煤粉射流的高温空气燃烧特性与燃煤锅炉低Nox燃烧优化研究

摘要

随着能源消耗的增加与环保需求的提高，控制污染物排放成为环境领域与能源领域的重要课题之一。氮氧化物(NOx)是电站燃煤锅炉排放的主要污染物之一，为了满足国家日益严格的排放标准，寻求各个层面上的控制手段成为当今研究控制NOx排放的焦点。本文在此背景之下，开展了两方面的研究，一是煤粉射流在高温空气中的燃烧特性，二是基于人工智能的燃煤锅炉低NOx排放燃烧优化。
　　 高温空气燃烧技术已被证明在燃气工业炉上能取得节能、降低污染物排放的效果，但对于以煤炭为燃料的高温空气燃烧研究相对缺乏。基于人工智能的燃煤锅炉低NOx燃烧优化能有效降低NOx排放，在建模方法和优化算法上也需要进一步研究。
　　 本文主要内容包括两部分，第一部分为煤粉射流在高温空气中的燃烧特性，第二部分为基于人工智能的300 MW双炉膛燃煤锅炉低NOx燃烧优化研究。主要研究内容包括：
　　 (1)高温空气的发生。本论文采用丙烷气体在燃料贫燃条件下的燃烧产物作为煤粉射流燃烧所需的高温空气。为此，设计了一种多孔材料火焰稳定的协流燃烧器，中心射流为煤粉射流。最小协流平均温度为850 K，最大协流平均温度为1138 K。在测试实验条件下，高温空气温度Tcoflow均匀的区域面积约为40 mm(径向)×100 mm(轴向)，温度水平受丙烷流量影响，约1000～1100 K。
　　 该协流燃烧器可提供氧气浓度7～9％左右、高温空气温度Tcoflow为1000～1100 K左右的高温空气。
　　 (2)基于图像处理的火焰振荡频率与火焰高度的测量
　　 利用高速摄影对射流火焰振荡频率进行了测量。研究结论表明，火焰上部的振荡频率<火焰中部的振荡频率<火焰根部的振荡频率。火焰振荡频率随着一次风速度、给粉速度、煤粉粒径、随着煤阶的增加而增加，且根部区域增加的幅度要大于中部和上部区域的变化幅度；随化学当量比φ先增加，然后降低；火焰振荡频率基本上不随O2/CO2比例变化。
　　 (3)煤粉射流在高温空气燃烧中碳燃尽特性、氮析出特性研究。
　　 利用水冷探针对煤粉射流采样，对灰样进行元素分析与灰含量测定。实验结果表明，随着高温空气温度降低、氧气浓度的升高，碳剩余率越低，即燃尽率越高。当一次风为O2/CO2时，随着氧气浓度增加，烟煤和无烟煤的碳剩余率都降低。相同条件下，O2/CO2燃烧环境对无烟煤的影响要大于烟煤，这可能是烟煤含有高灰分的阻碍了CO2与C的气化反应。
　　 同时，随着高温空气温度的降低、氧气浓度的增加，无烟煤元素氮的剩余率要低于元素碳的剩余率，但相差并不大。
　　 (4)煤粉射流高温空气燃烧初期NOx排放研究
　　 当一次风为空气时，在本文所研究的四组高温空气参数中，烟煤与褐煤的NOx变化规律相类似，即随着高温空气温度的降低、氧气浓度升高，NOx排放值随之降低。烟煤燃烧初期的NOx为389～299 mg/m3，褐煤燃烧初期的NOx为1313～1080 mg/m3；SH无烟煤的燃烧初期 NOx排放规律与烟煤和褐煤不同，随着高温空气温度的降低、氧气浓度升高，NOx排放值随之增加，为513～767 mg/m3。
　　 当一次风为CO2肘，在距离喷嘴出口位置到射流下游300 mm位置内，褐煤燃烧初期的NOx排放特性与烟煤不同，褐煤燃烧初期的NOx提前得到还原。当一次风为O2/CO2时，随着一次风中氧气浓度的增加，烟煤燃烧初期的NOx排放也随之增加，无烟煤燃烧初期的NOx排放先降低然后再增加，其原因可能是着火延迟导致的火焰拉长与火焰峰值温度的降低。富氧燃烧能够有效降低燃烧初期NOx排放，根据煤种的不同，降低幅度为38.78％～59.87％
　　 当一次风为空气时，无烟煤煤粉越细，初期NOx的排放浓度越低，与煤粉常规空气燃烧呈现出相似的规律。
　　 (5)燃煤锅炉NOx排放预测模型的建立。针对一台300 MW双炉膛燃煤锅炉，通过交叉相关性分析了锅炉运行参数与NOx排放量之间的依赖关系。为了消除各锅炉参数之间可能存在的线性相关性，对锅炉参数进行了主元分析。结果表明，只需18个主元可解释21个参数的99.999％，最终的NOx排放预测模型的最终输入减少到19个锅炉运行参数。
　　 SVR模型预测准确度最高，验证数据上的平均相对误差为1.59％，执行时间164sec，GRNN模型其次，BPNN模型再次，线性模型最差。SVR模型的执行时间仅为GRNN的16.7％，BPNN的3.9％。
　　 (6)低NOx排放燃烧优化。基于燃煤锅炉的NOx排放模型，利用遗传算法GA、蚁群算法ACO、分布估计算法EDA和粒子群算法PSO分别对模型的输入参数(即锅炉运行参数，一次风速和二次风速)进行了寻优。四种算法的计算时间分别为：120.18sec、120.14 sec、84.68 sec、29.17 sec。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

