王　鵬，　柳朝暉，　廖海燕，　李延兵，　黃　軍，　陳寅彪

(1. 神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025；2. 華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074； 3. 神華集團(tuán)國(guó)華電力公司， 北京 100025)

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SBS-Ⅱ型富氧燃燒鍋爐數(shù)值模擬與優(yōu)化

王鵬1，柳朝暉2，廖海燕1，李延兵1，黃軍1，陳寅彪3

(1. 神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025；2. 華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074； 3. 神華集團(tuán)國(guó)華電力公司， 北京 100025)

以SBS-Ⅱ型富氧燃燒中試鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)燃燒過程的反應(yīng)機(jī)理和物性參數(shù)進(jìn)行了分析和修正，采用數(shù)值模擬方法對(duì)爐膛富氧燃燒的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：富氧燃燒下煤粉隨一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流混合后的燃燒更為劇烈，26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場(chǎng)分布與空氣燃燒下基本保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)傳熱特性相匹配；隨著到燃燒器擴(kuò)口距離的增加，中心回流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大回流量對(duì)應(yīng)的位置基本一致，旋流強(qiáng)度為0.8時(shí)的回流量最大，穩(wěn)燃效果明顯且煤粉燃盡率較高.

富氧燃燒； 中心內(nèi)回流區(qū)； 旋流強(qiáng)度； 燃盡率； 總包反應(yīng)

國(guó)家提出的“十二五”期間降低溫室氣體排放強(qiáng)度的主要目標(biāo)為：到2015年，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放要比2010年降低17%.圍繞這一目標(biāo)，國(guó)家鼓勵(lì)加快碳捕集、利用和封存的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)示范工作[1].

富氧燃燒技術(shù)(Oxy-fuel Combustion Technology)能夠?qū)崿F(xiàn)CO2富集以及SO2和NOx等污染物的一體化協(xié)同脫除[2-3].對(duì)于改造或新建的大型富氧燃燒電站，由于采用富氧循環(huán)燃燒不僅具有較好的技術(shù)兼容性，而且在運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本上還有一定優(yōu)勢(shì)，這種燃燒技術(shù)正逐漸成為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奶紲p排技術(shù)[4-5].

由于具有復(fù)雜的、區(qū)別于常規(guī)空氣燃燒的物性參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)相互作用和輻射熱傳遞等問題[6]，富氧燃燒數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[7].

筆者對(duì)空氣燃燒湍流模型、輻射熱傳遞方法、揮發(fā)分均相燃燒和焦炭非均相燃燒反應(yīng)模型進(jìn)行富氧燃燒的改進(jìn)和物性參數(shù)修正，提高湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)相互作用模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性.在二次風(fēng)旋流強(qiáng)度運(yùn)行范圍內(nèi)，研究富氧燃燒火焰的形狀和穩(wěn)定性、中心內(nèi)回流以及煤粉燃盡率的變化規(guī)律.

1　數(shù)學(xué)模型和方法

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

建立爐膛和燃燒器模型的三維全尺寸網(wǎng)格，網(wǎng)格均采用六面體結(jié)構(gòu).在靠近爐膛壁面處均考慮了網(wǎng)格加密，同時(shí)使從燃燒器出來的氣流方向盡量與網(wǎng)格線垂直，這樣能有效避免偽擴(kuò)散的產(chǎn)生，同時(shí)考慮到燃燒器部分網(wǎng)格相對(duì)密集，爐膛部分網(wǎng)格相對(duì)比較稀疏，所以在擴(kuò)口處進(jìn)行了前密后疏的處理.爐膛和燃燒器的幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示.由圖1可知，網(wǎng)格的質(zhì)量良好，網(wǎng)格總數(shù)為362 513，最大的扭曲率為0.75.

圖1SBS-Ⅱ型鍋爐的幾何模型和網(wǎng)格劃分

Fig.1Geometric model of the SBS-II boiler and its grid division

SBS-Ⅱ型鍋爐為1.8 MW富氧燃燒中試鍋爐，建立其計(jì)算幾何模型，高度沿y軸方向，高度為6.10 m；寬度沿z軸方向(右墻為正方向，左墻為負(fù)方向)，寬度為1.22 m；深度沿x軸方向(前墻為0，后墻為正方向)，深度為1.83 m.采用旋流燃燒器，即富氧模式下中心噴氧：內(nèi)、外二次風(fēng)環(huán)面積分別為1.03×10-2m2和1.49×10-2m2，一次風(fēng)環(huán)面積為3.30×10-3m2，氧槍噴口面積為7.08×10-4m2.

