李 寧，葛家楠，汪健生

（1.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院滄州分院，河北 滄州 061000； 2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），天津 300072）

煤粉燃燒會(huì)釋放大量的氮氧化物、硫氧化物、氰化物、溫室氣體及粉塵[1-2]?；趪?yán)峻的碳排放形勢(shì)，富氧燃燒技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。此技術(shù)應(yīng)用的主要工質(zhì)為O2和CO2，N2的含量可以忽略，因此氮氧化物的生成量顯著減少。即使有少量氮氧化物產(chǎn)生，也會(huì)重新進(jìn)入爐膛被還原，從而有效抑制燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體和污染物。

富氧燃燒技術(shù)[3]首先是利用空氣分離裝置制取氧氣，形成純度高達(dá)99%以上的純氧和煤粉混合，利用一次風(fēng)將其輸送至爐膛燃燒。與此同時(shí)，為降低絕熱火焰溫度，將循環(huán)煙氣和純氧按照適當(dāng)?shù)谋壤旌?，形成與空氣氣氛相似的O2/CO2燃燒氣氛，由此利用CO2代替了空氣中的N2。沒(méi)有經(jīng)過(guò)循環(huán)的煙氣進(jìn)入冷凝器、脫硫塔等設(shè)備除去水分和硫化物[4]，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)逐級(jí)壓縮形成液態(tài)的CO2得以儲(chǔ)存。

在實(shí)驗(yàn)方面，Berrin等人[5]研究了在循環(huán)流化床中，2種褐煤在空氣、富氧空氣和富氧燃料3種情況下?tīng)t膛內(nèi)的燃燒特性，說(shuō)明了一種燃燒模式切換到另一種燃燒模式是可行的。劉洪燁[6]在富氧條件下測(cè)試了無(wú)煙煤、煙煤、貧煤、褐煤的燃燒特性，研究表明隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，煙煤的燃燒特性（著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒速率、平均燃燒速率）和其他3種煤呈現(xiàn)出了不同的趨勢(shì)。在數(shù)值模擬方面，霍玉恒[7]針對(duì)四角切圓和墻式切圓2種不同的燃燒方式，模擬了超超臨界660 MW機(jī)組富氧煤粉鍋爐爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及壁面熱負(fù)荷分布，發(fā)現(xiàn)墻式切圓煤粉和送風(fēng)的混合更為均勻，煤粉顆粒在2種燃燒方式中的運(yùn)動(dòng)軌跡有很大不同。在工業(yè)實(shí)踐方面，郭軍軍等[8]總結(jié)了35 MW機(jī)組富氧燃燒在燃燒特性等方面的應(yīng)用成果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)富氧燃燒的一次風(fēng)保持O2體積分?jǐn)?shù)約為21%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火。

雖然已有工程實(shí)踐[9-10]將富氧燃燒應(yīng)用于鍋爐改造，但存在若應(yīng)用富氧運(yùn)行便不再適應(yīng)空氣氣氛下燃燒的問(wèn)題，使得改造的成本大幅度增加。因此，研究O2/CO2燃燒和空氣氣氛下燃燒的鍋爐爐膛傳熱特性的差異變得非常關(guān)鍵。本文針對(duì)亞臨界300 MW機(jī)組四角切圓煤粉爐，研究對(duì)比空氣氣氛下和不同比例的O2/CO2工況，以及在相同比例O2/CO2不同一次風(fēng)二次風(fēng)速下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)和煤顆粒軌跡，對(duì)富氧燃燒下煤粉爐的燃燒進(jìn)行詳盡的分析，尋求空氣氣氛和富氧環(huán)境下?tīng)t膛內(nèi)燃燒的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，從而有效地利用現(xiàn)有設(shè)備，降低改造成本，推廣富氧燃燒技術(shù)，降低污染物和溫室氣體的排放。

1 鍋爐參數(shù)

本文研究對(duì)象為某亞臨界300 MW機(jī)組四角切圓煤粉爐，鍋爐采用Π型布置、懸吊結(jié)構(gòu)、一次中間再熱、固體排渣。由于鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，鍋爐的壁面設(shè)置為溫度恒定的無(wú)壁厚壁面。爐膛上部依次布置有分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器、垂直低溫過(guò)熱器、立式低溫過(guò)熱器、水平低溫過(guò)熱器以及省煤器。制粉系統(tǒng)為直吹式，4臺(tái)磨煤機(jī)正常投運(yùn)利用一次風(fēng)將煤粉吹入爐膛，燃燒器布置在爐膛的四角處，燃燒器中心線和爐膛壁面的夾角為48°和42°，其中燃燒器噴嘴間距設(shè)置為0.5 m，鍋爐燃燒室切圓示意如圖1所示。

