基于FLUENT的氧燃烧低NOX研究

更新时间:2023-06-02 19:56:49 阅读: 评论:0

基于FLUENT 的氧燃烧低NO X 研究
张锋,刘定坡,巨荣
西安热工研究院有限公司,陕西西安 710032;
【摘要】本文以国际火焰研究中心(IFRF)用来验证工业煤粉燃烧模型的2.5MW 的炉膛为对象,利用CFD 商业软件FLUENT 针对氧燃烧方式下,NO X
生成的新特点,在进氧量相同的情况下计算比较了空气气氛和氧气气
氛下NO X生成。在采用氧燃烧技术的基础上,进一步结合一、二次风
氧气浓度差的方法探究氧燃烧方式下进一步降低NO X生成的方法。计
算结果表明,将这两种方法结合能较大的降低NO X排放。
【关键词】氧燃烧氮氧化物CFD 氧气浓度差
Study NOx Emission control of Oxy-fuel Combustion
ba on the CFD
Zhang Feng
Thermal Power Rearch Institute Co. ,Ltd. ,Xi’an 710032 Shanxi Province China Abstract: The commercial CFD codes FLUENT is ud to investigate the performance of the  international  flame  rearch  foundation(IFRF)  2.5MW  experimental  facility  on  air combustion and oxy-fuel combustion, which is an ideal facility to validate industrial coal combustion  models.  In  view  of  the  oxy-fuel  combustion,  the  NO X emission  have  new characteristic.  NO X emission  is  compared  between  air  combustion  and  oxy-fuel combustion  by  Simulation  ba  on  the  same  oxygen  consumes.  In  us  the  oxy-fuel combustion  technology  in  the  foundation,  further  unifies  the  Oxygen  concentration difference  between  the  primary  stream  and  condary  swirl  stream  technique  to  further reduces the NO X emission is rearched. The computed result indicate that combined of the two methods can reduce the NO X emission further more.
Key words:  Oxy-fuel combustion, nitrogen oxide, computational fluid dynamics, Oxygen concentration difference
氧燃烧技术是一种能同时控制CO2、SO2和NO x排放的新型洁净燃烧技术[1][2][3]。由于在燃烧过程中NOx 的生成特性与各种燃烧条件密切相关,特别是气氛、温度、煤质特性等影响较大,一般试验很
难进行全方位的研究。部分对氧燃烧NOx 排放规律的数值研究都建立在简单的炉膛形式上,未见到多级送风、多种氧浓度气氛下对NOx 的生成特性的研究。本文将以国际火焰研究中心(IFRF)用来验证工业煤粉燃烧模型的2.5MW 的炉膛为模型,对氧燃烧方式下NOx 的生成与排放特性进行数值研究,为该技术的应用提供一定的理论参考依据。
作者简介:张锋(1983~),男,硕士,工程师,主要从事电站锅炉试验及燃烧的数值模拟;邮编:710032;邮箱:****************
1.  网格划分
为了保证计算的精度,在流场未知的情况下,作者根据经验创建了近似流线的 网格线。由于燃烧时,各个参数的变化都十分剧烈,特别是在燃烧室中心轴线区域, 所以还对该区域进行了网格加密处理。并采用高阶的二阶迎风差分格式来离散方程 以减少伪扩散带来的误差。根据以上要求划分网格如图 1,图 2 所示。
图 1 1/4 网格及壁面 图 2 局部放大的喷嘴及其网格
2.  燃烧煤种
煤种的相关参数分列于表 1 至表 3。
表1.
工业和元素分析
说明:为简化模型,煤中含硫用含氮量来综合考虑。
煤粉颗粒直径按照 Rosin-Rammler 方法分布。Rosin-Rammler  分布假定在颗粒直 n
-
( d  / d ) 径 d 与大于此直径的颗粒的质量分数 Y d    之间存在指数关系:Y  ,d 为平
= e  d  均直径,n 为分布指数。
表2.
lection粒径分布
表3.
物性参数
固定碳密度
1000kg/m 3
低位发热量
3.232e+7J/kg
煤颗粒的尺寸(m) 最小直径 最大直径 平均直径 分布指数
1e-6
0.003    4.5e-6    1.36 工业分析(%d ) 元素分析(%daf ) 挥发份
55    C 80.36 固定碳 36.7 H    5.08 灰
8.3
O 12.17
N
2.39
3.  数值模拟方法
