410th锅炉煤粉再燃低NOx控制的数值模拟研究.pdf

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1、洳专：j 硕士学位论文论文题目垒!Q 地堡炷堪捡要燃低塑Q 圣撞剑的錾值槿拯班塞指导教师旦傻虐熬援所在学院丑垫当篚遁王程堂堕提交日期!壁至量爿摘要能源与环境问题被公认为影响当今社会发展的两大问题。在能源的利用中，矿物燃料的燃烧要排放大量的污染物，如N O x 和S 0 2 等，其中N O x 是大气的主要污染物质之一。我国是一个燃煤大国，其中火电耗煤量占相当大一部分，控制好电站锅炉的燃烧与污染物排放对人类可持续发展有很重要的意义。本论文以国华北京热电分公司4 1 0 t h 四角切圆燃煤锅炉为研究对象，首先进行了锅炉低N O x 优化运行的试验研究；并通过F l u e n t 数值模拟对其进

2、行了深入的研究，计算结果与实际情况吻合较好，同时提出将上一次风上移作为再燃的改造方案，并对改造后的情况进行模拟预测，得到改造后工况运行优于现行工况。首先是锅炉的优化运行研究，它是在对锅炉的各种运行工况测试数据作了分析后得出的，结果显示：对于现有的锅炉，完全可以通过改变它的配风及给粉参数来优化锅炉的运行，在优化了的工况中，不但氮氧化物排放量有所降低，而且锅炉效率也有所提高。虽然对于每一台锅炉，燃用不同的煤粉都存在着相对较优的配风给粉方式，但文章中还是可以得到一种相对普遍的优化方式，或者说是优化思路。其次主要涉及了锅炉现运行情况下的模拟计算，详细的研究了计算模型网格划分的问题，对网格的画法、生成的

3、质量、以及网格形式对计算结果的影响等方面进行了研究，得出了一种对计算比较有利的网格形式。通过F l u e n t 计算，将结果与锅炉运行试验数据进行对比，其结果与实际值具有可比性，因此采用数值计算的方法可以指导实际工作的进行。最后从理论上阐述了设计的思路与方法，并提出具体的设计方案，即将锅炉上一次风喷口上移作为再燃喷口，而将上二次风喷口上移也作为燃尽风喷口。重点描述改造设计后的运行模拟情况，通过模拟的手段对炉内的流场、压力场、温度场、组分场，及N O x 生成情况进行了分析。计算结果显示，改造后的锅炉运行稳定，流场实际切圆均在控制范围内，没有出现贴壁燃烧的情况；炉内温度场均匀连续，锅炉燃烧完

4、全，从锅炉模型出口处检测得的可燃物完全燃尽，改造后预测锅炉燃烧状况较好；在采用了再燃技术后，N O x 排放量有显著降低，脱硝率为5 1 0 7，并且可以直观的看出采用再燃的效果，模拟计算显示锅炉改造设计比较成功。关键词：N O x 再燃优化运行数值模拟4A b s t r a c tE n e r g ya n dp o l l u t i o n w f r e i m p o r t a n t f a c t o r sa f f e c t i n gs o c i e t yd e v e l o p m e n t T h ec o m b u s t i o n o f f u

5、 e l sg e n e r a t eS 0 2a n dN O xe m i s s i o n s，w h i c hc a l ll e a dt os e r i o u sa t m o s p h e r ep o l l u t i o n C o a lw a st h ei m p o r t a n tf o e If o rc h i n a。a n dm o s to fc o a lW a Su s e di np o w e tp l a n t C o n 仃o lo ft h ec o m b u s t i o na n dp o l l u t i o

6、no fP O W e rp l a n tW e r ei m p o r t a n tf o rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f h u m a ns o c i e 吼AC o m e r-t a n g e n t i a l-b o i l e ro f 4 1 0 t hi nG u o h u aB e i j i n gt h e r m a lp o w e r p l a n tw a ss t u d i e di nt h et h e s i s F i r s t l y,o p t i m i

7、z i n go p e r a t i o nW a Sc a r r i e do nb e i l e rf o rd e-N O xe m i s s i o n；s e c o n d l y,n u m e r i c a ls i m u l a l i o nW a Sm a d eb yF l u e n ts o f t w a r e。t h e J 砌a t i 0 1 1r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t s 1 1 r e l r o f i ts c h e m eo

