O2 CO2混合富氧燃烧中NOx排放特性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.11MB 63 页 15积分

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摘要

燃煤锅炉是电力行业应用最为广泛的动力设备，在人类生产和生活中都具有

广泛的应用。近年来，随着人们对环境污染问题的日益关注，燃煤锅炉的氮氧化

物排放也成为了我们亟待解决的问题。

近年来，O2/CO2混合富氧燃烧技术作为一种能够同时控制 CO2、SO2和NOx

等多种污染物排放的新型燃烧技术，正逐步被人们所认识和接受。

本文主要借助于热态试验、数值模拟和理论分析三个方面对煤粉在 O2/CO2

混合富氧燃烧中 NOx排放特性展开研究。

首先借助一维管式炉电阻炉在 O2/CO2气氛和 O2/N2气氛下对煤粉燃烧过程

中NOx的释放特性进行实验，分别研究 NOx的沿程释放特性和温度、燃料/氧化

学当量比、氧浓度等多个因素对煤粉燃烧过程中 NOx释放特性的影响，并对比

煤粉在这两种气氛下燃烧后其 NOx的释放特性。研究表明：在同等条件下，O2/N2

气氛下 NOx的生成量要远远高于 O2/CO2气氛下 NOx的生成量；炉膛沿程，NOx

释放先增大后减少；随着燃料/氧化学当量比 S的增加（0.6，0.8，1，1.2，1.4），

NOx排放浓度也呈现出先增加后降低的趋势；随着温度 T的增加（900，1000，

1100，1200），2种气氛下 NOx的排放浓度均增加；随着氧浓度的提高（21%，

25%，30%，35%），NOx排放浓度增大。

针对热态煤粉炉内煤粉燃烧 NOx的形成过程，建立相应的物理模型及边界

条件，运用多相流动、传热、湍流燃烧、NOx生成等数学模型以及相应的数值计

算方法，对炉内的热态温度场、主要的燃烧产物及燃烧污染物 NOx的浓度场进

行数值模拟，研究温度和燃料/氧化学当量比等工况对 NOx形成的影响，其计算

结果对试验研究起到了很好的定性指导作用。

关键词：O2/CO2煤粉富氧燃烧 NOx烟气再循环数值模拟

ABSTRACT

In electric power industry, pulverized coal boiler is one of the power equipment which

is widely used. It is very important because of its extensive occurrence in industry and

in people’s living life. People have paid more and more attention to the pollution of

environment. And so, the emission of nitrogen oxide of the pulverized coal boilers is

also becoming an environmental problem to be solved.

The study which to reduce nitrogen oxide emission from boiler, it’s confined to some

small scale experiment, to completely solve the emissions of nitrogen oxides from the

coal fired boiler, it still have some limitations. In recent years, O2/CO2mixed

combustion technique as a method which to simultaneously control the emissions of

CO2, SO2and NOx. It’s gradually being recognized and accepted.

This paper by means of thermal test、numerical simulation and theoretical analysis on

the three aspects to know the emission characteristics of NOxand CO2in pulverized

coal combustion about different conditions.

The NOxemission characteristics during the pulverized coal combustion process were

tested in the tube type resistance furnace under O2/CO2and O2/N2atmospheres. The

effects of residence time, fuel/oxygen stoichometric, temperature, oxygen

concentration, Circulation ratio on NOxemission were investigated．The NOx

emission characteristics under two atmospheres were compared. The results show that

the released NOxis much lower in O2/CO2atmosphere than in air. With the residence

increase, NOxmission concentrations increase before 2 second, and then begin to

decrease. With the excessive air ratio increase, NOxmission concentrations increase

in fuel rich region, and then appear to decrease in fuel lean region. With the increasing

of combustion temperature, NOxmission concentrations always increase. AS the

oxygen concentration increased, NOxemissions concentration increase.

The physical models and boundary conditions have been established for the NOx

reduction process of pulverized coal combustion in thermal pulverized coal furnace.

By using mathematics models of multi-phrase flow, heat transfer, turbulence burning,

the formation of NOx, and relative numerical computation methods, simulations are

conducted for temperature field, concentration field of main burning products and

NOxemissions. The effect of temperature and fuel/oxygen stoichometric on

generation of NOxhas also been studied in the pulverized coal combustion process,

and the computational results show that it can perfectly direct the experimental

research qualitatively.

