王 能，程宇婷，劉 石

(華北電力大學(xué)“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，北京102206)

0 引 言

富氧燃燒技術(shù)是一種既能直接捕集高濃度CO2，又能綜合控制燃煤污染物排放的新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù)［1］。國內(nèi)外學(xué)者對燃煤O2/CO2氣氛下NOx生成與排放規(guī)律的研究主要基于實(shí)驗(yàn)裝置，由于實(shí)驗(yàn)條件局限在煤粉堆積狀態(tài)及700 ～1 300 ℃下，因而鍋爐的內(nèi)部燃燒過程與這些實(shí)驗(yàn)環(huán)境有很大的差距。據(jù)此，利用數(shù)值計(jì)算方法，了解爐內(nèi)過程，全面模擬爐內(nèi)的湍流流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物釋放規(guī)律等是很有必要的［2］。本文針對設(shè)計(jì)的0.3 MW 燃煤鍋爐，利用Fluent 中RNG k - ε 模型模擬湍流特性，概率密度函數(shù) (PDF)模型模擬湍流燃燒，DO 模型模擬爐內(nèi)輻射換熱情況，NOx模型模擬NO 生成，對不同初始氧濃度Φ (O2=21%、30%、35%、40%)的O2/CO2氣氛，共四種工況下的爐膛內(nèi)燃燒及污染物生成進(jìn)行了數(shù)值研究，分析不同初始氧濃度對燃燒室內(nèi)的組分場和溫度場分布的影響規(guī)律，為現(xiàn)有燃煤電站鍋爐中采用O2/CO2燃燒方式的鍋爐的設(shè)計(jì)和小型鍋爐的運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 研究對象

1.1 幾何模型

本實(shí)驗(yàn)研究的0.3 MW 爐膛和輔助設(shè)備的布置情況如圖1。設(shè)計(jì)的爐膛為縱置長方體，其尺寸為2 m ×1 m ×1 m。

圖1 燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 The table of combustion experiment

旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，新型設(shè)計(jì)的旋流燃燒器為圓筒式旋流燃燒器，中心通道為一次風(fēng)通道，流動(dòng)的為一次風(fēng)與煤粉顆粒;外圍環(huán)形通道為二次風(fēng)通道，包括旋流二次風(fēng)和直流二次風(fēng)。常用的軸向葉片旋流器主要有三種形式:螺旋扭曲葉片、彎曲葉片和直葉片。本次模擬選用的是直葉片，其優(yōu)點(diǎn)是加工制造簡單，缺點(diǎn)是阻力相對較大，應(yīng)當(dāng)使葉片的入口端與氣流方向一致，以免產(chǎn)生很大的渦流［3］。

軸向可動(dòng)葉輪旋流器的葉片是可以通過旋轉(zhuǎn)葉片來調(diào)節(jié)旋流角度的。為了便于加工和更換旋流葉片角度進(jìn)行對比，葉片固定于二次風(fēng)管外側(cè)，葉片數(shù)Z =12。

圖2 旋流燃燒器三維設(shè)計(jì)圖Fig.2 3D design drawing of the rotary flow burner

1.2 網(wǎng)格劃分

圖3 和圖4 分別給出了旋流燃燒器及燃燒室空間的網(wǎng)格分布情況。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了方便燃燒器模型網(wǎng)格劃分以及邊界條件中參數(shù)的設(shè)定，對旋流燃燒器模型進(jìn)行了一定程度的簡化。本旋流燃燒器網(wǎng)格的劃分采用了四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量在100 萬左右，可以達(dá)到所需要的精度。

圖3 旋流燃燒器局部網(wǎng)格圖Fig.3 Local grid figure of the rotary flow burner

圖4 燃燒室網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid partition of the combustion chamber

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 湍流模型

本文涉及到的計(jì)算模型為湍流模型。目前湍流模型中應(yīng)用最為廣泛的是k - ε 兩方程模型。RNG k -ε 模型為標(biāo)準(zhǔn)模型k -ε 的改進(jìn)方案。標(biāo)準(zhǔn)模型k -ε 是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，再經(jīng)過修正得到模型，RNGk - ε 模型中的常數(shù)是由理論推導(dǎo)得出。因此與k - ε 模型相比，RNGk - ε 模型更能夠反映實(shí)際情況［4］。同時(shí)，由于本模型中涉及到強(qiáng)旋流風(fēng)，因此本次數(shù)值計(jì)算選用RNGk - ε 模型。

該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下［5］:

式中:k，ε 分別為湍流能和耗散率;Gk，νT分別為湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)和渦粘性系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)給出的經(jīng)驗(yàn)值［6］，上述方程中常數(shù)項(xiàng)的取值分別為