8、fr e b u mw 笛p u to u tw h i c ha s c e n d e dt h eu p p e rp r i l n a r yw i n d T h eo p e r a t i o ns i m u l a t i o no f r e t r o f i ts y s t e mr e v e a l e dt h a tc o n d i t i O i l sa f t e rr e c o n s t r u c t i o ne x c e l l e dt h a nt h eo l d O p t i m i z i n go p e r a t i

9、o no fb o i l e rw a ss t u d i e db ya n a l y z i n gt e s td a t ao fs e v e r a lb o i l e rc o n d i t i o n a n l er e s u l t sr e v e a l e dt h a ta d j u s t m e n t so f a i rd i s t r i b u t i o na n df e e dp o w d e rc o u l do p t i m i z et h eo p e r a t i o no f b o i l e r A f t

10、e ro p t i m i z i n go p e r a t i o n,t h eq u a n t u mo f N O xd e c r e a s e da n dt h eb o i l e re f f i c i e n c yi n c r e a s e d，t h em o s to p t i m i z i n ga i rd i s t r i b u t i o na n df e e dp o w d 日W a sr e s i s tf o re v e r yb o i l e r A no p t i m i z i n gm e t h o dW a

11、 sp u to u ti nt h et h e s i s T h es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n o f b o i l e r o p e r a t i o n W a s d i s c u s s e d i n d e t a i l N u m e r i c a ls i m u l a t i o n i s b a s e d o nf i n eg r i d T h cs t u d yf o c u s e do nt h ea s p e c t ss u c ha sg r i d-b u i l d,西d

12、q u a l i v ya n di t si n f l u e n c eo nc a l c u l a t i o n Af i n eg r i dW a sp u to u ti nt h e s i sw h i c hc o u l db e n e f i tt h ec o n v e r g e n c e 1 1 1 ec a l e u l 撕0 1 1r a S U I t sw e r ac o n s i s t e n tw i mt h ee x p e r i m e n t sd a t a S om es i r e u l s t i o nr e

13、 s u l t sc o u l dg u i d et h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n F i n a l l yt h et h o u g h ta n dm e t h o do f d e s i g nw e r ee x p a t i a t e df r o mt h e o r y T h ef e a s i b l ed e s i g nW a sp u to u tw h i c ha s c e n d e dt h eu p p e r#m a r yw i n d 鹊r e b u m i n g-s p o u

14、ta n da S c e n d e dt h eu p p e rs e c o n d a r yw i n da sO F A n es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i la b o u tf l u i df l o w,p r e s s u r ef i e l d t e m p e r a t u r ef i l e d,t h ed i s t r i b u t i o no f s p e c i e s，a n dt h ep r o d u c t i o no

15、f N O x A f t e rr e t r o f i t t i n g，t h eb o i l e ro p e r a t e ds t a b l ya n dt h ec i r c l er a d i u sW a su n d e rc o n t r o la st h e r ei sn o tc o m b u s t i o n 鲥c l【i n gt ot h ew a l l ss u r f a c e；t h et e m p e r a t u r ef i e l dW a su n i f o r m i t y；c o m p l e t ec

16、o m b u s t i o nw a sr e h e da st h ec a r b o ni nf l yW a Sn o tf o u n di ns i m u l a t i o nr e S U I t s；t l l ee m i s s i o no f N O xd e c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h er e d u c t i o ne f f i c i e n c yw a s4 3 3 T os u mu p，t I l es i m u l a t i o nr e S u l t sr e v e a l e

17、dt h a tt h er e t r o f i ts y s t e mW a sS u c c e s s f 0 1 K e y w o r d s：N O x，r e b u m，o p t i m i z i n go p e r a t i o n，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n5学号：2 0 4 0 8 2 1 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书

18、而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：嘉蚧签字日期：弦5 年，月。曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：密岭签字日期：9-,G 年f 月 日副催辄，V 伊签字日期：炒占年J 月孑日浙江大学硕士学位论文秦岭第一章绪论第一章绪论

