部分气化煤制气再燃脱硝的冷态试验与数值模拟研究
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部分气化煤制气再燃脱硝的
冷态试验与数值模拟研究
摘 要
本文运用相似与模化原理，以某 130t/h 锅炉为原型，按照 1:5 比例搭建冷态
实验台，根据部分气化煤制气再燃技术对其炉膛区域进行改造，并于炉膛四侧墙
中心处增设再燃喷口，采用 fluent 软件对其冷态流场进行数值模拟，通过冷态试
验与数值模拟相结合的方法，分析研究部分气化煤制气再燃技术中不同的再燃喷
口数目、四侧墙中心处再燃气流入射角度及入射速度对炉膛下部上升气流的覆盖
效果，以及燃尽风角置反切对炉膛气流旋转强度的影响。
研究表明：部分气化煤制气再燃脱硝技术中，与炉膛四角侧气流喷射方式相比，
八点喷射的再燃气流在炉膛区域混合强烈，对炉内上升气流覆盖效果更好，有利
于脱硝效率的提高。
四侧墙中心处再燃气流入射角度过小时，炉内气流切圆直径过小；当四侧墙
中心处再燃气流入射角度过大时，再燃气流沿着射流轴线与四角侧再燃气流之间
相互挤压，容易造成气流刷墙，以上情况都不能对炉膛内旋转上升气流的产生良
好的覆盖效果。在本文研究的三种冷态试验工况中，工况 3中四角侧气流以 41.17°
射入，四侧墙中心处再燃气流以 84.57°射入，再燃气流对上二次风的覆盖效果最
好。
当再燃气流入射角度保持一定的时候，合理的四侧墙中心处再燃气流速度有
助于提高再燃气流对上二次风的覆盖效果；本文研究的三种试验工况中，当四角
侧再燃气流速度为 51m/s，四侧墙中心处再燃气流速度为 51m/s（工况 3）时，再
燃气流对上二次风的覆盖效果最好
同时工况 9燃尽风采用 48.53°角置反切方式喷入炉膛可抵消部分炉膛气流残
余旋转，在实炉运行时，可防止尾部烟道热偏差。
关键词：NOX 部分煤气化再燃 多点喷射 气流偏斜 覆盖效果
ABSTRACT
According to the prototypes of a 130t/h boiler,a cold-low experiment platform of
the 1:5 proportion was established by the similarity simulation.To reconstruct the
boiler’s furnace by the technology of partial coal-gas reburning and set reburning gas
nozzle outlets in the center of four Furnace Walls.The numerical simulation of aerial
dynamic field was made by the fluent Software.To combined the numerical simulation
with cold test,made the research of different reburnging gas nozzle outlets and different
incidence velocity and incidence angle of four side wall-reburning gas impact on the
covering effect of furnace gas ,and the analysis of reversed tangential OFA impact on
furnace gas swirling intensity.
The results show multi-point injection reburnng-gas have a mixing-enhancing
effect than corner tangential reburning gas and its covering effect of furnace gas and
denitration efficiency is better.
The lower incidence angle of four side wall reburning gas is,the more minor circle
diameter is.when incidence angle of four side wall reburning gas is larger,the reburning
gas will have a compress effect on four lateral horn reburning gas ,this action will cause
flue gas sweep water-cooled wall, all these conditions could not have good covering
Effects on furnace gas .To contrast all of the working conditions in cold state test,it
would be found that the covering effect of working condition-3(the incidence angle of
four lateral horn reburn-gas is 41.17°,the incidence angle of four side wall reburn-gas is
84.57°) is the best.
When the incidence angle of four side wall reburning gas is setting,a reasonable
incidence velocity of four side wall reburning gas will improve the Covering Effect on
furnace gas.To contrast the three-working conditions in cold state test, it would be found
that the covering effect of working condition-3( the incidence velocity of four side wall
reburning gas is 51m/s,the incidence velocity of four side wall reburning gas is 51m/s)
is the best.
The working conditions-9 that the incidence angle of reversed tangential OFA is
48.53°could counteract the residual rotation of airflow at furnace outlet, the flue gas
temperature difference of boiler flue in the operation state could be avoided by the
method.
