煤矸石和煤層氣循環(huán)流化混燒關(guān)鍵影響因素研究.pdf

1、我國(guó)擁有豐富的煤層氣和煤矸石資源。煤矸石和煤層氣資源開發(fā)利用存在的主要問(wèn)題是開發(fā)利用程度低,利用效率不高,迫切需要研發(fā)設(shè)計(jì)符合工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用的煤矸石和煤層氣清潔高效利用系統(tǒng),從源頭實(shí)現(xiàn)工業(yè)污染的防治,達(dá)到既節(jié)約煤炭資源又減少環(huán)境污染的雙重效果。
　　 流化床混燒低熱值燃料技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一,目前的研究主要集中于混燒固體燃料,且燃燒的穩(wěn)定性和燃燒效率還有待于進(jìn)一步提高。論文針對(duì)煤矸石及低熱值煤層氣燃燒特性,提出煤矸石和煤層

2、氣在循環(huán)流化床鍋爐中混燒方法,將氣體燃料燃燒和固體燃料CFB燃燒技術(shù)的結(jié)合起來(lái),提高燃燒效率及燃燒穩(wěn)定性。研究?jī)?nèi)容具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。
　　 論文首次建立了煤矸石和煤層氣CFB混燒的氣-氣-固的多相流動(dòng)與燃燒的物理模型與數(shù)學(xué)模型,采用數(shù)值研究及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,探討煤矸石和煤層氣高效混燒的關(guān)鍵影響因素,深入分析低熱值氣體燃料對(duì)流化床內(nèi)的流動(dòng)、燃燒及污染物排放特性的影響,弄清了不同相態(tài)燃料在CFB中的混燒特

3、性,為煤矸石和煤層氣CFB混燒技術(shù)及裝置的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 首先,開發(fā)了一種更適合低熱值煤層氣高效燃燒的燃燒器。通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究,深入分析其溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布特性,獲得最佳燃燒器的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,采用燃?xì)夤軆?nèi)加裝導(dǎo)流葉片,采用兩個(gè)空氣環(huán)腔,配風(fēng)方式為內(nèi)直流外旋流的方式時(shí),既可提高空氣和燃?xì)獾幕旌闲Ч?又保持了很好的射流剛性,更適合于低熱值氣體的燃燒,且當(dāng)導(dǎo)流葉片數(shù)目為6,葉片傾角60°時(shí),其綜合性能最

4、佳。
　　 其次,采用冷態(tài)數(shù)值模擬的方法,研究氣體在流化床中的橫向射流特性,考察了橫向射流方式變化對(duì)爐內(nèi)冷態(tài)氣固流動(dòng)特性的影響,得到了爐內(nèi)顆粒速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布特性,并優(yōu)化了煤層氣燃燒器布置;采用熱態(tài)數(shù)值模擬的方法,研究低熱值氣體在循環(huán)流化床中的混燒特性,考察了不同的煤層氣摻燒比CR、二次風(fēng)率AR和過(guò)量空氣系數(shù)a對(duì)煤矸石和煤層氣CFB熱態(tài)混燒特性的影響,深入分析不同運(yùn)行工況下爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和組分濃度分布,提出最佳的混燒工況。

5、研究結(jié)果表明:①采用二次風(fēng)和煤層氣燃燒器錯(cuò)位對(duì)沖布置的方式,二次風(fēng)口在密相區(qū),煤層氣燃燒器在在密相區(qū)與稀相區(qū)的過(guò)渡區(qū)域,爐內(nèi)氣固間的混合較為充分,且流動(dòng)狀態(tài)較穩(wěn)定,有利于煤層氣及時(shí)著火,又可避免煤層氣燃燒過(guò)程中和煤矸石搶風(fēng);②與純燒煤矸石的工況相比,加入煤層氣后,爐膛密相區(qū)溫度略有降低,稀相區(qū)溫度略有提升,煤層氣噴口附近形成一個(gè)溫度相對(duì)較高的區(qū)域,有利于未燃盡的煤矸石顆粒和煤層氣的燃燒;③適當(dāng)?shù)奶岣逤R比,AR比和α,可改善爐內(nèi)的流場(chǎng)分

6、布,強(qiáng)化顆粒燃燒,提高燃燒穩(wěn)定性,且以CR=2:8,AR=20～30％,α=1.3為最佳混燒工況。
　　 然后,進(jìn)行了煤矸石和煤層氣CFB混燒的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,主要研究布風(fēng)板阻力特性、料層流化特性、氣流射流特性,考察不同的射流高度和射流強(qiáng)度下的爐內(nèi)氣固流動(dòng)特性。研究結(jié)果表明:①布風(fēng)板阻力特性曲線呈現(xiàn)比較標(biāo)準(zhǔn)的二次曲線關(guān)系;②布風(fēng)板結(jié)構(gòu)合理,具有較好的流化特性曲線;③射流的引入,加強(qiáng)了氣氣之間的混合和擾動(dòng),改善爐內(nèi)流場(chǎng)分布。④射流位

7、置提高,爐膛擴(kuò)口至射流口以下區(qū)域氣流速度降低,速度梯度變化較大;密相區(qū)顆粒濃度降低,平均顆粒濃度的變化梯度減小;⑤射流比越大,射流口以下區(qū)域氣流速度越低,速度梯度變化越大;固體顆粒濃度隨著射流比的增大而略有上升。
　　 最后,進(jìn)行了煤矸石和煤層氣CFB混燒的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,首次考察煤層氣摻燒比CR、二次風(fēng)率AR和過(guò)量空氣系數(shù)α等參數(shù)對(duì)爐內(nèi)燃燒特性和污染物排放特性的影響。研究結(jié)果表明:①隨CR的增加,爐內(nèi)密相區(qū)溫度下降,稀相區(qū)溫度有

8、所提升;與純燒煤矸石相比,采用煤矸石與煤層氣CFB混燒技術(shù)可使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)分布更均勻,燃燒效率更高;②隨AR的增大,爐內(nèi)密相區(qū)溫度增大,稀相區(qū)溫度略有降低,爐內(nèi)溫度分布更加均勻;燃燒效率先增大后減小;③隨α的增大,密相區(qū)溫度降低,α在1.2～1.35之間,稀相區(qū)的溫度水平差別不大;燃燒效率先升增加后降低;④實(shí)際混燒過(guò)程中,合理地控制床層溫度,選擇合適的CR以及α,才能既保證燃燒穩(wěn)定和提高燃燒效率,又能有效地降低Nox排放。⑤實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),C