19、1 1 引言随着现代工业的发展，能源与环境问题已越来越为人们所重视，大气污染已经成为全球性的问题，大气污染所引起的公害如粉尘、酸雨、温室效应及臭氧层破坏等环境问题已经比较严重地影响到人类的身心健康以及其它动植物的生存。当前的大气污染主要由化石燃料燃烧生成，据统计在排入大气的污染物当中，有9 9 的氮氧化物、9 9 的一氧化碳、9 1 的二氧化硫、7 8 的二氧化碳、6 0 的粉尘及4 3 的碳氢化合物化合物都是由化石燃料燃烧生成，其中燃煤产生的污染物又占大多数。在我国，由于石油和天然气储量有限，所以国内燃料主要以燃煤为主，其中发电行业又是燃煤的消耗大户，因此控制电力行业的污染物排放对国家发展有

20、着极其重要的意义。过去大家比较重视燃煤所产生的烟尘、S 0 2 污染物，但随着社会的发展，经济的进步，N O x 对人类带来的不利影响也越发为人们重视。1 1 1 我国的能源现状能源是人类发展的重要物质基础，历史上，人类社会经历了三个“能源时期”：柴草时期、煤炭时期和石油时期。1 9 7 3 年能源危机以后，人们对能源的使用趋于改变，逐步转向继续使用煤炭，同时花了更大的精力去开发新能源，如核能、太阳能、风能及新型生物质能等等。如今，世界上的能源生产与消费仍以化石能源为主，因新能源和相关可再生能源成本较高，仍然只作为补充。化石能源占一次能源消耗量的9 0 以上，其中化石能源消费又以煤炭、石油、天

21、然气为主。在2 0 0 2 年世界一次能源消费结构中，石油占3 7、煤炭占2 6、天然气占2 4、核能和水电分别占7 和6。中国是一个产煤大国，而石油和天然气的储量则相对不足，所以我国的能源现状与世界平均状况有所区别，2 0 0 2 年中国的一次能源消费中，燃煤占7 0 7、石油占1 7 2、天然气占3 2、水电占8 9。随着中国的经济发展，能源需求将会越来越大，据有关机构预测，到2 0 2 0年我国一次能源消费比例为；煤炭6 0 左右、石油占2 6 2 8、天然气占6 7，水电与核电占4 一6，届时，煤炭的使用量将会有所降低，但仍是中国使用最广泛的能源。煤炭若按用途划分，可分为五大消费方向：

22、发电、炼焦、化工、工业锅炉及民用，其中发电用煤占总用煤量的一半左右，另外有3 0 0 4 以上的煤炭用于工业或民用燃烧。相对于石油和天然气，燃煤是污染相对较严重的一种燃料，由于煤炭是固体燃料，所以燃烧要求相对较高，但燃烧效果却相对较差，又由于煤炭中含有其它杂质及硫、氮较多，所以生成的粉尘、s o,、N O x 量及其它污染物的量相当可观。1 1 2 氮氧化物的危害。浙江大学硕士学位论文秦岭第一章绪论氮氧化物的危害相当大，它是氮与氧的化合物，包括N 2 0、N O、N 2 0 3、N 0 2、N 2 0 4、N 2 0 5，它们都不但直接威胁人类的健康，而且对于地球环境也产生严重的影响。N O

23、非常容易跟血液中的血红蛋白结合成亚硝酸基血红蛋白或高铁血红蛋白，它对血红蛋白的亲和力是C O 的1 4 0 0 倍，氧的3 0 万倍【l】，从而降低血液的输氧能力，引起组织缺氧，甚至损坏中枢神经系统。氮氧化物还可以直接侵入呼吸道深部的支气管和肺泡，诱发哮喘病。N 0 2 对人体的危害最大，主要是破坏人的呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿，人如果在1 0 0 r a g 1 的环境下停留一个小时或者在4 0 0 r a g 1 的大气中停留5 分钟，就会中毒死亡【2】。N O 和N 0 2 还能抑制植物的光合作用，引起植物受损和死亡。在大气中，N O x 会与水蒸气反应生成H N 0 3 酸雾，是

24、造成酸雨的主要因素之一，反应式为：3 N 0 2+H 2 0=2 H N 0 3+N O(1)4 N O+3 0 2+2 H 2 0=4 H N 0 3(2)酸雨会破坏森林植被，造成土壤酸化、贫瘠、物种退化，破坏建筑物，农业减产，还会使水体造成污染，鱼类死亡。且前我国酸雨依然成蔓延趋势，现在已成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区如今酸雨危害面积已占我国国土面积的2 9 左右f 3】。如图1 1【4】，蔓延速度十分惊人。图1-12 0 0 4 年全国降水酸度分布更严重的是，N O x 还会造成光化学烟雾【5 6】，它是氮氧化物与大气中的挥发性有机物，达到一定浓度后，在太阳光的作用下，经过的一系