2 數(shù)值模擬和網(wǎng)格處理

本文數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)方法，Realizablek-ε湍流模型，近壁面選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，輻射傳熱采用P1模型。氣固兩相流為歐拉-拉格朗日方法隨機(jī)軌道模型。揮發(fā)分析出為兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)速率模型。選取組分輸運(yùn)模型，湍流化學(xué)反應(yīng)為渦耗散（EDM）模型。對(duì)于焦炭的燃燒，煤顆粒符合Rosin-Rammlar規(guī)律，最大粒徑為10–5m，最小粒徑為2×10–4m。壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散方法為標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量離散方法先采用一階迎風(fēng)格式，待計(jì)算達(dá)到收斂后再修改為二階迎風(fēng)格式。

氣相的邊界條件設(shè)置為：一次風(fēng)速27 m/s，一次風(fēng)溫343 K；二次風(fēng)速47 m/s，二次風(fēng)溫634 K；三次風(fēng)速30 m/s，三次風(fēng)溫412 K。對(duì)于顆粒相，邊界條件設(shè)置為：總煤量41.88 kg/s，進(jìn)口溫度343 K。出口邊界條件為壓力出口，平均靜壓為–5 kPa，回流溫度為603 K，即為省煤器出口煙氣溫度。鍋爐壁面采用恒壁溫條件，具體取值見(jiàn)表1。

采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分方式如圖2所示。在空氣氣氛下，選取了3種數(shù)目的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，具體見(jiàn)表2。以爐膛出口煙氣溫度和O2、CO2體積分?jǐn)?shù)作為判別依據(jù)，從計(jì)算的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，最終選擇了M2，即網(wǎng)格總數(shù)為157萬(wàn)。

表1 壁面邊界條件 單位：KTab.1 Wall boundary conditions

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證 Tab.2 Mesh independence test

模擬采用的煤種為褐煤，其元素分析和工業(yè)分析見(jiàn)表3。為詳細(xì)研究O2/CO2氣氛下的爐膛傳熱特性，設(shè)置了7種不同工況，具體工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。工況1為空氣氣氛下的鍋爐爐膛燃燒，該工況為對(duì)照組；工況2—工況4為O2/CO2氣氛下，改變兩者之間的體積分?jǐn)?shù)配比；工況5—工況7為O2/CO2氣氛下，改變一次風(fēng)和二次風(fēng)的速度，以此來(lái)研究鍋爐爐膛流場(chǎng)和傳熱特性。

表3 煤質(zhì)分析 w/% Tab.3 Quality analysis of the coal

表4 工況設(shè)計(jì) Tab.4 Working conditions

3 計(jì)算結(jié)果討論

3.1 爐膛流場(chǎng)分析

圖3為空氣氣氛下?tīng)t膛XY、YZ、ZX3個(gè)截面的速度場(chǎng)分布。從圖3a)和圖3b)可以看出：空氣攜帶煤粉進(jìn)入爐膛后，在卷吸作用下在垂直方向沿壁面上升，在爐膛中心處出現(xiàn)速度較小的區(qū)域，同時(shí)在燃燒器區(qū)域出現(xiàn)切圓[11]；圖3c)—圖3e)切圓的直徑隨爐膛高度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在切圓中心和貼近爐膛壁面處的速度較低，在燃燒器頂部，煤粉顆粒在爐膛中受到的卷吸作用減弱，因此速度分布相較底部和中心處形成了較為均勻的圓；在分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器處，由于壁面阻礙，旋轉(zhuǎn)速度減小，不再形成切圓。

