（工程热物理专业论文）电厂天然气锅炉富氧燃烧特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 我国火力发电厂主要以燃烧化石燃料为主，是最主要的温室气体排放源，在 电厂锅炉中应用富氧燃烧技术可以有效减少温室气体的排放。近年来我国电厂天 然气锅炉的数量有所增加，而目前针对电厂天然气锅炉的富氧燃烧特性方面的研 究较少。本文选取某电厂3 2 5 m w 天然气锅炉为研究对象，应用试验和数值方法研 究天然气的富氧燃烧特性。 对天然气在0 2 n 2 气氛下的富氧燃烧特性进行试验研究。结果表明当氧气浓度 由2 1 上升至3 0 时，火焰整体温度升高，高温区分布更加集中，当氧气浓度大 于2 7 时，温度上升趋势减缓。针对所选电厂天然气锅炉炉内燃烧过程建立数学 模型，并应用此数学模型对所搭建试验台进行模拟计算，验证所建数学模型的准 确性。 对传统燃烧方式下和应用富氧燃烧技术( o 以：0 2 燃烧技术) 时电厂天然气锅 炉内的燃烧特性进行数值模拟研究。结果表明当氧气浓度为2 5 时，炉膛内的温 度分布和烟气辐射特性与传统燃烧方式下最接近。当氧气浓度由2 1 上升到4 0 时，炉膛出口烟气速度降低4 1 ，炉膛内烟气温度得到较大幅度的提高，燃烧器 所在截面温度上升3 0 0 k 以上，火焰充满度变差，燃料燃尽率小幅减小，烟气辐射 力增强，炉膛壁面辐射热负荷增加2 6 。 对富氧燃烧方式下电厂天然气锅炉配风方式对炉内燃烧特性的影响进行数值 模拟研究。结果表明，采用氧气均匀送入的送风方式与采用氧气由二次风和分级 风送入的送风方式相比，炉膛内烟气温度略高，0 2 体积分数的分布梯度大，辐射 换热量减小1 。一次风率由1 5 减小到1 0 时，烟气回流作用增强，炉膛内温度 增大4 0 k 以上，火焰充满度较好，壁面所受辐射热负荷均匀性提高。二次风率由 5 9 减小到5 4 时，烟气回流区域增大，烟气回流速度减小1 3 以上，燃烧器所在 截面平均温度小幅下降，壁面辐射换热量提高1 。对比各工况得知，采用氧气均 匀送入，一二次风比例为1 0 和5 4 时炉膛内的燃烧情况较好，在理想条件下与传 统燃烧方式相比，仅从排烟热损失一项考虑，可使锅炉效率提高约4 8 。 本文的研究结果可以为电厂天然气锅炉应用富氧燃烧技术时锅炉结构的改 进、配风方式的设计提供重要依据和参考。 关键词：电厂锅炉；燃烧；天然气；富氧；数值模拟 分类号：t k l 6 a b s t r a c t i nc h i n a , t h em a i ns o u r c eo fg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sw a sf r o mt h e r m a lp o w e r p l a n t sb a s e do nb u m i n gf o s s i lf u e l s ，w h i c hc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c eg r e e n h o u s eg a s e m i s s i o n s ，b yu s i n go x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y i nr e c e n t y e a r s ，t h e n u m b e r so fg a sb o i l e r sw e r ei n c r e a s e da m o n gc h i n a sp o w e rp l a n t s ，a n dn l ec u n e n t r e s e a r c h e sf o rc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o x y g e n e n r i c h e di np o w e rp l a n t ，sg a s b o i l e r sw e r ef e w t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e da3 2 5 m w g a sp o w e rp l a n tb o i l e r , w h o s e c h a r a c t e r i s t i c so fg a so x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o nw e r es t u d i e sb yt h em e t h o d so f e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a sf o r o x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o nw e r es n l d i e si n t h e a t m o s p h e r eo fo 到r n 2 t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，w i t ht h e i n c r e a s i n go fo x y g