煤部分再燃气化气固两相流实验与数值模拟

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 2.63MB 51 页 15积分

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摘要

本文以一台 130t/h 的锅炉为原型，采用 1:5 的比例搭建的锅炉冷态实验台作

为主系统设计并搭建气固分离装置。利用 CFD 数值模拟软件，通过实验与数值

模拟相结合的方法，分析研究了冷态条件下，气固分离装置内，底部分离风风速

和物料颗粒粒径大小对装置内气固两相分离效果的影响。同时利用 CFD 数值模

拟，采用简化的 PDF 模型，研究并分析了煤制气装置内速度场、温度场及气体

组分的分布情况。

研究表明：分离风风速和颗粒粒径对气固分离效果都有较大影响，当分离风

风速一定时，气固分离效果随颗粒粒径的增大先增大后减小；同时随着分离风风

速的增大，气固分离的分离效果最佳值逐渐向颗粒粒径较大值偏移。当分离风达

到13m/s 时，分离效果最高值出现在粒径为 8mm 处，达到 76.67%。

应用颗粒双轨道模型对气固分离装置进行气固两相流动计算，模拟计算了装

置内的颗粒的停留时间及轨迹分布，并结合颗粒示踪分析了流场对颗粒运动的影

响。对比模拟计算结果与实验结果，研究表明实验结果与数值模拟结果吻合度较

高。当风速一定时，通过研究不同粒径大小的运动轨迹，得出的结论为粒径过小

时，气固分离效果不好；而粒径过大时，颗粒的停留时间会减小，会导致挥发分

析出较少。当一定粒径时，在一定范围内颗粒停留时间随分离风风速的增加而增

加。

应用简化的 PDF 模型，利用冷态模拟得出的最佳工况，即分离风风速为

12m/s、煤粉质量流量 100g/s 及颗粒粒径为 7mm 进行热态模拟。研究发现，模

拟结果速度场与冷态结果保持基本相似，气化装置内煤粉燃烧集中于装置底部的

狭小区域，最高温度可以达到 1500K 左右。装置内 O2含量在穿过燃烧区域后迅

速消耗，装置中部及顶部可视为无氧氛围，有利于煤粉中挥发分的析出与分离。

CO、CH4和CO2的分布与燃烧区域有关，其中 CH4的分布主要集中于装置顶部。

关键词：气固两相流气固分离数值模拟 PDF 模型

ABSTRACT

This paper takes a 130t/h boiler as prototype, building a cold state boiler

experiment table with the proportion of 1:5, the experiment table also included a

gas-solid separation device. CFD software was used to simulate different gas-solid

separation conditions in the gas-solid separation device. The results of both simulation

and experiment for cold state were analyzed to study the influence of separation wind

velocity and particle size on separation effect. In the mean time, the boiler’s hot state

such as the distribution of velocity field, temperature field and species were also

simulated using simplified PDF model.

The results shows that both separation wind velocity and particle size affect the

separation effect. When a certain separation wind velocity was given, the separation

effect increased first then decreases. While the separation wind velocity increased, the

particle size increased when best separation effect was shown. When the separation

wind velocity was 11m/s, the best separation effect which reached 76.67% was

achieved while the particle size was 8mm.

The simulation also calculated the gas-solid flow using particle two-track model.

The distribution of particle residence time and particle track was also simulated. By

contrasting the results of simulation and experiments, the research found that the two

results matched in a certain degree. When a certain separation wind velocity was

given, the separation effect was bad while the particle size was too small. However,

when the particle size was too large, the residence time would be short which can

reduced the volatile. During a certain range of particle size, the residence time

decreased while the separation wind velocity decreased.

Using simplified PDF model to simulate hot state with the best condition that

was achieved by cold state simulation, the separation wind velocity was 12m/s, the

mass flow rate of coal was 100g/s and the particle size was 7mm. The results shows

that the velocity field of hot state was similar with the cold state. The burning zone

mainly lied in the bottom of the gasification unit and the highest temperature was

about 1500K. O2 was used up rapidly in the burning zone, so the upper part of the unit

can be seen as oxygen-free which was beneficial for the precipitation and separation

of volatile. The distribution of CO、CH4 and CO2 were related to burning zone, what

is more, the distribution of CH4 mainly lied in the top of the unit.