本文采用标准 k - ε (standard  k - ε  model)湍流模型模拟气相湍流输运,煤粉颗 粒的跟踪采用随机轨道(stochastic  tracking) 模型,用混合分数— 概率密度函数 (mixture-fraction/PDF)模型模拟气相湍流燃烧,对煤粉挥发份的析出采用单方程热解 模型(single-rate model),采用动力/扩散控制反应速率(the kinetics/diffusion-limited rate model)模拟焦炭的燃烧,采用 P-1 辐射模型(P-1 radiation model)计
算辐射传热,对 NO X 生成考虑了热力型及燃料型 NO X 。压力—速度的耦合采用 SIMPLE 法求解[40]。
4.  氧燃烧过程低NO X 技术
大量的研究指出,引入氧燃烧技术,NOx 的排放量可大大减少。由于 N 2 的炉外 分离,在氧燃烧中几乎不存在热力型 NOx ,这是氧燃烧降低 NOx 的一个主要原因。 另外还原区的形成并不一定完全决定于进气中 O 2 的浓度,而综合地取决于氧气 浓度、速度场、温度等因素。再者,考虑到氧燃烧的先天优势——在工业允许的范 围内可以任意改变进气气氛,因此可以采用了一种整体上保持进氧量不变,而让一、 二次风具有氧气浓度差的方法来构造还原区,进一步降低 NO X  的生成。
5.  低NO X 燃烧工况
基于上面的要求和分析,设定如表 4  的燃烧工况。其中一次风温和二次风温为 343K 和 573K 。煤粉由一次风携带定为 0.01826 kg/s 的给粉量。各工况均保持进氧量 为 0.067 m 3/s.
表4.
入口边界条件
工 况 气氛条件描述 (体积百分比) 一次风速 (m/s ) 一次风氧气 体积浓度 (%) 二次风量 (m 3/s ) 二次风氧气 体积浓度 (%) 1 21%O 2+79%N 2(空气) 23.11 21 0.302 21 4 31.91%O 2+68.09%CO 2 20 31.91 0.181 31.91 5 31.91%O 2+68.09%CO 2 20 25 0.181 33.41 6
31.91%O 2+68.09%CO 2
avoidance
20
35
0.181
31.24
小学生英语自我介绍比热容 1100J/kg-k 颗粒的 BET 比表面积 25000
导热系数 0.0454w/m-k
挥发份中 N 的含量 0.0188 挥发份析出温度 773k 固定炭中 N 的含量
0.00805
颗粒表面扩散率
3e-5m 2/s
6.  低NO X燃烧工况的结果与分
6.1. 速度场分析
工况1 工况4
工况5 工况6
图3 喷嘴出口处局部放大的速度分布钦佩
融合计费图3 为工况1、4、5、6 的速度矢量图。从图中可以看出,由于旋流风和空间突扩的作用,在喷嘴出口处出现了回流区。
6.2. 烟气浓度分析
6.2.1.氧浓度
考虑到炉膛后半段区域组分变化不大,故各图仅表示出炉膛前2.5m 段。
0.0525
0.0399
0.0263
0.0598
0.0656 0.0399品色
0.0131
0.1969 0.0131 0.2990
0.0131 0.0199
工况1 工况4
0.04 0.04
0.04
0.04
0.06
0.07
0.07
0.06 0.09
0.31 0.28环球雅思留学
0.02
0.02 0.02
0.25 0.31
怎样使记忆力提高
0.02
工况5 工况6
图4 X=0 等值面氧气体积分数的分布
图 4 为 1、4、5、6 四个工况 X=0 等值面氧气体积分数的分布。从图中可以看出, 工况 1 和 4 的分
布形式相似,工况 5 和 6 的分布形式相似。各工况在燃烧的高温区 氧气浓度几乎为零。但在二次风出口处也的都存在一个氧气浓度较高的区域。
6.2.2. 一氧化碳浓度
0.0209
0.0315
0.0209
0.0209
0.0209
0.3131    0.2922
0.0315特索罗
0.4726
工况 1
工况 4
0.0312
0.03
0.0312
0.0312
0.0312
0.03
0.44
0.4683
工况 5 工况 6
不想骗自己英文图 5 X=0 等值面一氧化碳体积分数的分布
煤粉燃烧中,CO  的生成量对 NO X  的生成有着重要的影响。为更好的分析和比 较四种气氛工况下 NO X  的生成量,就十分有必要先分析 CO 的生成情况。
图 5 是 X=0 等值面上 CO 浓度的分布图,CO 的生成主要集中在回流区中,在炉
膛的大部分区域,其浓度都很低。为了深入研究回流区中组分的变化情况,特取 X=0m 等值面与回流区中 Z=0.1m 、Z=0.2m 、Z=0.4m  三个等值面相交形成的三条交线(命 名为 Y -1,Y -2,Y -3)进行研究。从图 6~8 中可以看出,在回流区中的这三条线上,工 况 4、5、6 的 CO 生成量明显大于工况 1,并且在中心轴线附近工况 4、6 的 CO 生 成量也要大于工况 5  。对于氧气气氛的三个工况由于高浓度的 CO 2 存在,大大地加 强了 CO 2 的还原反应,即 CO 2+C=2CO,使得 CO 的浓度都远高于工况 1。
0.4
00.3 00.2 00.1 00.0 00.00
0.02      0.04      0.06      0.08      0.10      0.12 Y Axis (m) 图 6 Y-1 0.14 0.16 0.18
Y Axis (m)
图 7 Y-2
M o l e  f r a c t i o n  o f  C O
M o l e  f r a c t i o n  o f  C O
6
5 4 1

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