e n c o n c e n t r a t i o nf r o m21 t o3 0 戗1 ef l a m et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d , t h ed i s t r i b u t i o no f h i g ht e m p e r a t u r ea r e aw a sm o r ec o n c e n t r a t e d w h e nt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s g r e a t e rt h a n2 7 ，t h er i s i n go ft e m p e r a t u r es l o w e dd o w n m a t h e m a t i c a lm o d e l so f c o m b u s t i o np r o c e s sw e r es e tu pf o rn a t u r a lg a sb o i l e r , a n dt h i sm o d e iw a s a p p l i e dt o s i m u l a t et h et e s tb e d , w h i c hw a sp r o v e dt ob ea c c u r a t e t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a sb o i l e ri np o w e r p l a n tw e r es t u d i e db v t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , b o t hb yt h et r a d i t i o n a l a p p r o a c ha n dt h e o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ( 0 2 c 0 2c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ) t h er e s u i t s s h o w e dt h a t , w h e nt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s2 5 ，t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n d f l u eg a sr a d i o a c t i v ep r o p e r t i e si nt h ef u r n a c ew e r ec l o s et ot h e 缸a d i t i o n a lc o m b l i s t i o n w h e nt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e df r o m2 1 t o4 0 ，t l l e 锄o u l 吐o fs m o k e d e c r e a s e db y4 1 ，t h et e m p e r a t u r eo ff u r n a c ef l u ew a sf o u n dt oh a v em o r es i g n i f i c a i ：吐 i m p r o v e m e n t , t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei nt h eb u r n e rs e c t i o ni n c r e a s e dm o r et h a n3 0 0 k , v o l u m ea c c o u n t so ft h ef l a m ei nf u r n a c eb e c a m ew o r s e ，t h eb u r n o u tr a t e s l i g h t l v d e c r e a s e d ，g a sr a d i a t i o ni n c r e a s e d , a n dh e a tf l u xo ft h er a d i a t i o nh e a t 仃a 1 1 s f b r 丘o mt i l e f u r n a c ew a l li n c r e a s e db y2 6 t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo x y g e n e n r i c h e df o rn a t u r eg a sw e r ee x a m i l 】e d b yn u m e r i c a lm e t h o d ，i nv a r i o u sa i rs u p p l y i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wm a t c o m p a r e dw i t ho x y g e nb l o w nb yt h es e c o n d