25、列光化学氧化还原反应，生成一种含有臭氧、丙烯醛、甲醛、硝酸酯等混合物，叫做光化学烟雾。光化学烟雾是一种具有强烈刺激性的淡蓝色烟雾，它对人体健康和生态系统都会造成严重损害，光化学烟雾刺激人的眼、鼻和肺，对人的心脏及造血功能都有损害，使人气喘咳嗽、头晕目眩，同时有致癌性。它一般产生于大气湿度相对较低，气温相对较高的夏天，污染的高峰一般出现在午后，光化学烟雾大多数为浅蓝色，有时带点紫色或者褐色。1 9 4 3 年，美国洛2浙江大学硕士学位论文秦岭第一章绪论J杉矶市首次发现光化学烟雾事件，此后在日本、欧洲、澳大利亚等地区也陆续发生这种烟雾，我国的北京、南宁、兰州等地也发生过这种现象，造成人员伤害和重大

26、经济损失。氮氧化物中的N 2 0 的排放会对地球臭氧层也有很大的破坏作用，使较多的紫外线辐射到地面，增加人们皮肤癌的发病率，影响人的免疫系统，加速地球上某些种群的消失，破坏地球生态系统。1 1 3 当前N O x 治理工作现状基于氮氧化物有如此多的危害，世界上主要工业国家都开始对它的排放进行控制，各国根据自己的国情分别相应地制定了针对它的排放标准。a N O x 的排放标准早期，人们对燃烧产生的污染物的注意力集中在般性的公害和二氧化硫造成的酸雨上，随着时间的推移、认识的深入，现在人们不仅关心酸雨对作物、森林、地下水和建筑物的危害，而且更加注意污染气体对人类健康的影响，对臭氧层的破坏以及所造成的

27、温室效应对全球气候的影响。随着人们对N O x 的危害的认识逐步加深，酸雨、全球气候变化及臭氧层破坏问题日益引起各国政府的关注如何控制N O x 排放的各种技术逐渐推出。全球很多国家都正在制定越来越严格的N O x 排放标准，促使工业部门去开发、寻找并利用新技术，以适应新的更严格的污染物排放标准，从而有力地推动了技术的进步。由于排放标准的制定是一个复杂的过程，而且在N O x 的排放构成中，固定式排放源(如发电厂、工业燃烧装置等)占主要部分，所以很多国家的立法只限于控制固定式排放源。2 0 0 0年4 月2 9 E 第九届全国代表大会常务委员会第十五次会议修订通过了中华人民共和国大气污染防治法

28、，于2 0 0 0 年9 月1 日起施行。其中第3 0 条明确规定“企业应当对燃料燃烧过程中产生的氮氧化物采取控制措施”。第1 3 条规定“向大气排放污染物的，其污染物排放浓度不得超过国家和地方规定的排放标准”。表1-1 为欧盟2 0 0 1 年新的排放标准，对比中国2 0 0 3 年制定的火电厂N O x 排放标准，如表1 2。表1-1 欧盟2 0 0 1 年的N o x 排放标准单位；m g m 3电厂类型容量N O x 排放标准现有新电厂 5 0 M W6 5 05 0 1 0 0 M W4 0 0将来的新电厂1 0 0-3 0 0 M W3 0 0 5 0 0 M W2 0 05 0-

29、5 0 0 M W4 5 0现有电厂 5 0 0 M W3 5 0浙江大学硕士学位论文秦蛉第一章绪论表l-2 火力发电锅炉及燃气轮机氮氧化物最高允许排放浓度田单位：m 咖3时段第l 时段第2 时段第3 时段实施时闻2 0 0 5 年1 月1 曰2 0 0 5 年1 月1 日2 0 0 4 年1 月IV 2 0 4 5 0燃油锅炉6 5 04 0 02 0 0燃油1 5 0燃气轮机组燃气8 0可以看出，我国对于锅炉N O x 排放，不但考虑时间与功率，而且也照顾到各种煤种的差别，这是由于我国幅员辽阔，各地产煤性质区别较大。同时我们看到，我国关于N O x排放制定的标准与欧盟相比还有很大差距，原因