圖4為7種工況下?tīng)t膛中心XY面的速度場(chǎng)分布。從圖4可以看出：在工況1的空氣氣氛下，爐膛中的氣流能達(dá)到最高的速度，且最大速度出現(xiàn)在燃燒器進(jìn)口處，隨著氣流旋轉(zhuǎn)上升，其速度也逐漸降低，但總體上在煙道的速度仍高于富氧條件下的速度（圖4a)）；在同樣的一次風(fēng)速與二次風(fēng)速下，隨著O2/CO2比例的變化所能達(dá)到的最大速度降低，但總體上與工況1保持著相似的趨勢(shì)，爐膛內(nèi)的動(dòng)力場(chǎng)呈現(xiàn)基本對(duì)稱的分布，改變O2/CO2比例對(duì)速度場(chǎng)的影響不大（圖4b)—圖4d)）；改變一次風(fēng)速與二次風(fēng)速，當(dāng)入口速度較小時(shí)，在燃燒器上方中心區(qū)域的速度分布相較前4種工況更為均勻，但是速度較小會(huì)使燃燒的穩(wěn)定性變差，燃燒的擾動(dòng)變?nèi)酰鼑?yán)重的情況是煤粉顆粒與一次風(fēng)可能發(fā)生分離（圖4d)—圖4g)）。

另外，圖4e)與圖4f)和空氣氣氛下的爐膛內(nèi)流場(chǎng)相比有較大差異，在一次風(fēng)量較低的情況下，煤粉流的剛度變?nèi)酢?/p>

由于風(fēng)量較小容易使煤粉在燃燒器進(jìn)口處發(fā)生堆積，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦，使?fàn)t膛內(nèi)的動(dòng)力場(chǎng)被破壞。因此，工況5與工況6的速度較低不符合爐膛內(nèi)的動(dòng)力特性。

3.2 爐膛溫度場(chǎng)分析

圖5為工況1的XY、YZ、ZX截面的溫度場(chǎng)分布。由圖5a)和圖5b)可以看出：煤粉顆粒被吹入爐膛后，在冷灰斗處溫度最低，在此處輻射換熱較弱；在靠近燃燒器壁面附近達(dá)到最高溫度1 866 K，此時(shí)燃燒強(qiáng)度最大，在此處需要控制煙氣溫度不能超過(guò)灰分的熔點(diǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷增大從而出現(xiàn)水冷壁結(jié)渣的現(xiàn)象，降低鍋爐的使用壽命。

由圖5c)—圖5e)可知，在煙氣逐漸上升的過(guò)程中，靠近壁面的溫度開(kāi)始逐漸降低，這是因?yàn)殡S著煙氣旋流上升，不斷與周圍的水冷壁進(jìn)行輻射換熱，因此在爐膛中央的溫度較高，而在四周壁面處溫度較低；在水平煙道中，過(guò)熱器和再熱器繼續(xù)與氣流交換熱量，但是煤粉已經(jīng)燃盡，不如在燃燒器中的反應(yīng)劇烈，所以在水平煙道內(nèi)的溫度分布更為均勻。

圖6為工況1—工況7的爐膛XY中心截面的溫度場(chǎng)分布。由圖6可以看出，對(duì)比工況1和工況2，在相同O2體積分?jǐn)?shù)下，火焰中心上移，爐膛可達(dá)到的局部最大溫度降低，為1 794 K，高溫區(qū)域在煙道中延伸的范圍減少，傳熱特性變差。這是因?yàn)镃O2相對(duì)于空氣中的N2，比熱容較大，氣體升高1 K需要更多的熱量。同時(shí)，鍋爐爐膛中占主導(dǎo)地位的是輻射傳熱，CO2作為結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的三原子氣體，其輻射能力遠(yuǎn)大于分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的熱輻射的透明體N2[12]。因此，CO2能夠更快地將熱量傳遞給周圍的水冷壁，這也是工況2的高溫區(qū)域范圍在垂直煙道中小于工況1的原因所在。

對(duì)比工況2—工況4（圖6b)—圖6d)）可以看出：隨著O2/CO2比例的改變，O2體積分?jǐn)?shù)增加，其最高溫度也相應(yīng)升高，同時(shí)火焰中心逐漸下移，工 況3的局部最高溫度為1 898 K，其火焰中心有所上移，但還沒(méi)有恢復(fù)到空氣氣氛下的水平；工況4的局部最高溫度為1 992 K，其火焰中心基本與工況1相同。由此可見(jiàn)，增加O2體積分?jǐn)?shù)能夠改善爐膛燃燒的穩(wěn)定性[13]。這和Duygu等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[14]。