a r ya i ra n dt h eg r a d e da i r , w h e no x y g e n b l o w nu n i f o r m l y , t h et e m p e r a t u r eo ff l u ew a ss l i g h t l y h i g h e r , t h ed i s t r i b u t i o no ft h e g r a d i e n t0 2c o n c e n t r m i o nc h a n g e dl a r g e r , r a d i a t i o nh e a td e c r e a s e db y1 w h e nt h e r a t eo fp r i m a r ya i rr e d u c e df r o m15 t o10 ，t h el e v e lo ft h e g a si e c i r e u l a t i o n v 北京交通人学硕士学位论文 e n h a n c e d , t h ef u r n a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e dm o r et h a n4 0 kv o l u m ea c c o u n t so ft h e f l a m ei nf u r n a c eb e c a m eb e r e r ，t h eu n i f o r m i t yo fr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rf r o mt h e f u r n a c ew a l lw a si m p r o v e d w h e nt h er a t eo ft h es e c o n d a r ya i rr e d u c e df r o m5 9 t o 5 4 ，t h er e g i o no ft h ef l u er e c i r c u l a t i o ne n l a r g e d ，t h ev e l o c i t yo ft h ef l u er e c i r c u l a t i o n d e c r e a s e db ym o r et h a n13 ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei nt h eb u r n e rs e c t i o ns l i g h t l y d e c r e a s e d , a n dt h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rf r o mt h ew a l lw a si n c r e a s e db y1 c o m p a r i s o no ft h er e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n , t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n f u r n a c ew a sb e t t e rw h e nt h eo x y g e ns u p p l y i n gw a su n i f o r m , w i lap r i m a r ya i rr a t eo f 10 a n das e c o n d a r ya i rr a t eo f5 4 t h e nt h eb o i l e re f f i c i e n c yc a l lb ei n c r e a s e db y a b o u t4 8 ，c o m p a r e d 丽t ht h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n , t h er e s u l t so ft 1 1 i ss t u d yc a np r o v i d ea ni m p o r t a n tb a s i sa n dr e f e r e n c ew i t i li m p r o v e n a t u r a lg a sb o i l e r s s t r u c t u r eu s i n go x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o nf o rt h ep o w e rp l a n ta n d t h ed e s i g no fa i rd i s t r i b u t i o nm e t h o d s k e y w o r d s ：p o w e r p l a n t sb o i l e r s ；c o m b u s t i o n ；n a t u r a lg a s ；o x y g e n - e n r i c h e d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n o ：t k l 6 致谢 本论文的工作是在导师杨飞副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、方 案论证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师 大量的心血。