30、在于我国对于N O x 排放控制起步较晚，工业发展相比于欧盟还有很大差距。b N O x 排放治理现状在主要工业国家相应的都制定了N O x 排放标准后，关于它的减排工作也在相应的进行着，一方面不断的开发更切实有效的脱硝新技术、一方面将发展成熟的技术用于实际。对于新建的锅炉都直接能够将N O x 排放降低到一定的标准，对于以前建好的锅炉，如果是排放达不到当地标准的也逐步对其进行改造工作。欧美国家及日本的工业化程度较高，经济比较发达，所以目前整个地区的N O x 减排工作做的都较早。目前低N O x 技术在其国家已经大范围采用，我国是从上世纪9 0 年代开始注意到N O x 的治理问题，2 0

31、0 0 年颁布了新的大气污染防治法，2 0 0 3 年公布了火电厂N O x 排放标准。如今氮氧化物排放控制初见成效。根据法规规定，低氮氧化物燃烧方式仍是控制氮氧化物排放的主要方式。“十五”期间，新建大型燃煤机组都按要求同步采用了低氮氧化物燃烧方式，一批现有电厂结合技术改造安装了低氮氧化物燃烧器。同时，已有单机容量6 0 0 M W 的商业化烟气脱硝工程投入运行；约有6 0 0 0 M W 的烟气脱硝装置进入设计及建造阶段，约有3 0 G W 的新机组或待核准机组按环境影响报告书审 比暮求需装设烟气脱硝装置；推进烟气脱硝国产化的1 0 0 M W 等级的示范工程已经进入招投标阶段鼍。1 1 4

32、 本文的研究背景综上所述，在当前，由于工业的不断发展，化学燃料污染物排放不断增加，对人类的生存环境造成了不可估量的破坏。中国是一个发展中国家，是世界上人口第一大国，随着我国国民经济的快速发展，特别是上世纪8 0 年代以来，我国经济发展加快，人民生活水平提高，但随着工业化的大规模普及以及人民生活对各种资源的消耗，环境问题却越来越严重，所以人们对于环境保护越发重视。一直以来，人们更加重视看得见的污染物，如固体垃圾、废水、烟尘等。随着人们认识的深入，开始发现很多无形的污染物对人类的危害甚至更大，像二氧化硫、氮氧化4浙江大学硕士学位论文秦岭第一章绪论物这样的物质。它们不仅仅产生酸雨，造成动植物的伤害及

33、破坏建筑物，而且被人们吸入后会直接影响我们的健康，所以很多国家现在都对S 0 2 及N O x 的排放进行立法控制。这之中，S 0 2 的工作进行得较早，我国早在上世纪八十年代就对S 0 2 的排放制定标准，九十年代后开始对S 0 2 排放进行收费。人们关注N O x 排放相对较迟，表1-2 是2 0 0 3 年我国对氮氧化物排放限制，当前我国对N O x 排放已经开始收费，标准为O 6 3 元千克，而且以后还会提高。对于火力发电厂而言，N O x 排放收费将是很大一笔负担。所以无论从环境角度还是从火电厂的经济效益来讲，都需要对燃煤锅炉进行脱硝，本研究工作正是在这样一个人们都开始对N O x

34、排放愈加重视，低N O x 燃烧技术也开始较快发展的情况下进行。1 2 本文的研究对象方法及意义1 2 1 研究对象国华北京热电分公司是位于北京市朝阳区八王坟地区的一座集供热发电为一体的热电厂，主力机组为4 台哈尔滨锅炉厂生产的H G-4 1 0 9 8 Y M l 5 型锅炉，该锅炉为单汽包、自然循环、四角切园燃烧、固态排渣、平衡通风、单炉膛露天n 型布置、热风送粉燃煤锅炉。锅炉炉膛截面为正方形，尺寸为9 9 8 0 X 9 9 8 0 m m，顶棚管标高3 9 米，汽包中心线高度4 2 6 米。汽机为2 台2 0 0 M W 进口双抽凝汽式汽轮发电机组。锅炉原设计煤种是大同混煤，原校核煤种