1.2計(jì)算模型及參數(shù)

煤粉燃燒主要經(jīng)歷3個(gè)階段：煤粉受熱脫除揮發(fā)分、揮發(fā)分受熱燃燒發(fā)生均相化學(xué)反應(yīng)、焦炭受熱后顆粒表面與周圍氣體發(fā)生非均相燃燒反應(yīng).湍流流動(dòng)過程計(jì)算采用雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress Model，RSM)，湍流燃燒模型采用有限速率-渦耗散模型(Finite-Rate and Eddy-Dissipation Model，F(xiàn)RED)，組分傳遞模型考慮7種氣體組分(如CxHyOz、CO2、CO、H2O、O2、H2和N2)和固體碳顆粒組分.

氣體間的均相化學(xué)反應(yīng)由氣相反應(yīng)機(jī)理R1～R5進(jìn)行求解，固體非均相化學(xué)反應(yīng)由固體表面非均相反應(yīng)機(jī)理R6～R8進(jìn)行解析，總包反應(yīng)機(jī)理如表1所示.反應(yīng)機(jī)理中CO2對(duì)H2的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)過程由反應(yīng)R2和R3求解[8]；反應(yīng)R1[9]、R4和R5[10-11]用來解析煤粉著火化學(xué)反應(yīng)過程；在富氧燃燒(特別是濕循環(huán))條件下，焦炭會(huì)與CO2、H2O發(fā)生劇烈的氣化反應(yīng)，因此富氧燃燒總包反應(yīng)包括固體表面非均相反應(yīng)R6和R7[12].

煤粉焦炭燃燒過程快慢和CO、CO2產(chǎn)物量的獲取由焦炭燃盡模型(Carbon Burnout Kinetics，CBK)R8進(jìn)行解析[13]；煤粉顆粒脫除揮發(fā)分的過程采用化學(xué)滲透脫揮發(fā)分模型(Chemical Percolation Devolatilization，CPD)，根據(jù)美國(guó)Mahoning高揮發(fā)分煙煤的元素分析和工業(yè)分析(見表2)，通過計(jì)算獲得模型參數(shù)：煤粉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中初始橋鍵分?jǐn)?shù)為0.471，初始碳鍵分?jǐn)?shù)為0，配位數(shù)為4.84，單體摩爾質(zhì)量為404 g/mol，側(cè)鍵官能團(tuán)摩爾質(zhì)量為30.7 g/mol.

富氧燃燒時(shí)平均入爐氧分壓為26%，一次風(fēng)風(fēng)率為18%，空氣燃燒與富氧燃燒工況的運(yùn)行條件見表3，其中OFA為燃盡風(fēng).

采用離散坐標(biāo)輻射模型(Discrete Ordinate，DO)將輻射熱傳遞方程(Radiative Heat Transfer Equation，RTE)轉(zhuǎn)化為[14]

(1)

式中：I為譜線輻射強(qiáng)度，W/(m2·sr)；s為位置，m；Ω為輻射方向矢量，sr；a為吸收系數(shù)，m-1；σs為散射系數(shù)，m-1；nz為折射系數(shù)，m-1；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，即5.672×10-8W/(m2·K4)；T為溫度，K；Φ為散射相函數(shù).

表1　富氧燃燒均相與非均相反應(yīng)機(jī)理

表2　煤的元素分析與工業(yè)分析

表3　空氣燃燒與富氧燃燒運(yùn)行條件

立體角θ和空間角φ在離散化方向設(shè)定為6，富氧燃燒時(shí)，H2O和CO2總分壓從0.2增至0.9以上，H2O和CO2分壓比范圍約為[0.125，1.0]，得出富氧燃燒和空氣燃燒的氣相混合物吸收系數(shù)[15-16]分別為0.4～0.5 m-1和0.2～0.3 m-1.