表目录

1 绪论及文献综述

1.1 研究背景和意义

1.2 高温空气燃烧技术研究现状

1.2.1 高温空气燃烧技术实现工艺

1.2.2 高温空气燃烧的火焰特征

1.2.3 高温空气燃烧的火焰光谱

1.2.4 高温空气燃烧的反应区结构

1.2.4 高温空气燃烧的NOx排放

1.2.5 高温空气燃烧的数值计算

1.2.6 高温空气燃烧的国内研究现状

1.2.7 低热值燃料的利用

1.2.8 高温空气气化(HTAG)

1.2.9 固体燃料高温空气燃烧

1.3 基于计算智能的低NOx燃烧优化研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 实验装置和实验方法

2.1 引言

2.2 实验台总体结构

2.3 火焰稳定装置

2.4 燃烧器混合腔

2.5 煤粉射流的给料系统

2.6 数据采集系统

2.6.1 燃料输送系统

2.6.2 温度测量系统

2.6.3 烟气成份测量仪器

2.7 高速数字摄像测试系统

3 高温空气参数(协流气氛)实验测量

3.1 引言

3.2 丙烷预混火焰的理论计算

3.3 高温空气发生实验简介及工况设计

3.4 协流气氛的轴向温度测量结果

3.4.1 化学当量比对高温空气温度的影响

3.4.2 丙烷流量QC3H8对高温空气温度的影响

3.5 高温空气的二维温度场分布结果

3.6 高温空气氧气浓度测量结果

3.6.1 化学当量比对高温空气氧气浓度的影响

3.6.2 丙烷流量对高温空气氧气浓度的影响

3.7 高温空气中CO2浓度测量结果

3.7.1 化学当量比对高温空气中CO2浓度的影响

3.7.2 丙烷流量对高温空气中CO2浓度的影响

3.9 本章小结

4 基于图像处理的煤粉射流火焰振荡频率与火焰高度的测量

4.1 引言

4.2 火焰振荡频率

4.2.1 火焰振荡的研究进展

4.2.2 实验系统及射流火焰振荡频率的计算方法

4.3 煤粉射流高温空气燃烧火焰振荡频率的实验结果

4.3.1 一次风速度对火焰振荡频率的影响

4.3.2 高温空气参数对火焰振荡频率的影响

4.3.3 一次风O2/CO2比例对火焰振荡频率的影响

4.3.4 给粉速度对火焰振荡频率的影响

4.3.5 煤粉粒径对火焰振荡频率的影响

4.3.6 煤种对火焰振荡频率的影响

4.4 基于图像的煤粉射流火焰高度测量

4.4.1 火焰高度测量的简述

4.4.2 火焰高度测量实验系统与测量方法

4.4.3 火焰高度测量结果

4.5 本章小结

5 煤粉射流高温空气燃烧初期NOx排放研究

5.1 引言

5.2 实验台架与实验煤种

5.3 煤粉射流高温空气燃烧初期元素碳燃尽率

5.4 煤粉射流高温空气燃烧初期元素氮析出规律

5.5 煤粉射流高温空气燃烧初期NOx排放

5.5.1 一次风为空气时的NOx排放

5.5.2 一次风为CO2条件下燃烧初期的NOx排放

5.5.3 一次风为O2/CO2条件下的NOx排放

5.5.4 煤粉粒径对高温空气燃烧初期NOx排放的影响

5.6 本章小结

6.NOx排放预测模型研究

6.1 引言

6.2 燃烧过程NOx预测模型的研究进展

6.3 锅炉介绍与NOx排放数据

6.4 燃烧过程NOx建模方法介绍

6.4.1 多元线性回归(MLR)

6.4.2 反向传播神经网络(BPNN)

6.4.3 广义回归神经网络(GRNN)

6.4.4 支持向量机(SVM)

6.4.5 燃烧过程NOx排放预测建模过程

6.5 燃烧过程NOx排放的预测结果

6.5.1 MLR的预测结果

6.5.2 BPNN模型的结果

6.5.3 GRNN模型的结果

6.5.4 Grid-SVR模型的结果

6.5.5 ACO-SVR模型的结果

6.5.6 模型的比较

6.6 本章小结

7 低NOx燃烧优化算法研究

7.1 引言

7.2 低NOx燃烧优化研究进展

7.3 燃烧优化算法介绍

7.3.1 遗传算法简介(GA)

7.3.2 蚁群算法简介(ACO)

7.3.3 粒子群算法描述(PSO)

7.3.4 分布估计算法描述(EDA)

7.4 低NOx优化算法的终止标准

7.5 燃煤锅炉低NOx燃烧优化结果

7.5.1 ACO优化结果

7.5.2 PSO优化低NOx结果

7.5.3 EDA优化结果

7.6 低NOx燃烧优化算法的比较

7.6.1 控制参数选取

7.6.2 四种优化算法收敛速度的比较

7.6.3 四种优化算法的优化结果比较

7.7 本章小结

8 全文结论、创新点和展望

8.1 论文主要内容和结论

8.2 论文的主要创新点

8.3 下一步工作的展望

参考文献

作者简历

发表论文

附录A 协流火焰的直接图像