2.2 湍流燃燒模型

現(xiàn)在湍流燃燒的模型主要有直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬 (LES)、隨機(jī)渦模擬、概率密度函數(shù)輸運(yùn)方程模擬 (PDF)等模型。

PDF 燃燒模型不要求用戶顯式地定義反應(yīng)機(jī)理，而是通過火焰面方法或化學(xué)平衡計(jì)算來處理，因此比有限速率模型有更多的優(yōu)勢［5］?？紤]到本次計(jì)算的實(shí)際情況，使用PDF 燃燒模型作為燃燒模型，計(jì)算燃燒室中的燃燒。

2.3 輻射傳熱模型

DO 輻射模型是在有限離散立體角內(nèi)求解輻射傳遞方程 (RTE)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

DO 輻射模型適用范圍廣，可以解決從面面間輻射到燃燒空間輻射等問題，能夠方便地處理入射散射項(xiàng)［7］?？紤]到離散坐標(biāo)輻射傳熱模型在計(jì)算精度、計(jì)算量及邊界處理等方面的優(yōu)越性，故本文選用DO 輻射模型來計(jì)算爐內(nèi)的輻射換熱。

2.4 NOx模型

NOx的生成機(jī)理有三種:溫度型NOx，燃料型NOx，快速溫度型NOx［8］。鍋爐燃燒釋放出來的NOx一般為NO、NO2和N2O，其中NO 約占90%以上，NO2約占5% ～10%，而N2O 只占1%，因而在研究燃煤鍋爐NOx的排放時(shí)，主要討論NO 的生成機(jī)理［9］。本文只對NO 生成進(jìn)行研究。

NO 生成模型分為:熱力型NO、快速型NO和燃料型NO 生成模型，其反應(yīng)機(jī)理如圖5 所示。反應(yīng)1，2 為燃料N 的釋放反應(yīng)，3，4，5 為NO生成反應(yīng)，6，7，8 為NO 還原反應(yīng)。燃料型NO是由燃料中的N 生成的。在煤粉爐中，燃料型NO 可占總NO 生成的75% ～95%，熱力型和快速型NO 主要由空氣中的氮?dú)庋趸鴣怼Ｈ绻荗2/CO2氣氛下燃燒，產(chǎn)生的熱力型和快速型NO的極少。

圖5 NO 反應(yīng)機(jī)理Fig.5 Reaction principle of NO

燃料N 在煤顆粒升溫?zé)峤膺^程中，一部分解為揮發(fā)份N，隨揮發(fā)分釋放，直接生成HCN (反應(yīng)1);一部分成為焦炭N 隨煤焦燃燒釋放，直接生成NHi(反應(yīng)2)。HCN 氧化生成NHi(反應(yīng)3)，NHi若被氧化則生成NO (反應(yīng)4)。N2可直接氧化為熱力型NO (反應(yīng)5)。已生成的NO可通過反應(yīng)6，7，8 分別與CHi，NHi和煤焦反應(yīng)，被還原成為

計(jì)算中考慮到NO 濃度低，NO 生成過程對氣相物質(zhì)的混合特性、熱力學(xué)特性及燃燒產(chǎn)物的分布影響很小，所以對NO 生成特性的模擬采用后處理計(jì)算的辦法，即在計(jì)算燃燒反應(yīng)的結(jié)果收斂后，再計(jì)算NO 生成［9］。

2.5 邊界條件

計(jì)算邊界條件包括給定入口流速，燃料和一、二次風(fēng)的溫度，燃料成分等。一、二次風(fēng)噴口的邊界條件都采用速度入口。根據(jù)計(jì)算得到一次風(fēng)的速度為12 m/s，二次風(fēng)的速度為14.4 m/s，一次風(fēng)的溫度為400 K，二次風(fēng)的溫度為660 K，設(shè)定煤粉顆粒的入口速度與一次風(fēng)相同。該鍋爐所燃用煤種元素分析和低位發(fā)熱量及比熱分析如表1 所示。

監(jiān)視數(shù)值計(jì)算收斂的條件是:速度項(xiàng)殘差 ＜1 × 10-3，K，ε 的殘差 ＜1 × 10-3。

表1 燃料性質(zhì)Tab.1 Fuel properties

3 模擬結(jié)果與分析

本節(jié)以富氧旋流燃燒室為研究對象，研究在富氧燃燒條件下，燃料的基本燃燒特性，通過調(diào)整O2/CO2混合氣氛中的氧氣體積分?jǐn)?shù)Φ 來分析爐內(nèi)溫度場、燃燒污染物的生成和變化情況。