Key words: NOx,coal-gas reburning,Multi-point injection,Flow
deviation,Coverage effect
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..................................................................................................................1
1.1 氮氧化物的主要来源及危害...........................................................................1
1.2 煤粉锅炉 NOX的生成机理及排放标准..........................................................1
1.2.1 煤粉锅炉 NOX的生成机理....................................................................1
1.2.2 国内外电站锅炉 NOx 的排放标准........................................................5
1.3 煤粉锅炉 NOX的控制技术..............................................................................6
1.3.1 低NOX燃烧技术....................................................................................6
1.3.2 烟气脱硝技术.......................................................................................10
1.4 部分气化煤制气再燃低 NOX燃烧系统简介................................................12
1.5 本课题研究的内容与意义.............................................................................14
1.6 本章小结.........................................................................................................14
第二章 冷态试验系统设计及模化计算....................................................................15
2.1 冷态试验系统简介.........................................................................................15
2.1.1 炉膛本体...............................................................................................15
2.1.2 送风系统...............................................................................................15
2.1.3 燃烧器喷口组合...................................................................................15
2.2 冷态试验系统的设计计算.............................................................................17
2.2.1 冷态模化原理.......................................................................................17
2.2.2 自模化区的建立...................................................................................17
2.2.3 炉内冷态模化计算...............................................................................19
2.2.4 冷态模型再燃喷口参数设计...............................................................24
2.3 炉内流场射流原理及方法.............................................................................27
2.3.1 炉内冷态流场射流理论.......................................................................27
2.3.2 炉内冷态空气动力结构.......................................................................29
2.3.3 冷态试验仪器.......................................................................................32
2.4 本章小结.........................................................................................................33
第三章 煤制气再燃炉内冷态流场的数值模拟........................................................34
3.1 几何建模及模型的网格划分.........................................................................34
3.2 湍流模型控制方程的求解.............................................................................35
3.3 模型边界条件
.................................................................................................43
3.4 数值模拟计算.................................................................................................44