Key Word: O2/CO2atmosphere，pulverized coal combustion，NOx，

recycled flue gas，Fluent，numerical simulation

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 本文的研究背景...................................................................................................1

§1.2 CO2的危害及控制技术 ........................................................................................ 1

§1.2.1 CO2的危害................................................................................................... 1

§1.2.2 燃煤电站 CO2控制技术............................................................................. 1

§1.3 NOx的危害及控制技术 ........................................................................................3

§1.3.1 NOx的危害 ...................................................................................................3

§1.3.2 NOx排放控制技术概述 ...............................................................................3

§1.4 O2/CO2混合富氧燃烧技术...................................................................................6

§1.4.1 O2/CO2混合富氧燃烧技术定义 ..................................................................6

§1.4.2 O2/CO2混合富氧燃烧的国内外发展现状 ..................................................7

§1.4.3 O2/CO2混合富氧燃烧技术特点分析 ........................................................11

§1.4.4 O2/CO2混合富氧燃烧技术的优越性 ........................................................13

§1.5 本文研究的主要内容.........................................................................................13

第二章 O2/CO2混合富氧燃烧技术下 NOX的生成与破坏机理分析.........................14

§2.1 序言.....................................................................................................................14

§2.2 NOx三种生成途径的简单分析 ..........................................................................14

§2.2.1 热力型 NOx................................................................................................14

§2.2.2 快速型 NOx................................................................................................15

§2.2.3 燃料型 NOx................................................................................................15

§2.3 燃料型 NOx的生成机理分析 ............................................................................16

§2.3.1 挥发分的析出及燃烧................................................................................16

§2.3.2 焦炭燃烧....................................................................................................17

§2.3.3 挥发分氮转化为 NOx的反应机理 ...........................................................18

§2.4 NOx的破坏机理 ..................................................................................................21

§2.4.1 NO 的破坏机理..........................................................................................21

§2.4.2 N2O的破坏机理 .........................................................................................22

§2.5 本章小结：.........................................................................................................23

第三章 O2/CO2混合富氧燃烧 NOX排放特性实验研究.............................................24

§3.1 引言.....................................................................................................................24

§3.2 实验研究.............................................................................................................24

§3.2.1 实验系统及煤质分析................................................................................24

§3.2.2 实验工况....................................................................................................25

§3.3 实验结果与讨论..................................................................................................26

§3.3.1 NOx沿程释放特性 .....................................................................................26

§3.3.2 温度对 NOx释放规律的影响 ...................................................................27

§3.3.3 燃料/氧化学当量比对 NOx排放特性的影响..........................................29

§3.3.4 氧浓度对 NOx排放特性的影响 ...............................................................32

§3.4 本章小结：.........................................................................................................34

第四章 O2/CO2混合富氧燃烧中 NOX排放特性数值模拟.........................................35

§4.1 引言.....................................................................................................................35

§4.2 物理模型.............................................................................................................35

§4.3 数学模型和基本控制方程.................................................................................36

§4.3.1 气相湍流流动模型....................................................................................36

§4.3.2 煤粉颗粒的运动模型................................................................................37

§4.3.3 煤粉湍流燃烧模型....................................................................................37

§4.4 边界条件.............................................................................................................39

§4.4.1 气相方程边界条件....................................................................................39

§4.4.2 颗粒相方程边界条件................................................................................39

§4.5 数值计算方法.....................................................................................................39

§4.5.1 区域离散方法和网格体系........................................................................40

§4.6 模拟计算结果.....................................................................................................40

§4.6.1 不同气氛下煤粉燃烧的温度场................................................................40

§4.6.2 不同气氛下煤粉燃烧后的主要燃烧产物和 NOx的浓度场 ...................41

§4.6.3 数值计算与实验结果对比........................................................................50

§4.7 本章小结.............................................................................................................51

第五章结论与展望.......................................................................................................52

§5.1 结论.....................................................................................................................52

§5.2 后续工作的展望及建议.....................................................................................52

参考文献.........................................................................................................................54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目.................................................................59

致谢.............................................................................................................................60