3.1 初始氧濃度對組分場的影響

3.1.1 初始氧濃度對CO 分布的影響

圖6 ～9 給出了在4 組Φ(O2= 21%，30%，35%，40%)工況下，中心截面上CO 濃度分布。圖10 給出了各工況下爐膛出口CO 平均濃度。各工況下，在燃燒器噴口的高溫區(qū)對應(yīng)的CO 的濃度都較高。在爐膛的高溫區(qū)，煤粉燃燒劇烈消耗大量氧氣，造成周圍O2不足，煤粉不能完全燃燒而生成較多CO，形成CO 峰值。隨爐膛深度的增加，CO逐漸被氧化，CO 隨之減少，CO 在爐膛出口處接近完全燃燒。

在O2/CO2氣氛下，CO2代替N2后，由于CO2的比熱較大，且與燃燒產(chǎn)物相同，影響燃燒區(qū)域的溫度和燃燒生成的CO2的擴(kuò)散，導(dǎo)致煤粉綜合燃燒特性指數(shù)減少［10］。因此在Φ =21%的氣氛下，CO在出口的濃度偏高。由圖10 可見，在O2濃度較低時(shí)，隨著O2濃度增高，煤的燃燒性能得以改善，爐膛出口CO 平均濃度大大降低，但Φ 從30%增大到40%，CO 平均濃度只是小幅下降，再增加O2濃度，對于減少出口CO 濃度的影響不大。

圖6 Φ =21%工況下爐膛CO 分布Fig.6 Furnace CO distribution when Φ =21%

3.1.2 初始氧濃度對CO2分布的影響

圖7 Φ =30%工況下爐膛CO 分布Fig.7 Furnace CO distribution when Φ =30%

圖8 Φ =35%工況下爐膛CO 分布Fig.8 Furnace CO distribution when Φ =35%

圖9 Φ =40%工況下爐膛CO 分布Fig.9 Furnace CO distribution when Φ =40%

圖11 ～14 給出了在4 組Φ(O2= 21%，30%，35%，40%)工況下，中心截面上CO2的濃度分布。圖15 給出了各工況下爐膛出口CO2的平均濃度。由圖11 ～14 可見，各個(gè)工況下，在燃燒器噴口的高溫區(qū)對應(yīng)的CO2的濃度較低，而由CO 的分布圖可見CO 濃度卻較高，隨爐膛深度的增加，CO 被逐漸氧化生成CO2，使得CO2增加。由圖15 可見，在O2/CO2氣氛下，隨著初始氧濃度的升高，煙氣中CO2的濃度峰值和出口截面上CO2的平均濃度都相應(yīng)降低，這是因?yàn)楦鞴r一、二次風(fēng)的流量都一樣，隨著Φ 值增大，O2的過量系數(shù)不斷增加。雖然提高了煤粉的燃盡程度，增加了燃燒生成CO2的量，但增量有限，而未燃盡O2的濃度不斷增加，降低了煙氣中CO2的濃度，并且隨著Φ 值增大，這種降低的趨勢越來越大。另外，爐膛內(nèi)CO2的濃度峰值都可達(dá)93%以上，在Φ =21% 工況下有96.6% 的最高峰值。在Φ = 21%，Φ = 30% 和Φ = 35% 等3 種工況下，出口截面上CO2平均濃度也都達(dá)到了90%以上，Φ = 40% 工況下，出口濃度為87%，較高的CO2濃度有利于CO2的回收。

圖10 各工況下爐膛出口CO 平均濃度Fig.10 The mean concentration of CO chamber exports under various operating condition

圖11 Φ =21%工況下爐膛CO2 分布Fig.11 Furnace CO2 distribution when Φ =21%

圖12 Φ =30%工況下爐膛CO2 分布Fig.12 Furnace CO2 distribution when Φ=30%

3.1.3 初始氧濃度對NO 分布的影響

圖13 Φ =35%工況下爐膛CO2 分布Fig.13 Furnace CO2 distribution when Φ=35%

圖14 Φ =40%工況下爐膛CO2 分布Fig.14 Furnace CO2 distribution when Φ =40%

圖15 各工況下爐膛出口CO2 平均濃度Fig.15 The mean concentration of CO2 chamber exports under various operating condition

圖16 ～19 給出了在4 組Φ(O2=21%，30%，35%，40%)工況下，中心截面上NO 的濃度分布。圖20 給出了各工況下爐膛出口NO 平均濃度分布。由圖16 ～19 可看出，在O2/CO2的燃燒方式下，NO 濃度較高的區(qū)域集中在燃燒器后。由圖20 可見，NO 的出口平均濃度為先增大后減少的趨勢。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加，燃燒溫度升高，煤粉的燃盡程度增加，提高了熱解過程中燃料N 向HCN 的轉(zhuǎn)化率;同時(shí)，由于氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，揮發(fā)分生成速率增加不多，所以揮發(fā)分CHi對NO 的均相還原作用較弱，而爐內(nèi)氧化性氣氛逐漸增強(qiáng)，O2更容易和揮發(fā)分N 反應(yīng)生成NO，故氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后NO 轉(zhuǎn)化率升高，使得NO 的排放濃度表現(xiàn)出與氧體積分?jǐn)?shù)增加相同的變化趨勢。而在氧氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，即Φ =35% 到Φ =40% 工況時(shí)，燃燒溫度較高，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)升高，揮發(fā)分CHi產(chǎn)量的增加，反應(yīng)前期燃燒生成的NO 被隨后生成揮發(fā)分N 中的CHi還原，故整個(gè)燃燒過程中的NO轉(zhuǎn)化率逐漸降低，使得爐膛出口的NO 質(zhì)量濃度下降［11］。