3.5 本章小结.........................................................................................................45
第四章 煤制气再燃炉内冷态流场的试验研究........................................................46
4.1 冷态实验工况.................................................................................................46
4.2 再燃喷口数目对覆盖效果的影响.................................................................46
4.2.1 数值模拟结果.......................................................................................47
4.2.2 冷态试验与数值模拟结果对比分析...................................................48
4.3 四侧墙中心处再燃气流入射角度对覆盖效果的影响.................................50
4.3.1 数值模拟结果.......................................................................................51
4.3.2 冷态试验与数值模拟结果对比及分析...............................................53
4.4 四侧墙中心处再燃气流入射速度对覆盖效果的影响.................................55
4.4.1 数值模拟结果.......................................................................................56
4.4.2 冷态试验及数值模拟结果对比及分析...............................................57
4.5 燃尽风反切对炉膛旋转气流的影响.............................................................60
4.6 本章小结.........................................................................................................62
第五章 全文总结与展望............................................................................................63
5.1 全文总结.........................................................................................................63
5.2 工作展望.........................................................................................................64
参考文献......................................................................................................................65
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 氮氧化物的主要来源及危害
目前在世界范围内，中国属于煤炭消耗与生产的大国之一，煤炭在中国的能
源结构所占据的比重很大，由于我国的煤炭较为便宜的价格以及广大地区巨大储
存量，帮助煤炭变成中国境内消耗最快速的能源。根据目前的这种形势来看，我
国在未来的几十年应该以煤炭利用为主。从20世纪90年代以来，中国的火力发电
行业处于一个飞速发展阶段，目前火电机组总容量和发电量大致达到了总装机容
量的70％以上[1]。.
煤炭这种物质属于一次能源，在中国，各行各业主要利用煤炭直接进行燃烧
来获得生产及生活所需要的能量；目前我国每一年所挖掘出的所有煤炭中，大约
83％的煤炭都是用来直接燃烧[2]。煤炭燃烧所带来的污染物排放破坏了我国最初、
良好的生态环境，所以，当局政府和民众都感觉到污染物的控制不能回避，必须
尽快加以控制。
煤粉经过燃烧完毕后，会产生大量烟气，烟气中含有许多物质，其中一种物
质是氮氧化物，这种氮氧化物的其主要成分是 NO和 NO2，一般情况下可以统称
为NOx。在目前的这个阶段，中国的能耗主要是以煤炭燃烧为主，所以最新的调
查显示，煤炭这种物质燃烧后所产生的大量烟气对地球大气造成了很大的污染作
用，煤炭这种物质在经过剧烈的燃烧过程后排放的氮氧化物在大气污染物中的比
例达到了65％以上[3]。在普通情况下，煤炭经过燃烧生成的氮氧化物中，一氧化氮
的含量大概占据了百分之九十以上，二氧化氮的比例大概为5％～10％，一氧化
二氮仅占1％左右[4]。NOx气体是一种危害人类的健康、破坏大气环境的有毒污染物
它不仅仅刺激人的呼吸系统，破坏臭氧层，对动物和植物都有伤害性，严重的话，
会导致地球的温室效应、光化学烟雾等环境问题。
针对当今的这种突出的环境问题，有必要对燃煤锅炉尾部烟道的氮氧化物排
放现状进行调查，同时应该去研究在煤粉燃烧过程中，氮氧化物这种污染物的生
成机理，进一步去控制氮氧化物对大气的排放量，目前对于脱硝技术的研究属于
是一个全球的热点问题。
1.2 煤粉锅炉 NOX的生成机理及排放标准
1.2.1煤粉锅炉NOX的生成机理
（1）热力型 NOX
热力型 NOX就是指在燃煤锅炉里面的氮气与氧气在炉膛高温环境下，二者之
间相互反应而成，这种类型的氮氧化物的生成机理如下所示：
N2 + O = NO + N （1-1）
N + O2 = NO + O （1-2）
N + OH = NO + H （1-3）
一般情况下，煤炭这种物质在燃烧过程中， ，主
要取决于它的燃烧过程中温度控制，当锅炉炉膛内化学反应处于平衡状态时，
NO 的含量将随温度的上升而相对快速增加。一般情况下，煤炭经过一定的氧化还
原燃烧反应后所生的氮氧化物中，热力型 NOx 所占据的比例较小，但是在燃气燃
油的锅炉所产生的氮氧化物大部分是热力型 NOx[4]。
1
部分气化煤制气再燃脱硝的冷态试验与数值模拟研究
（2）燃料型NOX
由于煤炭本身含有N元素及含N化合物，所以煤炭这种物质在炉膛高温燃烧
的过程中，会生成氮氧化物污染物，根据其形成机理，故一般称作其为燃料型
NOx。
中国每年的煤炭消耗十分巨大，所以对环境的污染极其严重，故需要调查并
研究燃料型NOx在锅炉炉膛的生成机理和如何抑制这种NOx的产生的技术。
当煤炭投入锅炉中进行燃烧，首先在高温的环境下煤炭会发生热解，煤炭的