第一章绪论

§1.1 本文的研究背景

随着时代的进步和科学技术的向前发展，各种产业像雨后春笋般的涌现在我

们的生活当中，极大的改善了我们的生活条件和物质生活水平，但是这些都要依

靠能源的供给，我们对能源的消耗越来越大，促使我们更大限度的去开采能源，

破坏了我们的生态环境，还使我们的能源资源日渐枯竭，从而影响我们的生存与

发展，目前，能源、环境和人口等三大问题是影响我们人类、社会和经济可持续

发展中最主要的问题，而环境问题是关键，因此，如何解决好工业生产中产生的

环境污染，是全人类关注的重大课题之一。

煤炭在我国的能源储备中最多，也是我们最主要的一次能源，每年我国的能

源消费中有 75%左右都是由煤炭供给，而且从目前的发展情势上看，我国以煤炭

为主导的能源结构不可能会改变。我们知道煤粉燃烧在供给我们能量的同时，也

向我们赖以生存的环境排放大量的污染物，如粉尘、CO2、SO2、NOx等，其总量

已经占到污染物排放总量的 96%，极大地破坏了生态平衡和我们的生存环境，日

今我们面临的臭氧层破坏、温室效应和酸雨等三大环境问题，都与煤粉的大量燃

烧有关，而 CO2、NOx和SO2是引起上述问题的罪魁祸首。因此，如何控制和减

少燃煤过程中 CO2、NOx和SO2等污染物的排放已经迫在眉睫。

§1.2 CO2的危害及控制技术

§1.2.1 CO2的危害

人类文明开始之前，自然界就已经有 CO2存在了，并且伴随着自然界的发展，

它始终都处于一个动态平衡的状态，随着我们地球上人口的不断增加，人类活动

日益频繁，使得排放的 CO2不断增加，而被自然界吸收利用的 CO2量在不断减少，

破坏了 CO2的平衡。据检测，在工业革命前大气中 CO2浓度约为 290

10



，到

1980 年时 CO2浓度为 336

10



，大气中的 CO2浓度在不断升高，倘若不采取行

动，预计在 2045 年中大气的 CO2浓度接近 600

10



[1]。近一个世纪以来，全球

变暖成为地球气候变化的主要特征。它给农业生态系统带来很严重的影响，如水

资源恶化、夏天更加干旱、冬季降水量增加等，对植物的生长极其不利。由于全

球变暖，导致气温升高、冰川融化、海平面上升、沿海陆地减少，淡水遭到污染

等，严重危及到人类的生存与发展。因此世界各国的科学家都对如何控制 CO2排

放的技术进行了研究。

§1.2.2 燃煤电站 CO2控制技术

矿物燃料的燃烧是 CO2的主要来源，而我国的电力行业都是以矿物燃料作为

它们的主要能源，它们每年因矿物燃料的燃烧而排出的 CO2量占 CO2排放总量的

O2/CO2混合富氧燃烧中 NOx排放特性研究

30%以上。因此，控制和减少我国电力行业生产中 CO2的排放，对于减少我国的

碳排放、解决温室效应和全球变暖等问题具有重大的意义。目前电力行业为控制

CO2的排放而采取的措施主要是从 CO2的产生过程和对烟气中的 CO2进行回收处

理这两方面进行。

§1.2.2.1 常规烟气中 CO2的分离方法[2]

从烟气中分离CO2的方法，是近年来用于减少CO2排放的最基本方法。其方式

有：

(1)吸收分离法

吸收分离法的基本原理是将混合气体用吸收剂进行洗涤，混合气体中的 CO2

气体被吸收剂吸收，从而达到将 CO2从混合气体中分离出来的目的。通常按照吸

收剂的不同，我们划分有物理吸收和化学吸收两种方式。物理吸收分离法是在加

压的条件下，利用有机溶剂对 CO2进行吸收，然后通过减压使其再生的过程。化

学吸收分离是在吸收塔内，CO2与化学吸收溶剂发生化学反应，形成富液，然后

在还原塔内加热，释放出 CO2，达到分离 CO2的目的。

(2)吸附分离法

吸附分离法是利用吸附剂在一定条件下对 CO2进行选择性吸附，然后再对

CO2进行解析，从而分离 CO2的方法。按解析方式的不同，我们通常将吸附分离

法划分为变压吸附和变温吸附这两种方式。前者是利用吸附剂在高压的条件下，

能够选择性地从混合气体中吸附上 CO2气体，然后通过减压的方法把吸附的 CO2

解析出来的过程；后者的基本原理是利用吸附剂在低温条件下，能够选择性地从

混合气体中将 CO2气体进行吸附，然后通过升温的方式将 CO2释放出来，达到将

CO2气体从混合气体中分离出来分目的。

(3)膜分离法

气体吸收膜技术和气体分离膜技术是膜分离法的两种形式。气体吸收膜技术

拥有高选择性和结构紧凑等优势。其基本的工作原理是将化学吸收液和要被分离

的混合气体分别置于微孔薄膜两端，化学吸收液主要作用是对需要分离的气体起

到吸收的作用，而微孔薄膜主要是起隔离作用；气体分离膜技术就是利用气体通

过膜间的渗透率不同，具有较高渗透率的气体能够快速溶解并穿过薄膜，从而将

混合气体分离成残留气体和渗透气体，达到分离的目的。

§1.2.2.2 新型的 CO2减排燃烧技术

(1)以煤制氢为核心的近零排放技术

Louisiana 州立大学的 Douglas Harrison 和美国国家实验室（LANL）的 Klaus

Lacker、

Hans ziock 最先提出直接用煤炭来制取氢气而用于发电的技术。该技术的

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摘要：

摘要燃煤锅炉是电力行业应用最为广泛的动力设备，在人类生产和生活中都具有广泛的应用。近年来，随着人们对环境污染问题的日益关注，燃煤锅炉的氮氧化物排放也成为了我们亟待解决的问题。近年来，O2/CO2混合富氧燃烧技术作为一种能够同时控制CO2、SO2和NOx等多种污染物排放的新型燃烧技术，正逐步被人们所认识和接受。本文主要借助于热态试验、数值模拟和理论分析三个方面对煤粉在O2/CO2混合富氧燃烧中NOx排放特性展开研究。首先借助一维管式炉电阻炉在O2/CO2气氛和O2/N2气氛下对煤粉燃烧过程中NOx的释放特性进行实验，分别研究NOx的沿程释放特性和温度、燃料/氧化学当量比、氧浓度等多个因素对煤粉燃...

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