三維穩(wěn)態(tài)分析時(shí)采用Simplec算法進(jìn)行壓力-速度耦合求解，采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式求解壓力，組分、速度和動(dòng)量等的求解均采用二階迎風(fēng)方式.

2　結(jié)果與分析

旋流強(qiáng)度的變化對(duì)燃燒器燃燒形成的回流區(qū)大小、火焰火炬長(zhǎng)度及點(diǎn)燃穩(wěn)燃等因素會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此旋流強(qiáng)度的變化對(duì)燃燒器在空氣燃燒和富氧燃燒下的燃燒特性分析和優(yōu)化燃燒器運(yùn)行參數(shù)有重要作用，該鍋爐旋流燃燒器的一次風(fēng)不旋流、二次風(fēng)旋流.

決定旋轉(zhuǎn)氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈程度的特征參數(shù)為旋流強(qiáng)度n，它是氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩M與軸向動(dòng)量矩N的比值.

(2)

(3)

N=KL

(4)

(5)

式中：ρ為氣流的密度，kg/m3；qV為氣流的體積流量，m3/s；wq為氣流的平均切向速度，m/s；wx為氣流的平均軸向速度，m/s；R為氣流旋轉(zhuǎn)半徑，m；L為定性尺寸，m；K為軸向動(dòng)量.

根據(jù)不同的定性尺寸可以得到不同的旋流強(qiáng)度值，通常用燃燒器噴口直徑的倍數(shù)來表示.顯然，旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈，旋流強(qiáng)度n就越大.

(6)

由式(5)可知，旋流強(qiáng)度是出口氣流平均切向速度wq與平均軸向速度wx比值的反映.如果取定性尺寸L=0.5d=R時(shí)，n就是平均切向速度和平均軸向速度的比值.

圖2給出了空氣燃燒與富氧燃燒下的溫度場(chǎng)分布.由圖2可知，2種工況下均能穩(wěn)定燃燒，燃燒的高溫區(qū)沿爐膛寬度方向向外擴(kuò)張并且充滿度較好.由于入爐氧分壓較高，富氧燃燒下煤粉隨一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流混合后的燃燒更為劇烈.26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場(chǎng)分布與空氣燃燒下基本保持一致.

圖3給出了空氣燃燒與富氧燃燒下的速度場(chǎng)分布.由圖3可以看出，2種工況下均能形成明顯的中心內(nèi)回流區(qū)(Internal Recirculation Zone，IRZ)，以保證穩(wěn)定燃燒.空氣燃燒下由于二次風(fēng)質(zhì)量流量較大，中心內(nèi)回流的速度和區(qū)域相比富氧燃燒下較大.2種工況下的流場(chǎng)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)沖墻和刷墻等不利于受熱面安全的現(xiàn)象.

圖4給出了二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)溫度場(chǎng)的影響.由圖4可以看出，隨著二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，中心冷流射程逐漸縮短，最高溫度基本保持不變.數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)旋流強(qiáng)度為0.6時(shí)，正處于冷流逐漸縮短、火焰充分?jǐn)U展的過渡階段，無法形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng).當(dāng)旋流強(qiáng)度進(jìn)一步增大時(shí)，燃燒高溫區(qū)沿爐膛寬度方向向外擴(kuò)張，燃燒器出口區(qū)域溫度升高，有利于煤粉著火和穩(wěn)燃.

(a) 空氣燃燒

(b) 26%氧分壓富氧燃燒

圖4二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

Fig.4Influence of secondary air swirl number on the temperature field

富氧燃燒下低熱擴(kuò)散性和CO2較大動(dòng)力黏度的共同作用會(huì)使中心內(nèi)回流區(qū)湍流層的剪切力增大.旋流強(qiáng)度的作用是產(chǎn)生高強(qiáng)度中心內(nèi)回流區(qū)，影響再循環(huán)煙氣與煤粉顆?；旌?、焦炭燃燒和非預(yù)混湍流旋轉(zhuǎn)燃燒火焰結(jié)構(gòu).而較大的中心內(nèi)回流旋流強(qiáng)度能夠改善煤粉顆粒在回流區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，有效地縮短了富氧燃燒煤粉著火時(shí)間、提高火焰穩(wěn)定性和燃盡率，尤其是對(duì)于低揮發(fā)分、高灰分劣質(zhì)煤.

