S-CO2燃煤锅炉烟气再循环燃烧过程NOX生成特性的数值模拟

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近年来,超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿动力循环发电技术由于其高效、灵活等优点得到了国内外诸多研究者的关注,世界各国也都加大了对这种新兴的燃煤发电技术研究的支持力度。不过,目前研究表明S-CO2锅炉需采用与常规水工质锅炉不一样的炉型和受热面布置,导致炉内温度和NOX排放都较常规水锅炉的更高,引入烟气再循环技术可同时降低其炉内燃烧温度和NOX排放水平,是一个较为合理的针对性运行措施,然而,目前对此方面的研究还比较少。为此,本文针对S-CO2燃煤锅炉在烟气再循环条件下的燃烧过程和NOX生成特性进行了深入的研究。本文采用ANSYS FLUENT数值模拟软件,对1000MW S-CO2大小炉膛双切圆锅炉进行了模型构建、网格划分、计算模型和参数以及边界条件的设置,之后开展了详细的模拟计算。其中,气相湍流流动采用Realizable k-ε方程模型,辐射传热采用P1模型,煤粉颗粒运动采用离散相模型,挥发分析出采用双平行竞争反应模型,挥发分燃烧采用EBU模型,焦炭燃烧采用动力学/扩散控制反应速率模型,NOX生成采用数值模拟的后处理过程进行模拟。本文详细考察了烟气循环率、烟气循环分配比及烟气循环方式等因素对炉内燃烧特性及NOX生成特性的影响。结果表明:(1)烟气再循环能有效降低炉内燃烧温度,提高烟气再循环率将降低炉膛出口的NOX排放。当烟气循环率到27%时,锅炉的NOX排放浓度降低明显,此时炉膛出口NOX浓度为302 ppm,继续提高再循环率,NOX降低不明显;(2)随着底部烟气循环分配比的增加,出口NOX浓度增加,当烟气循环分配比相对均匀时,燃烧效果最佳;(3)在同一烟气再循环率下,再循环烟气与二次空气混合喷入时,炉膛主燃区内温度均匀度提高,局部高温值降低。烟气再循环比例增加,炉内气体最高温度降低。不同方式喷入时,最高温度相差可达到87K。本文的研究结果为1000MW超临界二氧化碳燃煤锅炉的结构设计和优化设计提供理论依据和指导。
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