杨老师渊博丰厚的学识、理论联系实际的治学态度使作者终生受益。 在本次毕业设计中，杨老师对作者提出了殷切的期望和严格的要求，从杨老师身 上，作者不仅学到了丰富的专业知识，而且学会了严谨求实的做事态度。在此论 文收稿之际，谨向导师杨飞致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢陈梅倩教授。在论文的工作和写作期间，陈老师给予了作者热情的指导 和帮助。陈老师在作者研究生学习期间多次询问研究进程，并为作者指点迷津， 帮助作者开拓研究思路。作者在她身上也学到了许多做学问的态度与道理。在此， 向陈梅倩教授表示衷心的感谢! 在研究过程中，还得到了贾力教授对作者研究方案和实验方法的指导，在此 向贾力教授表示由衷的感谢! 在论文的完成过程中，感谢严林博对于作者数值模拟方面的指导和帮助，感 谢师兄王电和殷龙对作者试验方面的指导和帮助，感谢同学曾帅、王玉叶和张浔 以及师弟贾鹏程和李诗若的帮助和支持，感谢同宿舍的兄弟张寒冰为作者创造了 良好的工作环境。 最后，感谢我的父母和姐姐。他们多年来对我的教育、关心和支持，一直是 我战胜困难的精神支柱。 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 在我国，以煤为主要燃料的电厂锅炉，不仅造成了能源利用弊端，而且对环 境也造成了非常恶劣的影响。据有关报道，我国的大气环境以煤烟型污染为主。 我国的大气飘尘在世界各国中名列前茅，s 0 2 污染面积居亚洲各国之首，其中8 0 的烟尘，9 0 的s 0 2 ，7 1 的c o ，8 2 5 的c 0 2 和7 0 的n o x 是由燃煤造成 的【l 】。表1 1 即为各种燃料对大气环境污染程度排序，所列序号越大，表明污染程 度越严重心。 表1 1 燃料种类对大气环境污染程度排序 序号燃料序号燃料序号燃料 1 天然气 6 煤油 1 1 低挥发分烟煤 2 液化石油气 7 轻质燃料油 1 2 重油 3 发生炉煤气 8 无烟煤 1 3 高挥发分烟煤 4 焦炉煤气 9 焦炭 1 4 煤焦油 5 高炉煤气 1 0 褐煤 1 5 城市垃圾 而使用高效、清洁的天燃气锅炉可有效地解决这一问题。与煤粉相比，天然 气中的灰分，含硫量和含氮量都要低很多，燃烧产生的烟气中粉尘含量极少。而 且天然气锅炉的炉膛容积热强度较高，并且由于污染物较少，对流管束基本不会 有腐蚀和结渣现象，使得传热效果增强。烟气中的大量三原子气体( - - 氧化碳， 水蒸汽等) 的辐射能力较强，排烟温度相对较低，使其热效率明显提高 3 1 。因此， 电厂应用天然气锅炉既可以大幅减少污染物的排放量，又可以提高能量利用率。 在我国，以燃烧化石燃料为主的电力生产过程排放的c 0 2 量超过c 0 2 排放总 量的3 0 ，成为最大的c 0 2 排放源，而由于多方面因素的影响，化石燃料在能源 结构中的主导地位将会维持相当长的时间，因此，控制和减缓电力生产过程中c 0 2 的排放对于减少温室气体的排放具有重要的理论和现实意义。目前国内专家对于 电厂c 0 2 的排放和控制方面的研究主要集中在以下两个方面：1 提高发电效率，例 如采用先进的燃煤发电技术，调整机组运行结构，提高锅炉热效率，增大机组容 量等。2 采用c 0 2 的分离回收和固定利用等技术，例如采用富氧燃烧技术和捕集 c 0 2 将其注入地下盐水深层中或油井中提高石油采收率等 4 1 。其中前者主要侧重于 预防和减少c 0 2 的生成，在某种程度上存在一定的局限性，后者是从根本上实现 c 0 2 的零排放，因此捕集存储和利用c 0 2 是短期内减缓c 0 2 排放量较为可行的措 北京交通大学硕士学位论文 施。采用富氧燃烧技术，即0 2 c 0 2 燃烧技术，就可以使燃烧后产生的烟气中c 0 2 含量达到9 5 以上，可以直接将烟气液化回收处理。富氧燃烧技术不仅能使分离 和收集c 0 2 容易进行，还能大幅减少n o x 的排放量，并且随着助燃气体中氧气浓 度的增加，可以提高锅炉效率，是一种能够综合控制污染物排放的新型洁净节能 燃烧技术。 将富氧燃烧技术应用在电厂的天然气锅炉上，能够综合天然气锅炉和富氧燃 烧技术两者的优点，有可能取得良好的效果。目前对于富氧燃烧方面的研究多集 中于煤粉炉领域，天然气锅炉的富氧燃烧研究较少且大多集中在工业炉方面，对 于电厂天然气锅炉的富氧燃烧方面的研究非常少。近年来我国电厂天然气锅炉在 电厂锅炉中的比例呈现上升趋势，特别是北京等城市正在进行大范围的“煤改气” 项目，纵观目前的形势以及基于富氧燃烧所能带来的优点，对于天然气锅炉富氧 燃烧特性方面的研究就显得越来越重要。 天然气在锅炉炉内的燃烧是一个非常复杂的物理化学过程，包含湍流流动、 传热传质及湍流燃烧等。由于过程的复杂性以及锅炉燃料的多样性，迄今为止， 对锅炉的设计和运行缺乏成熟的理论和经验，往往需要冷态及热态试验来确定运 行和设计参数。而这类试验周期长，耗资巨大，且很难得到全面、满意的数据。 因此以c f d 为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域的研究者们用来研究锅 炉炉内过程的重要手段。