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）

0 概述

燃煤電廠是CO2氣體排放的主要來(lái)源之一，針對(duì)碳減排的嚴(yán)峻形勢(shì)，考慮采用富氧燃燒技術(shù)，將傳統(tǒng)電廠鍋爐改造和碳捕集與封存技術(shù)［1］相結(jié)合，回收利用液態(tài)CO2，從而緩解溫室效應(yīng)。與此同時(shí)，由于將空氣中79%的N2替換為煙氣再循環(huán)中的CO2和H2O，可以有效減少熱力型NOx的生成［2］，有利于減少污染物的排放，因此富氧燃燒技術(shù)成為熱力發(fā)電行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

現(xiàn)已有不少關(guān)于O2/CO2氣氛下煤燃燒的研究。Horbaniuc 等人［3］計(jì)算評(píng)估了富氧環(huán)境對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)的影響，發(fā)現(xiàn)富氧氣氛有利于提高低揮發(fā)分煤的燃燒，并且煙道和火焰的溫度相對(duì)于空氣氣氛下更高，從而減少傳熱面積。韋耿等人［4］通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比了200 MW 切圓鍋爐和對(duì)沖鍋爐的燃燒特性，模擬結(jié)果表明在爐膛溫度均勻性方面，前者優(yōu)于后者，而在避免結(jié)焦和水冷壁腐蝕方面，后者優(yōu)于前者。龔正［5］采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究了富氧氣氛下30 kW 加壓流化床對(duì)污染物排放的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煙煤和無(wú)煙煤在富氧條件下NOx的排放量都有不同程度的減少，其影響因素可以歸結(jié)為O2體積分?jǐn)?shù)、壓力以及床層溫度。郭軍軍等人［6］對(duì)我國(guó)35 MW 煤粉富氧燃燒工業(yè)示范進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)空氣氣氛和富氧氣氛的改造是可行的。

雖然已有一些工程實(shí)踐［7-8］將富氧燃燒用于鍋爐改造，但都是一些中小噸級(jí)的應(yīng)用。為了進(jìn)一步在大型鍋爐改造中推廣富氧燃燒技術(shù)，使其既能適應(yīng)空氣氣氛，又能在O2/CO2氣氛下燃燒保持穩(wěn)定，盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備、降低改造成本，本文對(duì)300 MW 四角切圓煤粉爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)調(diào)整進(jìn)入爐膛的循環(huán)煙氣和O2的體積分?jǐn)?shù)比例，對(duì)比空氣氣氛下和O2/CO2氣氛下?tīng)t膛的燃燒特性和傳熱特性，使得改造后的鍋爐能保持燃燒的穩(wěn)定性。

1 數(shù)學(xué)模型

本文研究對(duì)象為300 MW 四角切圓煤粉爐，鍋爐為π 型布置、懸吊結(jié)構(gòu)。由于建模不可能將鍋爐的具體細(xì)節(jié)一一實(shí)現(xiàn)，因此鍋爐的壁面設(shè)置為無(wú)壁厚的恒溫壁面。爐膛橫截面（爐寬×爐深）尺寸為14 m×14 m。制粉系統(tǒng)采取直吹式，四臺(tái)磨煤機(jī)正常工作將煤粉利用一次風(fēng)吹入爐膛。燃燒器布置在爐膛的四角，燃燒器中心線和爐膛壁面的夾角為48°和42°。鍋爐和燃燒器布置如圖1 所示。其中，一、二、三次風(fēng)在圖1 中用A—H 表示，爐膛上方依次布置了分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器與再熱器、垂直低溫過(guò)熱器、立式低溫過(guò)熱器、水平低溫過(guò)熱器與省煤器。

圖1 鍋爐和燃燒器布置Fig.1 Boiler and the arrangement of burners

網(wǎng)格劃分方式采取非結(jié)構(gòu)化方法，網(wǎng)格總數(shù)為157 萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格處理如圖2 所示。煤種選用褐煤，其煤質(zhì)分析如表1 所示。數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)算法，帶旋流修正的Realizablek-ε湍流模型，輻射模型選用P1。氣固兩相流為歐拉-拉格朗日方法隨機(jī)軌道模型。對(duì)于燃燒而言，采取組分輸運(yùn)模型，湍流化學(xué)反應(yīng)為渦耗散（EDM）模型。焦炭顆粒符合Rosin-Rammlar 規(guī)律，最小粒徑為10?5m，最大粒徑為2×10?4m。壓力速度耦合方式為SIMPLE 算法，壓力離散方式為Standard 格式。動(dòng)量離散方式先在一階迎風(fēng)格式下達(dá)到收斂后，再修改為二階迎風(fēng)格式，進(jìn)行精細(xì)計(jì)算。