另外，對(duì)比工況4—工況7（圖6d)—圖6g)）可以看出：在同樣的O2/CO2體積分?jǐn)?shù)下，工況6的最高溫度最高，達(dá)到2 045 K，比工況1高出近200 K；工況7局部最高溫度可達(dá)1 995 K，與工況4相差無(wú)幾，但是其高溫范圍小于工況4。可見(jiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加，局部最高溫度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣r6的O2體積分?jǐn)?shù)相比于工況4和工況7較低，氧氣消耗較快，容易達(dá)成局部高溫。工況7的一次風(fēng)速和二次風(fēng)速略小于工況4，因此，其局部高溫相近，但工況4的爐膛內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)略高于工況7，前者燃燒更為充分，因此，其高溫范圍更大。同時(shí)，工況5的高溫區(qū)域延伸范圍在垂直煙道中和工況1類似。這是因?yàn)榇藭r(shí)一次風(fēng)和二次風(fēng)的速度相較于其他幾種工況較小，煤粉顆粒在燃燒器 中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，雖然減小進(jìn)風(fēng)速度有利于煤粉的充分燃燒，但是此時(shí)其最高溫度仍高達(dá)1 981 K，且工況5的高溫區(qū)域更為貼近壁面，煤粉氣流沖擊水冷壁，在較高的熱負(fù)荷下，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)渣現(xiàn)象的出現(xiàn)[15]。如對(duì)現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行改造，可以通過(guò)改變一次風(fēng)、二次風(fēng)送風(fēng)位置，改變爐內(nèi)溫度分布，使之溫度特性與空氣氛圍條件下相似。如受條件限制，無(wú)法改變一次風(fēng)、二次風(fēng)送風(fēng)位置，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，也可采用改變送風(fēng)參數(shù)的方法，適當(dāng)改變一、二次風(fēng)的速度分配，達(dá)到調(diào)整爐內(nèi)溫度分布的目的。

圖7為工況1—工況4爐膛橫截面平均溫度隨爐膛高度變化。

由圖7可以看出：不論空氣氣氛下，還是富氧條件下，爐膛橫截面平均溫度都是在爐膛高度約 15 m處達(dá)到最高溫度；在爐膛高度0~15 m的范圍 內(nèi)，富氧條件下的爐膛橫截面平均溫度都呈現(xiàn)出近似線性的變化，隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加，橫截面最大平均溫度增加；在離開(kāi)燃燒器后工況2—工況4的爐膛橫截面平均溫度差距不大，溫差在20 K之間，而空氣在離開(kāi)燃燒器后的橫截面平均溫度明顯高于富氧燃燒下的溫度，原因仍為CO2的比熱容和氣體輻射影響。

3.3 爐膛組分場(chǎng)分析

圖8為空氣氣氛下?tīng)t膛XY中心截面處的O2、CO2、CO體積分?jǐn)?shù)云圖。從圖8可以看出，O2體積分?jǐn)?shù)最高的區(qū)域位于上部燃燒器，與之相對(duì)應(yīng)的區(qū)域CO2和CO體積分?jǐn)?shù)很低，此時(shí)煤粉顆粒被一次風(fēng)送入爐膛還沒(méi)有開(kāi)始燃燒。在點(diǎn)火后，爐膛溫度上升，煤粉中的水分蒸發(fā)，揮發(fā)分析出，進(jìn)入燃燒階段，CO2和CO體積分?jǐn)?shù)升高，隨后CO被進(jìn)一步氧化生成CO2，因此在燃盡階段，CO的體積分?jǐn)?shù)很低。

圖9為工況1—工況7爐膛橫截面平均O2、CO2、CO體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度變化。由圖9a)和圖9b)可以看出，空氣氣氛下的橫截面O2平均體積分?jǐn)?shù)和富氧條件下呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。在富氧條件下，均是在爐膛高度約為15 m處達(dá)到最低，此處為第1層一次風(fēng)進(jìn)口，氧氣消耗較快，煤粉顆粒中的揮發(fā)分析出首先被氧化為CO。由圖9c)和圖9d)可以看出，在7種工況下，CO2的變化都不大，在10~15 m處有微小的下降，在15~30 m處又有回升。因?yàn)樵诖颂嶤O生成的較多，導(dǎo)致CO2的微小變化，此處也是燃燒器內(nèi)燃燒最為劇烈的區(qū)域。由圖9e)和圖9f)可以看出，不論在何種條件下，都是在爐膛高度為15 m處CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高。隨著氧氣不斷從燃燒器其他進(jìn)口補(bǔ)充，其體積分?jǐn)?shù)又逐漸升高，伴隨著CO體積分?jǐn)?shù)的急劇降低，CO被氧化為CO2。