而且在富氧条件下，随着氧气浓度的增加，炉内的流动， 传热及燃烧方式都会发生较大变化，传统燃烧方式下不参加反映的n 2 被替换成 c 0 2 气体，这就使得炉膛内的三原子气体分子比重增大，辐射和传热特性都会发生 改变。所以运用基本的燃烧理论，借助计算机数值模拟的方法，对天然气锅炉运 用富氧燃烧技术条件下的炉内湍流流动，传热及燃烧状况等进行研究是很有必要 的。 1 2 电厂富氧燃烧技术简介及研究现状 1 2 1 富氧燃烧技术简介 电厂锅炉的燃烧过程通常是用空气来提供化学反应所需要的氧，空气中含有 的7 9 的氮气基本不参加反应，空气中的氧不断与碳或碳氧化物反应生成c 0 2 。 由于大量氮的存在，烟气中的c 0 2 含量不可能高。因此从烟气中收集和回收利用 c 0 2 就十分困难，只有当c 0 2 浓度很高时，才可能进行有效的处理和利用，如： 用纯c 0 2 制成干冰就是一种十分成熟的技术。组织燃料在氧气和二氧化碳混合气 体中燃烧的所谓富氧燃烧方式就是在这一背景下提出来的。 2 绪论 富氧燃烧技术( 又称为o z c 0 2 燃烧技术，或空气分离烟气再循环技术) 就是 采用烟气再循环的方式，用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉烟气构成的混合气 代替空气作为燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排烟中的c 0 2 浓度，是由h o m e 和 s t e i n b u r g 于1 9 8 1 年提出的【5 1 。其原理图如图1 1 所示。 0 3 2 回收 图1 - 1 富氧燃烧原理图 这种技术用燃烧中所生成的c 0 2 代替空气中的氮气，循环使用，再加入纯氧 作为助燃介质，这样就能使排烟中c 0 2 浓度大为提高( 可达9 5 以上) ，对烟气 再采用压缩、冷凝、膨胀的方法使c 0 2 气体固化，制成干冰，而后进行存放或加 以利用，以此消除燃烧过程中所产生的c 0 2 向大气的排放。 使用富氧燃烧技术也会带来锅炉效率的提高。由于氧气比例提高以及部分烟 气用于循环，应用富氧燃烧燃烧也使得锅炉的排烟量大为减少( 仅为传统方式的 1 ，5 ) ，从而大大减少排烟热损失，而烟气中三原子气体( c 0 2 ) 的增加也会使烟 气的辐射特性增强，又由于c 0 2 的热容比n 2 大，对流换热系数也有可能相应提高， 进而提高总的传热系数，由此可以适当缩小辐射及对流换热设备的换热面积，有 效减少锅炉建造的初投资。对c 0 2 0 2 燃煤方式的经济性分析表明，无论是将c 0 2 液化还是c 0 2 回收处理，发电设备的初投资费用和运行费用都会大幅度的降低。 1 2 2 国外富氧燃烧技术的研究现状 1 9 8 1 年h o m e 和s t e i n b u r g 提出富氧燃烧系统之后，这项技术在2 0 世纪8 0 年 代被看作是一种经济的生产较纯净的c 0 2 气体的方法，并且运用此气体对石油进 行开采。早期的实验与模型研究更注重的是此系统过程的可行性与建立一些重要 的设计参考依据。进入2 0 世纪9 0 年代以来，出于对减少温室气体排放量的考虑， 人们对这项技术的兴趣不断增强，但大多集中在煤粉燃烧方面，天然气富氧燃烧 方面的研究相对较少。 天然气富氧燃烧方面的研究主要集中0 2 n 2 气氛下的燃烧方面。q i ua n d h a y d e n 等人发现当氧气浓度增加到2 8 时，能节省2 2 的燃气【6 1 ，且富氧条件下 能产生强劲的火焰。甲烷燃烧条件下当氧气浓度增加到1 0 0 时，熄火拉伸率 3 北京交通大学硕士学位论文 ( e x t i n c t i o ns t r a i nr a t e ) 增加两倍以上【7 j 。k u o k u a n gw u 等人发现传热试验中传热 效率增加了5 3 6 ，在炉膛温度固定的条件下燃料消耗量减少2 6 1 。较高的氧气 浓度可以获得较高的火焰温度。随着氧气浓度的增加，n o x 的排放量也随之增加。 烟气中二氧化碳的含量也随氧气浓度直线增加。此外，随着氧气浓度的增加，温 度分布逐步变得不均匀，这是因为对流换热系数发生了改变【8 1 。 在煤粉的富氧研究方面，国外学者主要从煤粉的燃烧特性，污染物排放特性， 燃烧器的改进及经济性分析四个方面展开研究： ( 1 ) 富氧条件下煤粉的燃烧特性方面。关于煤粉在富氧条件下的燃烧特性方面 的研究成果主要始于上世纪九十年代后期。1 9 9 7 年k o k a z a k i 和d y o s s e f i 等发现， 0 2 c 0 2 气氛中煤燃烧的火焰传播速度比相同氧含量的0 2 n 2 气氛中有明显的下降， 且随气氛中氧含量的增大而提高，并且认为这主要是由于c 0 2 的高比热性所致 【9 l o j 。之后k e r n l e d y 等人也得出了类似的结论，他们主要研究了氧浓度对过滤燃 烧波的影响。在当量比和氧浓度在0 1 2 和1 0 3 0 之间变化时，燃烧温度的峰值 随着氧浓度的增加而减少，而绝对火焰传播速度随之增加【1 1 】。其后m o l i n a 和 s h a d d i x 等人针对富氧条件下的煤粉点火时间进行了研究。