Experimental and numerical investigation of flameless pulverised coal combustion [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Hannes Alexander Stadler

Hannes Stadler

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 42
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

ExperimentalandNumericalInvestigationof
FlamelessPulverisedCoalCombustion
Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Hannes Alexander Stadler
Berichter:
Universitätsprofessor Dr.-Ing. Reinhold Kneer
Univ Dr.-Ing. Roman Weber
Tag der mündlichen Prüfung: 23. Juli 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der
Hochschulbibliothek online verfügbar.Danksagung
Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen. Mein Dank gilt Prof. Kneer für die Betreuung der Arbeit und
Prof. Weber für die Übernahme des Korreferats.
Mein Dank gilt auch allen ehemaligen und gegenwärtigen Mitarbeitern des WSA für
die stets sehr gute Zusammenarbeit und das tolle Arbeitsklima. Bei den Mitgliedern
der Kohlegruppe möchte ich mich darüber hinaus noch ganz besonders für die gute
Zusammenarbeit an der Versuchsanlage und die Unterstützung in zahlreichen Tag-
und Nachtschichten bedanken, ohne die der “experimentelle” Teil dieser Arbeit gar
nicht erst möglich gewesen wäre.
Die Idee zu dieser Arbeit kam durch das vom Research Fund for Coal and Steel
geförderte Projekt FLOX-COAL. Den Partnern der beteiligten Institute und Firmen
möchte ich für zahlreiche interessante Diskussionen danken. Bei Dragisa Ristic ich mich zudem für die Bereitstellung von Messdaten bedanken, die die
Grundlage für den Vergleich zwischen Experiment und Simulation in dieser Arbeit
darstellen.
Auch den Studenten, die durch Ihre Studienarbeiten oder als Hiwi einen Beitrag
zum Gelingen dieser Arbeit geleistet haben möchte ich meinen Dank aussprechen.
Mein größter Dank gilt meiner Frau Nadia für die unendliche Geduld, mit der
sie sich um unsere Kinder Ann-Sophie und Finia gekümmert hat, sowie für die
immerfortwährende Unterstützung, mit der sie maßgeblich zum Gelingen dieser
Arbeit beigetragen hat.
Aachen, im August 2010 Hannes StadlerContents
Nomenclature V
List of Figures IX
List of Tables XIII
1 Introduction 1
2 Nitrogen Oxides 3
2.1 Formation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Thermal NO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Fuel NO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Prompt NO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 N O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.1.5 Reburning of NO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Control Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Air Staging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Flameless Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Flameless Combustion 21
3.1 Recent Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.1 High Temperature Air Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Flameless Coal Combustion under Pressurised Conditions . . . 25
ICONTENTS
3.1.3 Flameless Coal Combustion in Reburning Furnaces . . . . . . . 26
3.1.4 EU-Project FLOX-COAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.5 ROFA – Rotating Opposed Fire Air . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Characteristics of Flameless Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 Te Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Burnout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 Experimental Investigations 31
4.1 Test Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Burner Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Coal Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.2 Flow Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 Flue Gas Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.2 Laser Doppler Anemometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.3 Chemiluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 Global Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.1 Influence of Coal Carrier Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.2 of Burner Air Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5.3 Influence of Wall Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5.4 of Inlet Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.5 Influence of Primary Combustion Zone Length . . . . . . . . . 50
4.5.6 of Thermal Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Conclusions from Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Numerical Investigations 55
5.1 Numerical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 Turbulence Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.2 Turbulence-Chemical Reaction Interaction Model . . . . . . . . 58
5.1.3 Coal Combustion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.4 Radiation Heat Transfer Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
IICONTENTS
5.2 Validation of Numerical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3 Models for the Prediction of NO Emissions . . . . . . . . . . . . . . . 64x
5.3.1 Model 1: De Soete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.2 Model 2: Chen et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.3 Model 3: Förtsch et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.4 Model 4: Taniguchi et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.5 Discussion of NO models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4 Global NO Model for Flameless Coal Combustion . . . . . . . . . . . . 77
5.4.1 Reaction Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4.2 OH Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.3 Reaction Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.4 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.1 Significance of NO Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5.2 Comparison with Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6 Conclusions from Numerical Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6 Flameless Coal Combustion in Utility Boilers 97
6.1 Boiler Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.1.1 Wall Fired Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.1.2 Tangentially Fired Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2 Opole Power Plant BP-1150 Boiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 Burner and Furnace Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2.3 Conclusions from Simulations of Utility Boiler . . . . . . . . . . 115
6.3 Optimisation of Boiler Design for Flameless Combustion . . . . . . . . 115
7 Summary 117
Bibliography 121
IIIIVNomenclature
Roman letters
3[X] molar concentration of species X mol/m
A preexponential factor in Arrhenius equation
2A specific surface of char particles m /g
a rate exponent for O in the de Soete model2
d diameter m
E activation energy J/mol
3E emission, volume based mg/m
0E energy based mg/MJ
f frequency 1/s
G Gibbs energy J/mol
H enthalpy J/mol
K equilibrium constant
k reaction rate constant
K efficiency factor for homogeneous reburningc
L fraction of nitrogen retained in char after devolatilisation
m˙ mass flow kg/s
M molar mass g/mol
VNOMENCLATURE
m Craya-Curtet number
P momentum kg/(m s)
p pressure Pa
R universal gas constant J/(K mol)
r recirculation ratio
2S cross sectional area m
S entropy J/(mol K)
2S surface area of char mext
T temperature K
t time s
u (particle) velocity m/s
3˙V volumetric flow rate m /s
V molar volume (22.4 l/mol)M
3V specific volume m /kgspec
3w kinetic rate of reaction mol/(m s)
X mole fraction mol /moli
Y mass fraction kg /kgi
Greek letters
a,b corner angles for combustion air
# emissivity
j angle between axis of receiving and transmitting optics in LDA systems
l air ratio
l wavelength m
3r density kg/m
VI