含氨的有机化合物热解析出，生成NH3、氰化氢以及CN、N等中间产物，由于这些
物质存在于煤粉热解出的挥发分中，所以可以称其为挥发分N。在经过热解后，煤
炭中的挥发分析出完毕，剩余的固体大部分为焦炭，焦炭中的含氮化合物可以称
为焦炭N。
煤粉这种物质在加热过程中，由于温度逐渐升高，第一步会热解析出挥发分，
挥发分N的析出速度比煤粉挥发分中的其它成分要慢一点。根据试验测试显示：当
热解出的挥发分重量大约占10～15％总煤粉重量的时候，挥发分N才会出现。煤粉
经过热解，第一步析出的是含氮化合物（如氮杂茂、苯胺等），这些含氮化合物在
高温环境中会进行下一步的分解，生成了中间产物HCN、NH3以及NH等物质，这
些中间产物最后有可能会氧化反应生成NOx，也可能还原反应生成无污染的氮气。
最新的研究表明[5]，煤粉中的氮处于芳香环形式的情况下，煤粉热解容易生成
HCN；煤粉中的N处于胺的形式的情况下，煤粉热解容易生成NH3；目前最近几
年的研究进一步表明：煤粉经过燃烧生成氮氧化物的过程里的中间产物主要是
HCN。
图1-1 煤粉含N化合物分解示意图
煤粉这种物质热解析出的挥发分N，在高温环境中也会发生氧化还原反应。如
图1-1所示可以看出[6]，挥发分N中氰化氢在高温氧化性气氛中，会逐渐反应生成
NCO， NCO这种物质下一步的反应路径大致分为两条，如果继续处于氧化性的
环境中，NCO会氧化生成NO；但是如果NCO进入了一个还原性环境中，NCO会
跟H发生反应，最终生成NH，NH这种物质不仅可以氧化生成一氧化氮，也可以
与已经生成的一氧化氮发生反应，将一氧化氮还原成无污染的氮气。根据上述资
料所述，燃料型氮氧化物的反应机理比热力型氮氧化物的机理复杂，所以需要花
大量的时间对其进行深入的研究，才可以从本质上对其机理有一个清楚的认知。
挥发分N中的氰化氢两条途径的主要反应方程式如下：
（a）挥发分N中HCN的主要反应途径，如图1-2所示。
2
第一章 绪论
图1-2 HCN氧化的主要反应途径
当HCN处于氧化性环境中，HCN经过氧化反应生成NO：
HCN+O=NCO+H （1-4）
NCO+O=NO+CO （1-5）
NCO+OH=NO+CO+H （1-6）
当HCN处于还原性环境中，HCN首先会生成NCO，再与H反应：
NCO+H=NH+CO （1-7）
NH继续进行氧化反应，最终生成NO：
NH+O2=NO+OH （1-8）
NH+O=NO+H （1-9）
NH+OH=NO+H2 （1-10）
（b）挥发分N中NH3的主要反应途径，如图1-3所示。
图1-3 NH3氧化的主要反应途径
NH3氧化生成 NH2：
NH3+OH= NH2+H2O （1-11）
NH3+O= NH2+OH （1-12）
NH3+H= NH2+H2 （1-13）
NH2接着进行下一步反应生成 NH：
NH2+OH=NH+H2O （1-14）
NH2+O=NH+OH （1-15）
NH2+H=NH+H2 （1-16）
NH 氧化生成 NO：
NH+O2=NO+OH （1-17）
3
部分气化煤制气再燃脱硝的冷态试验与数值模拟研究
NH+NO=NO+H （1-18）
NH+OH=NO+H2 （1-19）
煤粉这种物质，经过高温环境下的燃烧反应，所生成的燃料型氮氧化物，其
它的主要成分来自挥发分N。大约60～80％的燃料型氮氧化物由挥发分N燃烧反应
生成，20～40％的燃料型氮氧化物由焦炭N燃烧反应生成。二者之间的比例会随着
煤粉的种类，热解速率以及热解过程温度控制等因素发生一系列的波动。如果煤
粉的热解温度升高以后时，更多的燃料型NOX由挥发分N燃烧反应生成。焦炭N由
于其结合状态，所以析出情况比较复杂。
（3）快速型NOX
煤粉经过燃烧反应时，锅炉内空气中的N会跟烟气中的烃根如CH等物质发生
反应，最终生成NOx，这种氮氧化物被称为快速型NOX。根据资料可知[7]，在一般
情况下的炉膛温度条件中，其生成量十分微小，与燃料型氮氧化物的反应速度相
比，快速型氮氧化物的反应速度显得十分快，压力因素对快速型氮氧化物的最终
生成量有较大关系，温度因素对其影响作用较小。
对于我国的大型燃煤锅炉而言，煤粉经过燃烧反应生成的氮氧化物污染气体
中，大约80％都是燃料型NOX；炉膛中的炉温的高低对热力型氮氧化物的生成量
有较大影响；如果炉温升高，热力型NOX生成量也会增加，可达到总量的20％；
一般情况下，锅炉中快速型氮氧化物的生成量较少，可以忽略不计。
1.2.2国内外电站锅炉NOx的排放标准
从1970年左右开始，国内外众多机构就开始对煤粉燃烧反应中氮氧化物的生
成机理以及各种控制技术进行了一系列的相关研究，并制定了相应的NOx排放标
准[8]。
日本在1987年就规定氮氧化物的排放标准为410mg/Nm3；1984年，德国出台
了NOx排放标准，其中明文规定：在国内的300MW及以上燃煤锅炉的氮氧化物最
高排放量不能超过200mg/ Nm3；前苏联在1993年起，制定的NOX最高排放量为
240mg/ Nm3。
随着世界越来越关注各种NOx污染问题，在全世界范围内，燃煤锅炉的NOx
排放控制越来越趋向于严格化。欧盟当前制定的环境法律中有一项就明文规定：
新建的燃煤锅炉如果为300MW及其以上的装机容量，NOx的排放不可以超过
200mg/ Nm3。美国环保署规定：22个州的燃煤锅炉排放的烟气中NOX含量不能超
过190mg/Nm3 [5]。
我国的经济处于一个快速发展时期，能源的消耗极其巨大，因而带来许多严
重的环境问题，出于对我国环境的保护，2012年初环保部颁布了最新的《火电厂
大气污染物排放标准GB13223-2011》见表1-1[9]，重新设定了SO2、NOX以及烟尘和
汞等污染物的排放标准，该法则将在2012年1月1日开始正式实施，取代当前的
《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2003》，通过表1-1可知，NOX、烟尘和SO2
的允许排放值被大幅调低，在我国的一些特定区域，相关的规定更加严格。
表1-1 火力发电锅炉及燃气轮机组大气污染物排放浓度限值
燃料和热能转
化设施类型
污染物
项目
适用条件 限值
单位：mg/m3
污染物
监控位置
烟尘全部 30
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部分气化煤制气再燃脱硝的冷态试验与数值模拟研究摘要本文运用相似与模化原理，以某130t/h锅炉为原型，按照1:5比例搭建冷态实验台，根据部分气化煤制气再燃技术对其炉膛区域进行改造，并于炉膛四侧墙中心处增设再燃喷口，采用fluent软件对其冷态流场进行数值模拟，通过冷态试验与数值模拟相结合的方法，分析研究部分气化煤制气再燃技术中不同的再燃喷口数目、四侧墙中心处再燃气流入射角度及入射速度对炉膛下部上升气流的覆盖效果，以及燃尽风角置反切对炉膛气流旋转强度的影响。研究表明：部分气化煤制气再燃脱硝技术中，与炉膛四角侧气流喷射方式相比，八点喷射的再燃气流在炉膛区域混合强烈，对炉内上升气流覆盖效果更好，有利...
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作者：赵德峰
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时间：2024-11-11