35、是晋北烟煤，采用中间仓储式钢球磨煤机制粉系统，机组配备为l 台机配两台炉。机组1 9 9 8 年底进入整套启动，1 9 9 9 年1 1 月移交试生产。锅炉结构及截面简图如图l-2 与图1 3 所示。锅炉建成投运以后，出现了一些问题，主要是喷口易烧坏，减温水量过大，燃烧器喷口附近易结焦，炉膛出口氧量大等。所以，在2 0 0 0 年时对锅炉进行了一次改造。改造解决了锅炉的结焦和稳燃问题，但当时的改造对于N O x 排放只作了较低的要求。随着我国对于N O x 排放标准要求提高，特别是北京地区为迎接2 0 0 8 奥运会对于污染物排放提出了更高的标准，要求锅炉在2 0 0 5 年1 0 月3 1

36、日前其锅炉的N O x 排放量要小于3 0 0 m g m 3，2 0 0 5 年1 1 月1 日后将小于2 5 0 m g m 3 1 9 1。目前锅炉的N O x 排放量不能达到这个要求，所以需要对锅炉再次进行改造。本文将要涉及的是该公司的2 号锅炉。浙江大学硕士学位论文秦岭第一章绪论。圈1 _ 2 锅炉示意图图1-3 锅炉截面示意圈1 2 2 研究方法通过对锅炉进行各项相关试验，同时在实验台上进行相关实验及对锅炉炉膛进行数值模拟，以指导实际的改造设计。模拟采用F l u e n t 软件，对改造前的炉膛进行模拟，验证方法的正确性，再对改造设计的方案进行计算，得到改造后的炉膛燃烧数据，以指

37、导设计工作的进行。计算时，我们采用专业建模工具G a m b i t 将计算对象划分成定数量的网格，每个网格就是一个计算节点。由已知的边界条件，通过多次运算迭代，这样得到模型内所有网格节点的各项数据值，如温度、密度、粘度、速度、物质构成等等，这样就可以得到整个模型的任何位置的各项数值，合起来就可以得到计算对象的各项性质场。在计算中，F l u e n t 软件还可以实现模型动态情况，可以进行实时计算，从而得出一个连续的动态过程，从而可以形象的将对象表达出来1 1 0 1。1 2 3 研究意义随着现代计算机发展的日新月异以及计算理论的进步，人们在科研的过程中越来越多的使用计算机进行模拟，最直接的

38、例证就是气象台对天气的分析，还有研究核武器时候对于核爆炸的模拟等。采用计算机进行模拟，可以极大的减少实验的工作量，减少在科研、工程方面的成本，尤其在许多无法进行实验的情况下，采用数值计算的方法更有优势。最重要的是模拟可以为我们预测出将来某个时间的状态，在事情发生之前就能对其进行详尽的分析，这对于我们设计、改进某一事物将提供最直观的参考。一直以来，困扰数值计算的难题为计算机硬件的限制，计算速度加快才能对比较复杂的情况进行分析，在进行本课题的时候也遇到了硬件速度的问题。值得欣慰的是，但随着时代的发展，科学的进步，计算机计算的速度越来越快，准确度也越来越高，所以使用面也越来越广6浙江大学硕士学位论文

39、秦岭第一章绪论【l l】。对国华北京热电分公司的改造工程采用数值模拟的方法进行分析，对改造后的锅炉直接进行预测，这样可以形象地得到改造后炉内各参数，同时预测出改造后可能出现的问题，这样就能优化设计，又因为采用模拟可以减少因设计所必须的实验工作，降低成本与时间。参考文献【1 1 李子君，陈淑芬a 泰安市城市环境质量状况及其评价。山东师大学报(自然科学舨1，2 0 0 1，1 6(1)：6 3-6 7【2】W a t s o nR Te ta 1 C l i m a t ec h a n g e1 9 9 2 C a m b r i d g e：C a m b r i d g eP r e s s

