单颗粒焦炭氮转化的数值模拟研究-热能工程专业论文.docxVIP

Classified Index：TK224 U.D.C：621.18 Dissertation for the Master Degree in Engineering NUMERICAL SIMULATION OF SINGLE-PARTICAL CHAR-NITROGEN CONVERSION Candidate： Guo Bin Supervisor： Prof. Sun Rui Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Thermal Energy Engineering Affiliation： School of Energy Science Eng. Date of Defence： July, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 摘 要 - - I - 摘 要 煤炭作为我国的重要一次能源，其燃烧带来了严重的环境问题。NOx 作为一种 环境污染物，会造成酸雨、光化学烟雾等环境问题，同时还对人类的健康有害， 因而引起了世界各国的广泛重视。火电厂是氮氧化物排放的主要来源之一，而燃 煤电厂又在其中占有主要份额。严峻的环境问题以及新国标提出的严格的排放限 值，对降低 NOx 的排放提出了新的要求。要进一步降低 NOx 的排放就必须对煤中 氮向 NOx 的转化有更加清楚的认识。煤中氮分为挥发分氮和焦炭氮两部分向氮氧 化物进行转化，而焦炭氮向氮氧化物的转化过程与机理还不十分清楚，通过建立 单颗粒模型对焦炭氮向氮氧化物的转化进行计算，是认识焦炭氮转化过程的有效 方法。 本文以描述燃烧过程中温度变化的能量守恒方程与描述气体组分变化的气体 组分质量守恒方程为基础，通过隐式有限容积法对方程进行离散求解。方程中涉 及到的反应源项，通过选取相应的反应机理来确定，包括碳燃尽的反应机理以及 焦炭氮转化的反应机理。碳燃尽的反应机理选定四步表面反应机理、CO 与 O2 的 同相容积反应以及 CO2 与碳的异相表面反应。焦炭氮向氮氧化物转化机理，选定 焦炭氮直接氧化生成 NO，而不考虑先生成中间产物再由中间产物生成 NO 这样的 反应路径以及流化床条件才作用显著的 N2O。NO 的还原反应机理考虑 NO 与焦炭 的表面还原反应以及 NO 与 CO 的容积还原反应。 由于燃烧过程中扩散作用的重要性，本文对气体在颗粒内部的分布情况进行 了计算。主要是 O2 与 NO 在颗粒内部的浓度分布情况以及温度、颗粒粒径、气体 浓度对扩散过程的影响，计算结果显示温度升高、粒径增大均不利于气体的扩散， 而气体浓度增大对于气体扩散具有一定的促进作用。 在焦炭氮向 NO 转化的研究中，计算了不同温度、氧浓度、颗粒粒径及环境 NO 浓度条件下氮转化率的变化情况。在 900℃以上，煤焦焦炭氮向 NO 的转化率 随温度的升高而下降；氧浓度对焦炭氮向 NO 转化影响复杂，在温度低于 1200℃ 时，氮转化率受氧浓度变化的影响较小，而当温度高于 1200℃时，氮转化率随氧 浓度的升高而升高，在氧浓度高于 10%后，氮转化率不再随氧浓度升高而变化； 粒径增大焦炭氮向 NO 的转化率降低；焦炭氮向 NO 的转化率随环境 NO 浓度增大 而降低，且这一作用受温度的影响。 关键词：煤焦；焦炭氮转化；单颗粒模型；数值计算 A Abstract - - II - Abstract As important primary energy of China, combustion of coal Brings serious environmental problems. NOx causes environmental problems, such as acid rain and photochemical smoke and so on, as one of environmental pollutant. at the same time, NOx is Harmful to human health. So the problem of NOx caused the wide attention around the world. heat-engine plant is a primary source of NOx. Meanwhile, Coal-fired power plants has a major share in it. Severe environmental problems and Stringent emission limits of new national s