Key words: Two-phase flow, Gas-solid separation, Numerical

simulation, PDF model

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................... 1

1.1 引言........................................................ 1

1.2 课题研究的背景与现状........................................ 1

1.2.1 降低燃煤锅炉 NOx 排放.................................. 1

1.2.2 电站降低 NOx 排放主要技术介绍.......................... 2

1.3 气体再燃技术研究现状........................................ 2

1.3.1 炉内再燃技术简介...................................... 2

1.3.2 再燃燃料的研究........................................ 3

1.4 部分煤气化制气技术研究现状.................................. 4

1.4.1 国内外对煤部分气化技术的研究.......................... 4

1.4.2 部分煤制气降低 NOx 技术介绍............................ 6

1.5 本文的主要研究内容 .......................................... 7

第二章冷态试验台优化及实验原理..................................... 9

2.1 冷态部分煤制气装置简介...................................... 9

2.1.1 气固分离装置系统简介.................................. 9

2.1.2 实验物料及测量设备 ................................... 10

2.2 实验原理................................................... 10

2.2.1 气固两相分离原理..................................... 11

2.2.2 影响固体沉降时间因素的确定........................... 12

2.3 实验结果及分析 ............................................. 12

2.4 本章小结 ................................................... 14

第三章部分煤气化中气固分离数值模拟与分析.......................... 15

3.1 数值模拟的应用与特点....................................... 15

3.2 气固两相流流动的数值模拟„„„„„

3.2 颗粒运动数学模型 ........................................... 15

3.3 气固分离模型的选择......................................... 16

3.4 模型网格划分与边界条件设定................................. 16

3.5 部分煤制气装置流场计算分析................................. 19

3.6 不同工况下模拟结果及分析................................... 19

3.6.1 不同分离风及载气风下流场模拟结果及分析............... 20

3.6.2 不同粒径下颗粒停留时间模拟结果及分析................. 21

3.7 气固分离装置气固分离模拟与实测结果比较..................... 24

3.8 本章小结 ................................................... 24

第四章简化 PDF 模型模拟部分煤粉气化................................ 26

4.3 计算过程及结果 ............................................. 33

4.4 模拟结果分析............................................... 33

4.4.1 气固分离装置内流场与温度场计算结果分析............... 33

4.4.2 气固分离装置内气体组分分布计算结果分析............... 34

4.5 本章小结................................................... 36

第五章结论与展望.................................................. 37

5.1 结论....................................................... 37

5.2 展望....................................................... 38

参考文献........................................................... 39

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..................... 44

致谢............................................................. 45

第一章绪论

1.1 引言

随着我国的大气污染问题日益严峻，公众环保与健康意识逐渐增强，人们对