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Analysis of coa

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division

氣相的邊界條件設(shè)置為，一次風(fēng)的進(jìn)口速度為27 m/s，一次風(fēng)溫為343 K，二次風(fēng)速度為47 m/s，二次風(fēng)溫為634 K，三次風(fēng)速為30 m/s，三次風(fēng)溫為412 K。顆粒相的總送煤量為41.88 kg/s，進(jìn)口溫度為一次風(fēng)溫。出口邊界條件為壓力出口，回流溫度為603 K。其中為簡(jiǎn)化計(jì)算，鍋爐的壁面都采用了第一類邊界條件，其取值如表2 所示。為使改造后的鍋爐能夠在空氣氣氛和O2/CO2氣氛中達(dá)到兼容，調(diào)節(jié)φ(O2)/φ(CO2)（O2和CO2的體積分?jǐn)?shù)比）的值與空氣進(jìn)行對(duì)比，共模擬了空氣，φ(O2)/φ(CO2)分別為21/79、25/75、29/71四種工況進(jìn)行了分析討論，其運(yùn)行參數(shù)如表3 所示。鍋爐的運(yùn)行參數(shù)如表4 所示。

表2 壁面邊界條件Tab.2 Wall boundary conditions

表3 工況設(shè)計(jì)Tab.3 Working conditions

表4 鍋爐運(yùn)行參數(shù)Tab.4 Boiler operating parameters

2 計(jì)算結(jié)果討論

2.1 燃燒特性

為保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)避免火焰溫度過(guò)高，由此生成氮氧化物、硫化物沖擊水冷壁造成高溫腐蝕。同時(shí)，應(yīng)該使?fàn)t膛在空氣和O2/CO2氣氛中保持相似的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)爐膛在兩種模式之間的切換。如圖3 所示，為爐膛橫截面平均溫度、O2體積分?jǐn)?shù)以及顆粒燃盡率隨爐膛高度的變化。對(duì)比工況1 和工況2，即在相同的O2體積分?jǐn)?shù)下，富氧燃燒比在空氣氣氛下的平均溫度低。工況2—工況4 在燃盡區(qū)的溫度差別不大。在富氧條件下，O2均是在一次風(fēng)C 進(jìn)口處消耗最快，之后由其他進(jìn)口補(bǔ)充，O2體積分?jǐn)?shù)又有所回升。在空氣氣氛下，O2是在二次風(fēng)F 進(jìn)口處才有急劇的下降，表現(xiàn)出和O2/CO2氣氛下不同的燃燒特性。對(duì)比工況1 和工況2 的顆粒燃盡率，可以發(fā)現(xiàn)N2被替換為CO2后，除在燃燒器底面測(cè)點(diǎn)，其余觀測(cè)點(diǎn)處的燃盡速率變大了，這是CO2不對(duì)稱的三原子結(jié)構(gòu)的輻射特點(diǎn)決定的［9］。值得注意的是，在冷灰斗處，空氣氣氛下顆粒未被卷吸上升就已經(jīng)開(kāi)始燃燒。離開(kāi)燃燒室后，仍有一定量的煤炭顆粒進(jìn)行著燃燒反應(yīng)，說(shuō)明空氣氣氛下的燃燒相對(duì)富氧條件下較為緩慢。對(duì)比工況2—工況4，O2體積分?jǐn)?shù)越大，在燃燒室內(nèi)的反應(yīng)越劇烈。觀察工況4，顆粒的燃盡率在爐膛內(nèi)梯度很大，甚至在未出燃燒室燃盡速率就已經(jīng)變?yōu)?，這也說(shuō)明增加氧濃度能使煤炭顆粒更快反應(yīng)完全。

圖3 橫截面各參數(shù)隨爐高變化的平均值Fig.3 The average value of cross section parameters varying with furnace height

表5 給出了四種工況下的爐膛出口參數(shù)。在相同的進(jìn)口O2體積分?jǐn)?shù)下，爐膛出口速度和煙溫都有不同程度的升高?？諝鈿夥障码m然進(jìn)口O2體積分?jǐn)?shù)相同，但以CO2代替N2使出口的O2體積濃度不盡相同。隨著O2體積分?jǐn)?shù)的不斷提高，其出口速度和煙溫逐漸減小。較大的排煙量和排煙溫度會(huì)使排煙熱損失增大。提高O2體積分?jǐn)?shù)使排煙量和排煙溫度同時(shí)降低意味著排煙熱損失變小，這有利于提高鍋爐熱效率。對(duì)比工況1 與富氧燃燒下的三種工況，可以發(fā)現(xiàn)工況3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時(shí)，能夠達(dá)到和空氣氣氛下相似的出口煙氣量及煙氣溫度。根據(jù)上文分析，工況3 的溫度梯度也小于工況4，說(shuō)明在研究的幾種工況中，工況3 是最接近空氣的場(chǎng)分布。同時(shí)，采用富氧燃燒，爐膛出口的CO2體積分?jǐn)?shù)很高，在80%～90%之間，有利于后續(xù)回收液態(tài)的CO2，實(shí)現(xiàn)低碳排放。