40、 1 9 9 2 3】肖晓存、王雪纳，大气中氮化物的污染与防治，煤炭技术，2 0 0 5【4】国家环保总局，2 0 0 4 年全国大气环境状况，2 0 0 5【5】张莉，浅析光化学烟雾的污染问题，四川环境2 0 0 5【6】6 苏亚欣、毛玉如、徐璋，燃煤氮氧化物排放控制技术，化学工业出版社，2 0 0 5【7】火电厂大气污染物排放标准G B l 3 2 2 3 2 0 0 3【8】王志轩”十一五”电力环保与资源节约规划探讨中国电力2 0 0 6【9】北京市环境保护局，锅炉污染物综合排放标准，D B l l 1 3 9 2 0 0 2【1 0】韩占忠、王敬、兰小平，F L U E N T 流体工

41、程仿真计算实例与应用，北京理工大学出版社，2 0 0 4【l l】S V 帕坦卡，传热与流体流动的数值计算7浙江大学硕士学位论文秦岭第二章低N O x 控制方法文件综述第二章低N O x 控制方法文献综述2 1 煤粉燃烧技术的发展2 1 1 燃烧技术的发展燃烧是受多种物理和化学因素影响的复杂过程，真正认识燃烧的内在规律，比起认识其他自然现象要困难得多。燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种现象又称为“火”。按考古学的发现，人类最早使用火的时代可以追述到距今1 4 0 1 5 0 万年以前，火给人类带来了进步，“摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从而最终与其它动物分开”。火的使用是人类出

42、现的标志之一。虽然人类使用火已有很长的历史，但在相当长的时间内，人们对燃烧现象的本质几乎还是一无所知，而且往往把火蒙上一层神秘的色彩。十七世纪末，德国的斯塔尔提出燃素论作为燃烧理论，可以说是让燃烧成为门科学的最早的努力，虽然不久以后就被证明完全错误，但它所代表的一代科学家注意观察和理论总结的研究方法，却为后代科学家提供了一个范例，也正是这种精神，使后来正确的燃烧学说得到很快的发现。直到十八世纪中期，俄国科学家罗蒙洛索夫与法国化学家拉瓦希分别在1 7 5 6 年和1 7 7 7 年通过实验观测，提出燃烧是燃烧物质被氧化这一概念，建立了燃烧理论的基础。到了十九世纪H e s s，K i r c h

43、 o f f 等人发展了热化学和化学热力学，这是把燃烧装置作为热力学体系来研究，阐明了燃烧热、产物平衡组分和绝热燃烧温度之间关系的规律性。这对了解燃烧系统的静态特性是必要的、有用的。但是当时把热力学的特点看成是燃烧的唯一特点，没有考虑到其动态特性，因而对燃烧的认识是片面的、肤浅的。本世纪初，才建立起研究燃烧动态特性的理论，B L e w i s，H，H C e M e H o B 等人阐明了燃烧反应动力学的链式反应理论；L e w i s 和E l b e 发展了十九世纪M a l l a r d 和L e c h a t e l i e r 所提出的火焰传播概念，并提出了最小点火能量等基本概

44、念，这就为描述火焰奠定了物理基础。本世纪3 0 年代到4 0 年代，C e M e H o B 等人应用反应动力学和传热传质相互作用的观点，首次建立了着火及火焰传播的经典燃烧理论，D a m k o h l e r，K a r l o v i t z，S u m m e r f i e l d 等人则发展了经典的湍流燃烧理论。这时已认识到，限制燃烧过程的往往不是反应动力学过程，而是传热传质过程。从4 0 年代到5 0 年代，S p a l d i n g，H o t-t e l 等人基于扩散动力燃烧的观点，研究了液滴和碳粒燃烧，从5 0 年代到6 0 年代，V o n K a r m a n

45、提出用连续介质力学来研究燃烧，并建立了反应流体力学。之后F A W i l l i a m s，董道义，程心一等人，把边界层理论及射流理论等经典流体力学方法用于燃烧的研究，同时还研究了物理因素对燃烧的作用。从7 0 年代初开始，随着大型电子计算机的出现，D B S p a l d i n g，S V P a t a n k a r，L D S m o o t，程心一等人，比较系统地把计算流体力学方法用于层流及湍流燃烧的研究，建立了燃烧的数学模拟方法及数值计算方法，发展了一系列计算二维及三维问题的通用程序。与此同时，随着激光技术的发展，人们有可能用非接触法直接测量燃烧条件下的速度、温度、8浙江大