另外，由圖9b)可以看出，當(dāng)改變一次風(fēng)與二次風(fēng)風(fēng)量時(shí)，在同一位置，O2體積分?jǐn)?shù)隨一、二次風(fēng)速度的增加而增加。這是因?yàn)?，?dāng)速度較小時(shí)，煤粉氣流在爐膛內(nèi)停留的時(shí)間較長(zhǎng)，能夠進(jìn)行更為充分的燃燒，因此最終爐膛內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)保持在了較低的水平。同時(shí)，值得注意的一點(diǎn)是，工況5的CO2體積分?jǐn)?shù)是在爐膛約15 m處達(dá)到了最低，而不同于其他幾種工況是在約20 m處達(dá)到最低。這是因?yàn)闅饬魉俣容^慢，不能使氧化生成的CO及時(shí)生成CO2，導(dǎo)致CO的堆積，因此此處CO2體積分?jǐn)?shù)較低。

3.4 煤顆粒軌跡分析

圖10為工況1—工況7煤顆粒軌跡。從圖10可以看出：煤粉顆粒在爐膛中旋流上升，在燃燒器中揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，之后揮發(fā)分燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，直至燃盡；空氣氣氛下有少量揮發(fā)分會(huì)經(jīng)過(guò)冷灰斗，而富氧條件下運(yùn)動(dòng)軌跡更為混亂（圖10a)），在工況7下氣流再次經(jīng)過(guò)冷灰斗（圖10g)）。

對(duì)比圖10a)—圖10d)可以看出，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，在爐膛出口附近的揮發(fā)分越來(lái)越少，這是因?yàn)樘岣逴2體積分?jǐn)?shù)爐膛中揮發(fā)分燃盡的速度變快。同樣，對(duì)比圖10d)—圖10g)，降低一次風(fēng)速與二次風(fēng)速，煤粉卷吸上升的能力減弱，揮發(fā)分在燃燒器中推遲著火，熱穩(wěn)定性變差，而且當(dāng)燃燒離水冷壁太近時(shí)，會(huì)縮短鍋爐的使用壽命。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)300 MW機(jī)組四角切圓燃燒亞臨界煤粉爐空氣及富氧燃燒條件的燃燒與溫度特性進(jìn)行了研究，為現(xiàn)有鍋爐適應(yīng)富氧燃燒條件改造提供了依據(jù)。數(shù)值模擬中，通過(guò)改變O2/CO2比例、一次風(fēng)二次風(fēng)的風(fēng)量，研究了7種工況條件下，鍋爐內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)及煤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到如下結(jié)論：

1）相比空氣氣氛，富氧燃燒條件下，爐膛中的煙氣速度有一定程度的下降。而當(dāng)改變O2/CO2比例時(shí)，對(duì)速度場(chǎng)的影響很小。輸送煤粉的一次風(fēng)量不應(yīng)過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致煤粉與空氣相互分離，使?fàn)t膛中煤粉燃燒的擾動(dòng)變?nèi)?，并降低燃燒穩(wěn)定性。

2）將空氣中N2替換為CO2后，由于CO2的比熱容和氣體輻射影響，會(huì)造成爐膛局部最高溫度降低，火焰中心下移，由此導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)煤炭顆粒著火延遲，燃燒特性變差，但可通過(guò)增加O2體積分?jǐn)?shù)改善這種情況。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為29%時(shí)，與空氣氣氛下的燃燒特性相似。

3）不同工況爐膛的組分場(chǎng)表明，工質(zhì)為空氣的橫截面平均O2體積分?jǐn)?shù)在爐膛內(nèi)呈現(xiàn)出與富氧條件下不同的特點(diǎn)。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為29%，一次風(fēng)速為17 m/s，二次風(fēng)速為35 m/s時(shí)，由于CO不能及時(shí)氧化為CO2，CO2在爐膛中出現(xiàn)了急劇變化。

4）空氣氣氛下的揮發(fā)分軌跡較富氧條件下更為有序，說(shuō)明提高O2體積分?jǐn)?shù)有利于爐膛中的揮發(fā)分充分燃燒。而當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤粉顆粒卷升能力下降，不利于揮發(fā)分燃燒。