大气污染物的关注也越来越高。氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等重点监测污染

物尚未实现高效抑制，以酸雨、细微粉尘和 O3为主要来源的区域大气污染呈现

出逐渐扩大的态势。地区大气严重污染现象出现的次数日益增多，制约了我国经

济的可持续发展，同时威胁到民众的身体健康。环保部指出造成 2013 年冬季中

国北方各大城市大规模地出现雾霾和空气质量严重不达标现象污染物的主要来

源是机动车和北方冬季燃煤取暖的发电厂。在我国一次能源中煤炭的储量丰富，

同时开采较容易，所以目前我国仍以煤电为主。煤占所有一次能源消耗的份额基

本不低于 75%[1]，并且在短期内无法从根本上改变这种能源消费构成，因而必然

会伴随着大量的温室气体排入大气。

我国近几年排入大气中的氮氧化物总量达 2300 万吨以上，而其中与因人为

活动有关的 NOx 排放主要来自与燃烧有关的工业生产和机动车辆的尾气排放。

NOx 能对大气环境造成严重污染，它是产生光化学烟雾、酸雨和臭氧层空洞的

主要原因之一。研究表明，氮氧化物的生成途径分三种：助燃剂中的 N2在高温

环境中产生的热力型 NOx；燃烧时助燃剂中 N2与燃料中碳氢离子团等产生的瞬

时型 NOx；燃料中的氮化合物产生的燃料型 NOx。

随着国家环保标准日益严格，电厂烟气脱硫技术已经在全国得到了广泛的应

用，SO2污染得到了有效的控制。而对 NOx 的排放目前还没有特别完善的技术，

氮氧化物的降低排放形势仍然十分严峻。因此，《国家环境保护“十二五”规划》

对十二五期间氮氧化物总量的控制给出了明确规划，至 2015 年全国氮氧化物的

排放总量不超过 2046 万吨,在2010 年的基数上减少 10%。为实现节能减排的宏

伟战略目标，造成污染相对较高的燃煤锅炉，其氮氧化物的排放控制将成为首要

目标。因此，对燃煤锅炉 NOx 排放的控制和治理已成为目前环境保护中一项迫

在眉睫的任务。

1.2 课题研究的背景与现状

1.2.1 降低燃煤锅炉 NOx 排放

我国是目前世界上最大的煤炭生产与消费国之一。同时我国一次能源的特点

是煤多气少油贫，所以在我国能源结构中煤长期占主导地位，在今后的若干年内

预计也不会发生根本性的改变。鉴于我国的实际国情，煤的燃烧大多是原煤直接

燃烧，这使得煤炭成为大气污染的主要污染源之一。占到装机容量近八成的燃煤

发电机组，年耗煤量约占煤炭开采总量的一半以上[2]。2013 年全国发电装机总量

约为 12.3 亿千瓦，其中火电约占 69％[3]，根据中电联预测，到 2015 年全国发电

上海理工大学硕士学位论文

装机总量将达 14.4 亿千瓦，其中火电 9.33 亿千瓦时。对于火电设备，90％以上

的电厂火电机组将仍是常规的燃煤机组。在我国常规燃煤电站和燃煤工业锅炉仍

占主导地位的情况下，燃煤污染物的防治问题是迫在眉睫的。

我国这种以煤炭消费为主的能源结构使得我国氮氧化物减排目标的实现变

得更加艰巨，因此，研究有效降低燃煤锅炉氮氧化物排放技术对我国今后的发展

具有重要的经济意义和社会意义。

1.2.2 电站降低 NOx 排放主要技术介绍

国内外针对煤燃烧过程中 NOx 的产成与转化的机理不同，发展了许多控制

煤燃烧过程中 NOx 排放的技术措施。常用的燃烧控制方法，一般就是采用低氮

燃烧手段抑制 NOx 的生成，如浓淡偏差燃烧[4]、低过量空气系数燃烧法[5]、烟气

再循环法[6]、低 NOx 燃烧器[7~11]、燃料分级燃烧法(再燃)、空气分级燃烧法等。

通过这些较为成熟可靠的技术方法可以有效减少了燃烧过程中的氮氧化物生成

量，但受到燃用煤种的限制，通过以上的方法对 NOx 的还原效率一般低于 80%。

除此以外烟气脱硝技术也是一种较为可靠的方法，该技术通常是利用化学反

应将炉内烟气中的 NOx 还原成氮气。主要包括干法流程的选择性非催化还原

(SNCR)法[12]和选择性催化还原(SCR)法[13~15]，湿法流程的氧化吸收法[16]和等离

子体烟气脱硝技术[17~21]等，此类烟气脱氮技术的 NOx 还原效率高达 90%以上，

不过此类设备的初期投资以及运行维护费用明显较高。除了上述几种方法外，燃

煤过程中的 NOx 排放控制技术还包括多种 SOx-NOx 和粉尘的联合控制技术，以

及改变传统燃烧过程的富氧无氮燃烧技术[22]和以金属氧化物为介质，燃料与氧

气不直接接触的化学链燃烧技术[23,24]等。

1.3 气体再燃技术研究现状

考虑到我国目前的国力与资源分布情况，目前比较适合采用投资相对较少、

效率相对较高的低氮燃烧技术。气体再燃技术可以大幅降低氮氧化物的排放，研

究发现，利用天然气再燃可以使 NOx排放最多降低 85％左右[25]，是一种有效的

炉内脱氮技术，明显优于其余传统低 NOx燃烧技术，这项技术正是目前所发展

创新的一种先进的、十分有效且很有前途的脱氮方法。对于褐煤和一些烟煤锅炉

采用再燃技术已经基本能满足现行标准，。因此，对再燃技术进行深入研究，进

一步挖掘其潜力具有重要的实际意义。

1.3.1 炉内再燃技术简介

燃料型氮氧化物通常可以占到燃煤锅炉氮氧化物总理的 80%左右，这是由于

燃料中含有的氮化合物受热裂解后，被助燃剂氧化成 NOx。这一类型的氮氧化

物不仅与煤质特性、煤中氮化合物所占的比重、组成成分等密切相连，同时还受

到燃烧温度、过量空气系数、烟气各组份分压等的直接影响。燃料型 NOx的生

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摘要：

摘要本文以一台130t/h的锅炉为原型，采用1:5的比例搭建的锅炉冷态实验台作为主系统设计并搭建气固分离装置。利用CFD数值模拟软件，通过实验与数值模拟相结合的方法，分析研究了冷态条件下，气固分离装置内，底部分离风风速和物料颗粒粒径大小对装置内气固两相分离效果的影响。同时利用CFD数值模拟，采用简化的PDF模型，研究并分析了煤制气装置内速度场、温度场及气体组分的分布情况。研究表明：分离风风速和颗粒粒径对气固分离效果都有较大影响，当分离风风速一定时，气固分离效果随颗粒粒径的增大先增大后减小；同时随着分离风风速的增大，气固分离的分离效果最佳值逐渐向颗粒粒径较大值偏移。当分离风达到13m/s时，分离...

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