圖16 Φ =21%工況下爐膛NO 分布Fig.16 Furnace NO distribution when Φ =21%

圖17 Φ =30%工況下爐膛NO 分布Fig.17 Furnace NO distribution when Φ =30%

圖18 Φ =35%工況下爐膛NO 分布Fig.18 Furnace NO distribution when Φ =30%

3.2 初始氧濃度對溫度場的影響

圖19 Φ =40%工況下爐膛NO 分布Fig.19 Furnace NO distribution when Φ =40%

圖20 各工況下爐膛出口截面上NO 平均濃度Fig.20 The mean concentration of NO chamber exports under various operating condition

圖21 ～24 給出了在4 組Φ(O2=21%，30%，35%，40%)工況下，中心截面上溫度分布。圖25給出了各工況下爐膛出口平均煙氣溫度。由圖可見，在O2/CO2燃燒方式下，隨著初始氧濃度的提高，煤的燃燒性能得以改善，爐內(nèi)的火焰溫度水平逐漸提高，燃燒時(shí)的爐內(nèi)峰值溫度由1 670 K 增大至2 340 K;同時(shí)，隨著爐膛深度的增加，燃燒器區(qū)域之后的爐內(nèi)溫度逐漸降低，爐膛出口的平均煙溫也隨著O2濃度增高而增加，令T 為爐膛出口平均溫度，在Φ =21% 時(shí)，T =921.26 K，Φ =30%時(shí)，T =1 274.18 K，Φ =35%時(shí)，T =1 368.94 K，Φ =40%時(shí)，T =1 423.36 K，對應(yīng)T 的增幅分別為38.31%，7.44%，3.97%，可知Φ 從30% 增大到40%，出口煙氣的平均溫度上升幅度越來越小，再增加O2濃度，對于增加出口煙氣的平均溫度影響不大。由圖21 ～24 可見，在Φ =30% 工況下，中心截面上的溫度較為均勻，Φ = 21% 工況下，爐膛出口平均溫度較低，對于生產(chǎn)利用不利。而在Φ =40%工況下爐膛出口溫度偏高，且分布不夠均勻，可能會(huì)造成爐膛尾部高溫腐蝕與結(jié)渣的問題。

圖21 Φ =21%工況下爐膛溫度分布Fig.21 Furnace temperature distribution when Φ =21%

圖22 Φ =30%工況下爐膛溫度分布Fig.22 Furnace temperature distribution when Φ =30%

圖23 Φ =35%工況下爐膛溫度分布Fig.23 Furnace temperature distribution when Φ =35%

圖24 Φ =40%工況下爐膛溫度分布Fig.24 Furnace temperature distribution when Φ =40%

圖25 各工況下出口截面平均煙溫Fig.25 The mean temperature of flue gas chamber exports under various operating condition

4 結(jié) 論

本文通過對煤粉與富氧空氣的混合物的組分場及溫度場進(jìn)行了數(shù)值研究得出了以下結(jié)論:

(1)在O2/CO2燃燒方式下，隨著初始氧濃度的升高:爐膛出口煙氣中CO 的平均濃度相應(yīng)降低，但Φ 從30% 增大到40%，出口處CO 濃度只是小幅下降，再增加O2濃度，對于減少出口CO 濃度的影響不大。煙氣中CO2的濃度也相應(yīng)降低，在各工況下，出口處CO2 濃度也都達(dá)到了87%以上，便于CO2的回收;在Φ =21%，Φ =30%和Φ =35%的工況下，出口NO 平均濃度表現(xiàn)出與氧體積分?jǐn)?shù)增加相同的變化趨勢，后增大O2濃度，爐膛出口NO 平均濃度下降。

(2)在O2/CO2燃燒方式下，隨著初始氧濃度的提高:爐內(nèi)的火焰溫度水平逐漸提高，在Φ =30%時(shí)，中心截面上溫度分布較為均勻。Φ =21%工況下，爐膛出口截面煙氣平均溫度較低。在Φ=40%的工況下，爐膛尾部溫度偏高，溫度分布不夠均勻，可能造成尾部高溫腐蝕與結(jié)渣的問題。

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