46、学硕士学位论文秦岭第二章低N O x 控制方法文件综述组分浓度、颗粒分布等，从而为进一步了解燃烧机理创造了条件。同时，燃烧科学的应用也得到了很大发展，成为现代文明社会的重要标志之一。燃烧技术的广泛应用和不断革新，大大推动了燃烧学科的发展。其他科学技术的发展对燃烧的应用也提出了越来越高的要求。例如现在必须探讨高速、高湍流下的燃烧，以解决喷气技术和火箭技术发展的问题；必须探讨高效率、高强度低污染燃烧技术，以解决热能工程中燃烧设备的经济和无公害运行问题；必须探讨劣质煤的合理燃烧方式，以解决自然资源的充分和合理利用问题；还必须探讨代用燃料的应用可能和发展前景，以解决人类未来对能源的需求问题等。2 1

47、2 煤粉燃烧技术燃烧科学和技术发展的最终目的是为了使燃烧得到控制和实施，即开发适用的燃烧装置。固体燃料的燃烧方式按其所选用的燃烧设备分类，可以有层燃式、悬浮式和沸腾式等燃烧方式，具体为：烧巨(上饲式)一固定床手烧炉，阶梯炉，抛煤机炉(下饲式卜1：饲炉，抽板顶升反烧炉(前饲式)一链条炉广固态排渣炉厂火炬式一煤粉炉_ L 液态排渣炉广_ L 一漩涡式一旋风炉r 链带式沸腾炉)一_ 鼓泡床沸腾炉L 循环流化床锅炉层燃是最早发展出来的一种燃烧方式，燃烧时燃料铺放在锅炉的炉排上，它结构简单，操作方便可靠，但效率相对较低，所以只在民用或工业中小型锅炉上采用。沸腾炉的起步较晚，是一种较新型的燃烧方式，它具有

48、强化燃烧，传热效果好，结构简单，钢耗量低等优点，特别是它的燃料适应性广，能燃用包括煤矸石、油页岩等在内的所有固体燃料以及可以实现炉内脱硫及较少产生氮氧化物而在如今得到快速的发展。如今国内最大的流化床电站锅炉已经达到3 0 万千瓦装机容量。相对于其他两种燃烧方式而言，煤粉炉悬浮燃烧具有更大的优势，技术成熟、燃烧强烈、燃烧效率高，在目前的燃烧方式中占多数，特别适合于大型锅炉，所以在电站锅炉上，绝大多数采用煤粉悬浮燃烧方式。如今，国内已开始大规模修建装机1 0 0 万千瓦的室燃电站锅炉。2 2 N O x 生成机理在燃煤锅炉中，生成的N O x 中有9 0 以上是N O，N 0 2 约占5 1 0，

49、而N 2 0 仅占1 左右，烟气中的N O x 主要是以N O 的形式存在，N O 在排入大气后会逐渐氧化成N 0 2 9浙扛大学硕士学位论文秦岭第二章低N 0 x 控制方法文件综述所以锅炉内N O x 生成机理主要是N O 的生成机理。煤粉燃烧过程中，N 0 x 生成主要有三种途径：燃料型N O x、热力型N O x 和快速型N O x。2 2 1 燃料型N O x燃料型N O x 顾名思义就是燃料中本身所含N 元素所生成的N O x，在燃煤锅炉中，燃料型N O x 占锅炉生成氮氧化物的主要部分。燃煤中含有很多含氮化合物，如喹啉C 5 H s N、吡啶C 9 H 7 N 和芳香胺C 6 H

50、s N H 2 见图2 1【1 1：碱性氮0 H吡啶喹啉异艾氏剂棚性氮印HHH吡咯吲哚咔唑图2-1 毗啶氮，毗咯氮的化学结构这些化合物中的氮以原子状态存在于氮的有机化合物中，其结合键的能量较小，一般为(2 5 2 6 3)X1 0 7 J m o l，而空气中氮气的结合键却高达9 4 5 1 0 7 J m o l。因而这些有机化合物中的氮在锅炉燃烧过程中就很容易分解出来被氧化生成N 0 x。这些有机化合物中的氮燃烧生成的N 0 x 就是燃料型N 0 x。这些有机化合物中的氮称为燃料氮。燃煤的燃料氮又可分为挥发份氮和焦炭氮，挥发份氮是煤在被加热时挥发份中所含的氮，焦炭氮为燃煤在挥发份挥发后焦炭