超细煤粉再燃机理及改造方案的数值模拟研究

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭在一次能源结构中的主导地 位,决定了电力生产中以煤电为主的格局。燃煤过程中释放出各种污染物,其中 氮氧化物（NOx）是造成环境污染的主要物质之一。本论文结合国家863课题“超 细煤粉再燃降低氮氧化物排放”,针对我国大量采用中间储仓式热风送粉系统的 四角切圆燃烧锅炉,采用试验、反应动力学模型计算、数值模拟和现场试验相结 合的方法,研究超细煤粉再燃机理,设计出适合我国国情具有自主知识产权的细 粉再燃技术改造方案。 本课题再燃燃料为大同烟煤,在再燃条件下,其煤焦对NOx的异相还原效 率很小,挥发份对NOx的均相还原对整个再燃效率具有决定性的影响。本论文 利用完备的基元反应模型研究挥发份及其主要碳氢成分对NO的再燃特性,考察 烟气中的CO和挥发份中的含氮组分（HCN和NH3）对还原效率的影响。对挥 发份中主要碳氢组分和NO的还原反应系统进行敏感性分析,得到与NO生成和 消减密切相关的基元反应,分析这些提炼出的基元反应并整理归纳成两种反应类 型:碳氢物质转化反应和含氮物质转化反应。以“树”图的形式显示这些反应的 内在联系,清晰地揭示了挥发份还原NO的本质特征。 超细煤粉再燃技术实施的前提是有足够的细粉作为再燃燃料。通常三次风中 携带有一定量的超细煤粉,但是含粉量较低（10～15%）,不能满足再燃燃料量 的要求。本论文创行性地提出了直接从细粉分离器底部抽气以获取细粉的方案并 在大型多相流试验台上进行了试验。虽然抽风量足够大时可获得足够量的煤粉, 但是通过粒度分析却发现抽取的煤粉粒径过于粗大。为此,对下抽气方案的设计 方案进行了改进,开发了圆形撞击式分离设备,放置于细粉分离器底部圆锥筒内 对煤粉进行二次分离。改进后,抽取的煤粉完全能满足再燃煤粉“量”和“粒度” 的要求,巧妙解决了再燃技术中细粉的来源和收集问题。 网格是数值计算的基础。本论文针对四角切圆燃烧锅炉横界面,利用网格处 理器（Gambit）生成三种典型的非结构网格体系,一种三角形网格和两种四边形 网格。这两种四边形网格,一是网格线与炉壁平行的Map网格,一是以四个燃 烧器喷口为中心呈辐射状的Paving网格。定量比较了三种网格的网格点数量, 网格单元的正交性和光滑性。编程计算了四角切向流动气流进入Map和Paving 网格时,射流轨迹所经历的每个网格点上的网格大小,网格线与气流速度方向夹 角以及伪扩散大小。翔实的计算结果表明:Paving网格能有效抑制气流在燃烧 器出口附近的伪扩散,保证了四角切圆流动模拟计算的收敛性,适合求解四角切 圆流动问题。