发现无论是0 2 j c 0 2 燃 烧还是0 2 n 2 燃烧，氧气浓度越高，点火时间越短。在相同的氧气浓度下，0 2 c 0 2 要比0 2 n 2 点火时间长【l2 j ；也有学者对煤粉颗粒的燃烧温度和燃尽时间比较关注， m u r p h ya n ds h a d d i x 对煤粉燃烧进行了的研究，得出结论是，当氧气浓度由6 上 升到3 6 ，燃烧时气体的温度从1 3 2 0 k 上升到1 8 0 0 k 1 3 】。之后在此基础上，b e j a r a n o 和l e v e n d i s 观察了空气富氧条件下落管炉的煤粉燃烧特性。发现当送风温度稳定 在1 3 0 0 1 5 0 0 k ，氧气组分从5 0 变化到1 0 0 时，煤粉颗粒的表面温度由平均 1 6 0 0 1 8 0 0 k 上升到2 1 0 0 - 2 3 0 0 k 。此外，煤粉颗粒在空气中燃烧时，颗粒燃烧持续 时间为2 4 4 5 m s ，当氧气浓度由5 0 变化到1 0 0 时，颗粒燃烧持续时间由8 1 7 m s 减少到6 。1 3 m s 1 4 1 。 ( 2 ) 富氧条件下煤粉燃烧烟气污染物排放特性方面。此方面的研究成果主要集 中在2 0 0 0 年之后，在2 0 0 2 年k e n n e d y 等人发现当氧气浓度小于2 5 时，c o 排放 随着氧浓度的增加而减少。当氧浓度大于2 5 时，当量比接近1 0 ，反应区域比孔 隙特性直径小，氧气浓度增加时，c o 排放量不再随之减少【l 。t a n 等人对应用富 氧燃烧时氮氧化物的排放特性进行了研究。他们运用了底部垂直燃烧器研究了富 氧条件下的空气燃烧和o 犯0 2 燃烧。并得出结论，在空气富氧条件下，氮氧化物 的生成量很高是因为较高的炉膛温度和高氧气浓度。而在0 2 c o z 燃烧条件下，因 为氮气的缺乏，氮氧化物的生成被有效的抑制 1 5 l 。类似的，p o i r i e r 等人利用低氮 氧化物燃烧器研究了氧气浓度对于燃料消耗与烟气排放的影响。得出的实验结果 表明，当炉温稳定在11 0 0 0 c 时，氧气浓度的增加量和燃料消耗的减少量呈线性关 4 绪论 系。氧气浓度低于6 0 时，氮氧化物的生成量基本上为定值，烟气中氧浓度也基 本维持在同一水平。然而在所有富氧水平下，氮氧化物的排放量随着烟气中氧浓 度的增加而增加【1 6 】。在硫化物排放特性方面，c z a k i e r t 等人运用循环流化床燃烧室 进行了空气富氧燃烧实验。燃料为褐煤，氧气浓度分别为2 1 、4 0 、6 0 。实验 结果显示，当氧气浓度增大时碳的燃尽率也随之增高。此外，在富氧条件下有利 于减少硫化物的生成1 1 7 1 。 ( 3 ) 富氧条件下燃烧器的改进方面。早在上世纪8 0 年代末期，d a l t o na n d t y n d a l la n dj o s h i l 等人采用了传统的空气燃料燃烧器进行了富氧燃烧试验。他们发 现当氧气含量处于2 8 以下时，传统燃烧器不用改装也能进行富氧燃烧【1 8 , 1 9 】。 ( 4 ) 富氧燃烧经济性方面。随着富氧燃烧技术的日趋成熟，很多学者开始关注 富氧燃烧的经济性，h u a n g 等人分析了烟气温度为9 2 0 0 c 的传统加热炉改用富氧 燃烧的经济可行性。如果运用膜法制备3 0 浓度的氧气，回收投资需要5 7 5 年的 时间 2 0 1 。 随着全球气候形势越来越严峻，考虑到富氧燃烧可以使电厂的c 0 2 气体零排 放成为可能，一些发达国家开始积极促进针对此项技术的研究。美国能源部资助 的阿拉贡实验室( a n l ) 进行了0 2 c 0 2 燃烧技术三个工业性试验，主要研究了了 空气燃烧和0 2 c 0 2 燃烧的传递行为的相似性，相对于空气燃烧，0 2 c 0 2 气氛对锅 炉和空间传热系统无明显影响，并获得了较高的燃烧效率，证明只需将传统锅炉 进行适当改造就可以采用此项技术【2 m 5 1 。同时，加拿大政府的能源技术研究中心 ( c a n m e t c e t c ) 1 2 6 j ，日本的石川岛播磨公司( i h i ) 也都开展了半工业及示范性研究 瞄】。德国的阿尔斯通公司目前已建立了世界首个无碳排放富氧燃烧的示范电厂， 并计划将相关技术市场化。 1 2 3 国内富氧燃烧技术的研究现状 我国的富氧燃烧技术相关研究起步较晚，但近几年发展也较为迅速，华中科 技大学，浙江大学，华北电力大学等高校近年来相继开展相关研究，内容主要集 中在煤粉燃烧技术中s o x 和n o x 的排放特性，循环流化床富氧燃烧技术，以及煤 粉的燃烧与气化等几个方面。 华中科技大学的邹维祥等进行了四种不同煤粉的富氧燃烧热重实验，分析了 燃烧条件对热重实验的影响。实验通过改变煤粉粒径，升温速率，氧分压，气体 成分等实验条件，观察了0 2 c 0 2 气氛下煤粉的燃烧特性发现：随着升温速率的增 大，0 2 c 0 2 气氛下热滞性比空气气氛下要大；煤粉粒度细化对燃烧有一定的促进， 但影响远没有氧分压对燃烧的影响大；随着氧分压的提高，着火和燃尽均提前， 5 北京交通大学硕士学位论文 燃烧时间缩短；c 0 2 的存在对煤种的燃烧影响并不是很明显，且因煤种不同而影响 各异。实验用滴管炉进行制焦，以便达到快速热解，使制得的焦样尽量贴近煤粉 在锅炉中的实际燃烧状况。