(7)

由于二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度太小，過低的卷吸能力使得中心內(nèi)回流區(qū)的形成能力較弱，導(dǎo)致一次風(fēng)穿透火焰，使煤粉燃盡率降低、污染物排放量增加.圖5給出了不同旋流強(qiáng)度下的回流量變化.由圖5可以看出，隨著到燃燒器擴(kuò)口距離的增加，3種旋流強(qiáng)度下的回流量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而且最大回流量對(duì)應(yīng)的位置基本一致，n=0.8時(shí)的回流量最大，穩(wěn)燃效果明顯.

圖5　不同旋流強(qiáng)度下的回流量變化

燃盡率是考核鍋爐燃燒效率的重要指標(biāo)，它反映了鍋爐的燃燒性能，通過數(shù)值計(jì)算得到了不同二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下煤粉的燃盡率(見圖6).由圖6可以明顯看出，當(dāng)旋流強(qiáng)度為0.6時(shí)，溫度場(chǎng)分布發(fā)生突變，燃燒溫度場(chǎng)極不穩(wěn)定，無法形成均勻的溫度場(chǎng)，造成煤粉的燃盡率較小.

圖6　不同二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下煤粉的燃盡率

當(dāng)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度為0.78時(shí)，煤粉燃盡率達(dá)到最高值；繼續(xù)增大旋流強(qiáng)度，風(fēng)機(jī)能耗增加，煤粉燃盡率下降，且容易造成氣流“飛邊”.綜上所述，當(dāng)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度為0.7～0.8時(shí)，燃燒器的經(jīng)濟(jì)性較高，能夠提高鍋爐燃燒效率.

3　結(jié)　論

(1) 富氧燃燒過程中，點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)、焦炭氣化反應(yīng)和非均相碳素溶解損失反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、富氧燃燒下低熱擴(kuò)散性以及O2和揮發(fā)分的低質(zhì)量擴(kuò)散性和吸收等物性參數(shù)需要進(jìn)行修正.

(2) 富氧燃燒下煤粉隨一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流混合后的燃燒更為劇烈，26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場(chǎng)分布與空氣燃燒下基本保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)傳熱特性相匹配.

(3) 隨著到燃燒器擴(kuò)口距離的增加，中心回流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而且最大回流量對(duì)應(yīng)的位置基本一致，旋流強(qiáng)度為0.8時(shí)的回流量最大，穩(wěn)燃效果明顯且煤粉燃盡率較高.

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Numerical Simulation and Optimization of an SBS-II Oxy-fuel Combustion Boiler

WANGPeng1,LIUZhaohui2,LIAOHaiyan1,LIYanbing1,HUANGJun1,CHENYinbiao3

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China;2. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong Univeristy of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 3. Shenhua Guohua Power Company, Beijing 100025, China)

Taking a pilot-scale SBS-II oxy-fuel combustion boiler as an object of study, the kinetic mechanisms and physical parameters of the combustion process were analyzed and modified, while the in-furnace flow and temperature field were studied under oxy-fuel conditions by numerical simulation. Results show that the combustion of pulverized coal becomes quite intensified after mixing with primary and secondary air under oxy-fuel conditions, and both the flame shape and temperature distribution under 26% oxygen concentration are basically the same as under air combustion conditions, matching with the heat-transfer requirements. With the rise of distance to the burner opening, the internal recirculation zone (IRZ) enlarges first and reduces later on, but the location corresponding to the maximum value remains unchanged. The recirculation flow reaches the maximum under the swirl number of 0.8, in which case, obviously stabilized flame and high burnout rate are obtained.

oxy-fuel combustion; internal recirculation zone; swirl number; burnout rate; overall reaction

A學(xué)科分類號(hào)：470.30

2013-12-03

2014-03-07

神華集團(tuán)科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目(中國(guó)神華科[2011]368號(hào))；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012DFB60100)

王鵬(1981-)，男，河北平山人，工程師，博士，主要從事電站鍋爐富氧燃燒理論與技術(shù)方面的研究.

電話(Tel.)：010-65553275；E-mail:wangpeng56401126@126.com.

1674-7607(2015)01-0008-05

TK222