordingtothenaturalgasreburningexperimentresultsonthemulti-functionallow-NOxcombustiontest-rig,numericalsimulationofreburningisadjusted.Thenonthebasisofnaturalgasreburningsimulation,biomassgasificationreburningissimulated.TheresultalsoshowsthatbiomassgasificationreburningisakindofeffectivetechnologytoreduceNOxemissionanditisworthfurtherresearching.KEYWORDS:Coalcombustion,Low-NOxemissions,Numericalsimulation,Biomassenergy,Reburning上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：林鹏云日期：2006年2月16日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：林鹏云指导教师签名：罗永浩吴国江日期：2006年2月16日日期：2006年2月16日√上海交通大学硕士学位论文1第一章绪论1.1引言近年来，我国能源需求超常规增长、电力短缺、石油进口依赖度不断增加，能源问题已经成为制约我国经济发展的重要因素之一。我国能源结构以煤为主，2003年煤炭在一次能源消费结构中所占的比例达67.1%，虽然与2000年的66.1%相比增长幅度不大，但远远大于2003年的世界平均水平26.5%，自1995年以来，我国发电机组中火电在总装机容量所占比重维持在75%左右，在发电量中的所占比重约为81%[1]。由于我国的煤炭资源与其它种类的能源相比，相对较为丰富，而国家目前又正处于经济高速发展的时期，能源需求持续增长，所以可以预见在未来相当长的一段时间内这种以煤为主的能源结构不会有太大的变化。绝大多数的煤炭利用形式就是直接燃烧，但是煤炭的大量燃烧使用伴随产生了大量包括硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、烟尘在内的大气污染物，给环境带来了严重的污染，直接危害人类的身体健康，已经引起广泛的关注。通过各种科学研究，SOx、NOx、烟尘等各种污染物都已经有了相应的控制和减排技术，有的技术已经商业化并广泛推广使用。本文主要讨论的是关于氮氧化物污染物的控制技术。氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，种类很多常见的有包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氧化二氮(N2O)等，NOx是其总代表式。NO是无色气体，毒性不太大，但进入大气后，会被氧化成NO2；NO2是一种红棕色的、具有恶臭刺激的气体，其毒性约为NO的5倍，NO2会参与大气中的光化学反应，形成光化学烟雾，其毒性更大，直接危害人体健康；N2O还是一种温室气体，会破坏臭氧层。近年来，我国开始对于NOx污染物所产生的危害逐渐引起重视，《排污费征收使用管理条例》规定从2004年7月1日起开始对NOx实行零排放收费，以减少对环境的破坏，氮氧化物按每一污染当量0.6元收费，氮氧化物当量值为0.953kg，折算后每排放1kg的NOx收费约0.63元。北京制定了更严格的地方标准，到2005年11月1日起，对容量大于45.5MW的燃煤在用机组，NOx排放标准为250mg/Nm3[2]，上海目前也正在制订相关的地方标准。因此，降低燃煤锅炉NOx排放技术的研究是当前防止大气污染的一项重要内容。上海交通大学硕士学位论文2控制NOx污染物排放的技术措施主要可以分为两大类：一类是一次措施，即通过各种技术手段，控制燃烧过程中NOx的生成量；另一类是二次措施，即将已经生成的NOx通过各种手段从烟气中脱除掉，从而降低NOx的排放量。目前比较成熟的一次措施包括空气分段燃烧技术、低NOx燃烧器技术、燃料分级燃烧技术等，二次措施包括选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）等。燃料分级燃烧技术又称再燃技术，属于一次措施，常见的用于燃料分级技术的再燃燃料包括天然气、石油气等各种易燃的烃类气体，但是天然气的使用往往受到其价格和供应量的限制，当前天然气价格不断上涨且供应量得不到保障，要想大规模地在燃煤电厂应用天然气再燃技术降低NOx污染物的排放量，就目前的实际情况而言有一定的难度。考虑到生物质气化后的气体成分主要也是还原性气体，如果利用生物质气化后的产物对燃煤锅炉应用再燃技术也能取得很好的N