并制得了两种热解终温下的焦样，然后将制得的焦样 进行了0 2 c 0 2 气氛下不同氧浓度情况下的热重实验，从而发现：随着氧分压的提 高，着火和燃尽均提前，但改变幅度有所不同；c 0 2 的存在没有对煤焦的动力学构 成显出影响；低温下热解制得的焦样0 2 反应活性较大【2 。浙江大学的刘靖昀等人 针对富氧条件下煤粉的燃烧特性进行了试验研究，发现不同煤的着火温度指数都 是随氧气浓度增加而下降，氧浓度的变化无论对煤粉气流还是对静态煤粉层的燃 烧速度都有很大的影响，影响的大小主要取决于煤种和布置形态，燃烧速度提高 以后，对应的燃尽率也必然提高【2 9 j 。毛玉如对循环流化床富氧燃烧技术进行了实 验和理论研究，发现对于同一种煤焦在不同0 2 c 0 2 气氛下，随着气氛中氧浓度的 增加，其着火点逐渐提前，燃烧时间缩短。而且在锅炉带同样负荷的情况下，提 高送风氧含量后，对流换热减小，辐射换热亦减小，传热系数受炉膛温度、气体 速度、颗粒流率、循环倍率等的综合影响1 4 j 。 1 3 电厂锅炉燃烧数值模拟技术研究现状 电站锅炉内的燃烧是一个复杂的物理、化学过程，实际的燃烧过程涉及到多 相流动、传热、传质和燃烧等诸多相关学科以及各个学科之间的相互联系。借助 这些学科和计算机科学的发展，目前为止采用计算机的数值模拟技术研究炉膛内 的燃烧过程已经成为能源领域研究者普遍采用的研究手段。 电厂锅炉炉内燃烧过程的全模拟发展过程按照时间顺序大致分为3 个发展阶 段：1 模型的基础理论发展阶段。这一阶段的代表成果有g r o w 提出的气固两相流模 型是，g i b s o n 提出的化学动力学模型和s p a l d i n g 提出的湍流燃烧模型。2 数值模 拟的部分尝试阶段。此时一些学者开始尝试进行大型煤粉炉内的模拟研究，从而 进一步完善了计算模型和模拟方法。英国的a b b a s 和l o c k w o o d 在1 9 8 6 年对炉膛 内的侧墙喷燃式燃烧和四角切向燃烧进行了气相燃烧模拟，其中传热模型采用的 是离散传播模型。b o y d 和k e n t 对5 0 0 m w 的四角切圆锅炉进行了燃烧模拟计算， 采用了轨道法及双反应热解模型，离散传播法的辐射传热模型和扩散动力焦炭燃 烧模型，并与实测的温度作了比较，模拟结果与实测温度基本相符和。3 炉内燃烧 的全过程模拟阶段。在此阶段，炉内的三维流动燃烧拟技术开始走向成熟，各种 不断完善的模型被广泛应用于炉内燃烧和传热过程的全三维模拟，计算结果与大 型冷态实验结果和实测数据也有了一定的可比性。自此，电厂锅炉燃烧过程的模 拟开始转向关于炉内燃烧、污染物的排放、结渣及碳黑生成等更具有实际应用价 6 绪论 值的模拟 2 9 1 。近年来，德国、英国、美国及中国等国的学者相继发展了锅炉炉膛 煤粉气流燃烧过程数值计算的研究工作，并已经推出了这方面的商业软件，其中 最具代表性的软件有f l u e n t ，p h o e n i c s ，s t a r - c d 和c f x 等。 随着我国电力工业的不断发展和科研水平的不断提高，尤其是不同燃烧方式 锅炉和大容量机组在国内电厂的广泛应用，极大推动了三维锅炉燃烧过程的数值 模技术的发展。清华大学热能工程系对四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的两相流动和 燃烧过程进行了数值模拟，模拟结果给出了冷态和热态流场分布、温度分布、组 分浓度分布和颗粒在炉内的运动轨道。华北电力大学李永华等对8 0 0 m w 锅炉改烧 混煤燃烧进行了数值模拟研究，应用后喝双方程模型模拟电厂锅炉旋流燃烧器，将 计算计算结果与现场实际数据对比较为吻合。浙江大学钱力庚对电站对冲锅炉的 燃烧过程进行了通用程序的设计与研究，计算了锅炉结渣与污染物的生成，并将 计算结果与现场实际数据进行了对比，有利的证明了结果的准确性p 0 3 引。 近几年针对电厂锅炉富氧燃烧技术的研究逐渐增多，但大多集中在煤粉炉，： 针对天然气锅炉的富氧燃烧技术方面的研究较少，而且大多集中在工业炉方面。 随着电厂天然气锅炉的逐渐增多，本文所进行的天然气富氧燃烧特性及电厂天然 气锅炉富氧燃烧数值模拟方面的研究就显得尤为重要。 1 4 本文的主要研究内容 应用试验和数值方法对锅炉内天然气的富氧燃烧特性进行研究。主要研究内容 包括： ( 1 ) 通过对不同氧气比例下的天然气燃烧特性( 0 2 t n 2 气氛) 进行试验，得出随 氧气浓度的增大天然气燃烧特性的变化情况，并且为之后的模拟工作提供指导。 a 以现有u 型管天然气燃烧系统为基础，设计搭建天然气富氧燃烧实验台， 选取合适的测试设备。 b 分别对四种氧气浓度2 1 、2 4 、2 7 和3 0 进行天然气的燃烧试验。目的 是得出不同氧气浓度条件下的天然气燃烧时试验炉膛内的温度变化情况。 ( 2 ) 以某电厂3 2 5 m w 天然气锅炉为对象，对不同氧气浓度及送风参数下的 炉膛内天然气燃烧( 0 2 c 0 2 气氛) 进行数值模拟研究。 a 建立天然气燃烧的数学模型，对天然气富氧燃烧实验台进行数值模拟计算， 对比实验值及模拟值。 b 对传统燃烧方式下的天然气锅炉炉膛内的燃烧进行数值计算。目的是与之 后的富氧燃烧计算结果进行对比。 c 对运用富氧燃烧方式的炉内天然气燃烧进行数值计算，对氧气浓度为2 1 7 北京交通大学硕士学位论文 4 0 的八种工况进行计算，对不同氧气浓度条件下的气相速度场、温度场、燃料组 分分布及炉内火焰辐射特性进行对比研究。