煤粉柔和燃烧中流动与化学反应相互作用机理研究

MILD combustion applied for coal shows great advantages in the aspects of ignition, combustion stability, fuel burnout and NOx emissions. However, to realize MILD combustion for coal, the fluid flow inside the combustor and the interaction between flow and reaction should be properly organized. To this end, present work was advanced to probe into the interaction mechanism between fluid flow and chemical reaction in coal MILD combustion. Firstly, with CHEMKIN procedure, chemical reaction network model is constructed to study the thermodynamics and chemical kinetics of coal MILD combustion, also the influence of flue gas recirculation ratio on the thermodynamics and chemical kinetics of coal MILD combustion is examined. Then, CFD simulation is conducted to analyze the effect of secondary air injection velocity and air swirling number on the hot flue gas recirculation, air/coal mixing, coal devolatilization, char burnout and NOx production. Combustion experiment is launched to acquire the detail information on the velocity, species and temperature distribution across the combustor. In combination of the computational and experimental data, the interaction mechanism between the fluid flow and chemical reaction in coal MILD combustion is deeply inquired.

柔和燃烧技术应用于煤粉在着火、燃烧稳定性、燃尽率、NOx减排方面有一定优势，但煤粉要实现柔和燃烧需要充分的流场组织和流动与反应的合理匹配，在此背景下开展煤粉柔和燃烧流动与反应相互作用机理研究。项目首先基于CHEMKIN程序建立化学反应网络模型，研究煤粉柔和燃烧的热力学条件和反应动力学特征，确定煤粉发生柔和燃烧所需的烟气回流比例范围，并掌握烟气回流比例对煤粉柔和燃烧反应动力学的影响机理。然后通过数值模拟研究主反应区射流和旋流的相互作用机制，分析射流旋流耦合、空气分级对煤粉柔和燃烧室内部烟气回流、风煤混合、煤粉停留时间、挥发分析出/燃烧、焦炭燃烧、NOx生成与还原等流动和反应细节的影响。项目还开展热态实验，通过PIV/PLIF/PDPA等激光设备获得柔和燃烧室内部的速度、组分和温度分布。综合化学反应网络模型、数值模拟、热态实验的数据分析煤粉柔和燃烧室内部流动与反应的相互作用机制。

柔和燃烧技术应用于煤粉在着火、燃烧稳定性、燃尽率、NOx减排方面有一定优势，但煤粉要实现柔和燃烧需要充分的流场组织和流动与反应的合理匹配，在此背景下开展煤粉柔和燃烧流动与反应相互作用机理研究。项目建立了化学反应网络模型，研究了煤粉柔和燃烧的热力学条件和反应动力学特征，确定煤粉柔和燃烧的临界烟气回流比例，并明确了烟气回流比例对点火延迟时间的影响机理。项目数值模拟研究了主反应区强射流和弱旋流的相互作用机理，分析了射流旋流耦合对燃烧的影响。项目通过数值模拟结合实验的手段，研究了空气分级对煤粉柔和燃烧烟气回流、风煤混合、煤粉停留时间、燃烧、NOx排放的影响。.获得了以下重要结论：.（1）煤粉柔和燃烧流场分布主要受空气射流的影响，喷嘴位置和射流速度是影响流场分布的主要因素。二次风喷嘴位置对流场的影响强于一次风。二次风喷嘴与炉膛中心距离的增加，烟气回流比先增大后减小。二次风射流速度越大，对烟气的卷吸作用越强，风煤掺混越剧烈，颗粒物分布更加弥散。.（2）煤粉进入柔和燃烧炉膛，和二次风卷吸回流的烟气剧烈掺混，连续相与颗粒相进行充分的热质交换。煤粉颗粒在回流区旋转流动，增加了颗粒平均停留时间。.（3）相对于一次风喷嘴位置的变化来说，二次风喷嘴布置对颗粒平均停留时间的影响更大，随着二次风喷嘴与炉膛中心距离的增加，颗粒平均停留时间先增大后减小。颗粒平均停留时间随着二次风射流速度的增大而变短。.（4）空气分级下，主反应区是富燃料氛围，主反应区峰值火焰温度在1200摄氏度以下，低火焰温度抑制了热力型NO的生成，同时富燃料气氛，CH、HCN自由基的还原作用导致部分NO被还原成N2，这些机理均导致空气分级柔和燃烧下的NO排放显著低于空气不分级柔和燃烧。.（5）一二次风量占比为0.7, 燃尽风入口位置在2600 mm处,燃烧性能最优，NO排放仅为140 mg/Nm3。.项目研究成果指导了1t/h锅炉煤粉柔和燃烧器的开发，为煤粉柔和燃烧器开发提供了重要的实验和理论机理数据支撑。