目的是研究氧气浓度对炉内天然气燃 烧特性的影响。 d 对采用不同送风参数下的炉内天然气富氧燃烧进行数值计算。采用两种氧 气送入方式和四种一二次风率对氧气浓度为2 9 时的炉内天然气燃烧进行计算。 目的是研究送风方式对炉内天然气富氧燃烧特性的影响，最终得出较好的送风方 案。 e 对应用较好送风方案时炉内天然气富氧燃烧进行计算分析，并与传统燃烧 方式下的对应参数进行对比研究，对运用天然气锅炉采用富氧燃烧方式所能实现 的经济性进行初步分析。 8 天然气富氧燃烧特性试验 2 天然气富氧燃烧特性实验 为了对天然气在富氧条件下的燃烧特性进行研究，本文对已有的u 型管燃烧 系统进行改造，分别对四种氧气浓度2 1 、2 4 、2 7 和3 0 进行天然气的燃烧试 验，采集相应数据，得出氧气浓度增大时燃烧室内温度变化情况，并对结果进行 了相应分析。 2 1u 型管天然气富氧燃烧系统设计 2 1 1 实验系统简介 本文所用实验系统u 型管燃烧室两端分别用法兰盘结构进行密封连接。设计 容积热负荷为8 6 4 m j ( m 3 h ) 。主要包括包括u 型管燃烧室及管路系统两部分。实 验的系统图和实物图见图2 1 和2 2 。 引风枫 接烟 图2 - 1 实验装置示意图 9 气 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 2 实验装置实物图 u 型管燃烧室由直径2 0 0 m m ，长3 m 的无缝钢管焊接而成，炉膛容积为0 1 m 3 外面覆盖玻璃丝棉及石棉布保温层。在u 型燃烧室的特征部位设有热电偶测温管 道，管道顶端可与热电偶丝扣连接，保证燃烧室的气密性。在u 型管的两端设有 观火孔和点火孔，观火孔外套石英玻璃，可观察燃烧室内的燃烧情况。天然气主 要通过天然气喷嘴由u 型管一端送入燃烧室，天然气喷嘴外套旋流板，旋流板上 以天然气喷嘴为圆心分布有八个方向向外的小孔，助燃空气通过这八个小孔进入 燃烧室，形成沿炉膛内壁分布的旋流，并在天然气喷嘴处形成烟气回流区，卷吸 高温烟气回流以促进天然气充分燃烧，如图2 3 所示。 图2 3 旋流板结构示意图 管路系统包括燃气管路系统，助燃空气管路系统，氧气管路系统及排烟系统 四个部分。燃气管路系统采用罐装天然气，通过燃气减压阀及膜式燃气表送入炉 膛，各段管路均设有阀门，可控制燃气流量。助燃管路系统通过使用旋涡式小流 量高压鼓风机提供助燃空气，额定流量为1 3 0 m 3 h ，并在鼓风机出口设一排气管， 用来控制进入炉膛的空气量。氧气管路系统提供氧气时，氧气途经氧气减压阀， 橡胶管及球阀，与助燃空气均匀混合，一起送经过流量计最终送入炉膛。排烟系 统主要由锅炉通风机和排烟管道组成，锅炉通风机型号为5 6 - 4 1 1 l ，流量为 1 0 天然气富氧燃烧特性试验 1 0 4 3 - 4 0 3 m 3 1 1 全压4 5 1 一1 1 5 1 p a ，功率为5 5 0 w ，可以使整个燃烧系统内呈负压状态， 将燃烧过后的烟气排除系统，保证实验系统的安全运行。 所用燃料为北京地区天然气，气体成分如下 耋兰：! 丕签墨堕坌耋 化合物成分体积百分比( ) 2 1 2 实验数据的采集 n 2 c h 4 c 2 h 6 c 3 h 8 c 4 h 1 0 1 0 9 8 0 o 3 o 3 0 3 实验数据的采集主要包括流量采集系统，温度采集系统和气体组分采集系统 三部分。 ( 1 ) 流量采集系统。天然气的流量利用膜式燃气表及秒表确定；助燃气体的 流量由玻璃转子流量计读出，流量计型号为l z b 4 0 ，量程6 - 6 0 m 3 h 。应用玻璃转 子流量计采集空气流量时，不同的压力及气体成分时要经过修正，修正方法如下： q s = q n ( 2 1 ) 其中， p 俨墙定介质( 空气) 在标定状态下的绝对压力( 1 0 1 3 2 5 x 1 0 5 p a ) ； 珊一标定介质( 空气) 在标定状态下的绝对温度( 2 9 3 1 5 k ) ； p _ _ 标定介质( 空气) 在标定状态下的密度，p a ； 艮被测气体在测量时的绝对压力，p a ； 强一被测气体在测量时的绝对温度，k ； j d 绀被测气体标准状态下的密度，k g m 3 ； 瓦r 墩测气体在标准状态下的压缩系数； 务被测气体在始，乃时的压缩系数。 ( 2 ) 温度采集系统。主要由k 型热电偶及9 0 2 c 型数字温度表组成。分别针 对四个特征点进行测量。实物图见图2 3 。温度采集系统运用水银温度计进行标定， 同时插入到同一杯热水中，对比数字温度表与温度计的度数。最终得出本文所用 系统误差在3 以内。 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 3k 型热电偶和数字温度表 温度采集点主要集中在燃烧区域，一共取四个测点。测点1 和测点2 距离天 然气喷口分别为0 0 5 m 和0 5 m ，测点3 位于u 型管火管转弯处，测点4 位于转弯 之后。测点位置示意图见图2 4 。 测点4 测点3 测点2 测点1 图2 - 4 温度采集点位置示意图 ( 3 ) 气体组分采集系统。采用美国产e x 2 0 0 0 烟气成分分析仪对助燃气体中 的氧气浓度以及燃烧产生的烟气组分进行检测。测量时将烟气分析仪的测量枪插 入转子流量计后的测控中，由于整个实验系统内为负压状态，为防止