表5 爐膛出口參數(shù)Tab.5 Outlet parameters of the furnace

圖4 為工況1—工況4 煤炭顆粒在爐膛中的停留時(shí)間軌跡圖。在四種工況下，煤炭顆粒均保持著旋流上升的趨勢(shì)。在富氧環(huán)境中，煤顆粒在爐膛中的平均停留時(shí)間均比在空氣氣氛下的平均停留時(shí)間更長(zhǎng)，這說(shuō)明富氧條件是有利于煤粉充分燃燒的。四種工況下，煤粉顆粒的平均停留時(shí)長(zhǎng)分別為11.0 s，14.3 s，11.1 s以及16.2 s。從燃燒的充分性方面來(lái)說(shuō)，φ(O2)/φ(CO2)=29/71 時(shí)煤粉燃燒更完全。從與空氣氣氛的相似性方面來(lái)說(shuō)，φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時(shí)，煤粉顆粒分布與工況1 更接近。

圖4 工況1—工況4 煤炭顆粒停留時(shí)間Fig.4 Coal particle residence time in working condition 1—condition 4

2.2 傳熱特性

圖5 為工況1—工況4 壁面熱負(fù)荷云圖。由圖5（a）可知，在空氣氣氛下，熱流密度最大的區(qū)域在燃燒室中心，最大達(dá)到了?4.61×105W/m2。一次風(fēng)將煤粉顆粒輸運(yùn)到燃燒室發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，在燃燒室內(nèi)基本已經(jīng)燃燒完全，之后隨著爐膛的升高，煙氣與過(guò)熱器、換熱器以及水冷壁進(jìn)行對(duì)流換熱和輻射換熱，其換熱能力不及顆粒燃燒時(shí)的輻射能力，因此熱流密度也逐漸降低。在富氧條件下，由于CO2的輻射能力比N2強(qiáng)，在燃燒室內(nèi)就已經(jīng)輻射了大量的熱量，所以在離開(kāi)燃燒室后的煙道中，工況2—工況4 的壁面熱負(fù)荷均不及工況1。同時(shí)，對(duì)比工況1 與工況2，工況2 的火焰中心明顯上移，此種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致著火延遲，降低燃燒的穩(wěn)定性。工況2—工況4 的最大熱流密度分別為?4.23×105W/m2、?4.53×105W/m2和?4.93×105W/m2。隨著氧濃度的逐漸增大，壁面熱負(fù)荷隨之增大，同時(shí)火焰中心也逐漸回落，說(shuō)明提高氧濃度有利于換熱并提高燃燒的安全性和穩(wěn)定性。

圖5 工況1—工況4 壁面熱負(fù)荷Fig.5 Heat flux in working condition 1—condition 4

圖6 為工況1—工況4 分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器的熱流密度和輻射熱流密度圖。由圖6（a）可知，在同樣的高度上，后屏過(guò)熱器吸收的熱量明顯小于分隔屏過(guò)熱器。在不同的工況下輻射熱流密度表現(xiàn)出和總熱流密度相似的趨勢(shì)，并且輻射熱流占了總熱流的60%～85%，輻射傳熱占主導(dǎo)地位。對(duì)比空氣氣氛與富氧環(huán)境下的熱流分布，富氧環(huán)境中的熱流梯度更小，說(shuō)明了富氧條件下在燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)就已經(jīng)進(jìn)行了強(qiáng)烈的熱量交換，達(dá)到煙道后，輻射換熱強(qiáng)度沒(méi)有之前那么劇烈了。

圖6 工況1—工況4 分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器的熱流密度和輻射熱流密度圖Fig.6 Heat flux and radiant heat flux diagram of separated screen superheater and rear screen superheater from working condition 1—condition 4

如圖7 所示，其定量化顯示了煙道和各個(gè)過(guò)熱器與再熱器的傳熱量和輻射傳熱量。不論是在空氣氣氛還是在富氧條件下，煙道吸收了絕大部分的熱量，其他過(guò)熱器與再熱器吸收熱量的差距不大，并且輻射傳熱相對(duì)于對(duì)流傳熱來(lái)說(shuō)，其在爐膛中是主要的傳熱方式。增大O2的入爐份額，過(guò)熱器和再熱器的傳熱份額略有減少。在燃盡區(qū)及之后的爐膛中，空氣氣氛下的換熱強(qiáng)于富氧環(huán)境。在工況1 下，煙道的傳熱量和輻射傳熱量都比工況2—工況4 的傳熱量要大，這和圖5 的云圖顯示一致。

圖7 工況1—工況4 煙道和各過(guò)熱器與再熱器的傳熱量與輻射傳熱量Fig.7 Heat transfer and radiation transfer in flue and superheater and reheater in working condition 1—condition 4

3 結(jié)論

本文對(duì)300 MW 四角切圓燃燒亞臨界煤粉爐進(jìn)行了數(shù)值模擬。為使改造后的鍋爐能在空氣氣氛和O2/CO2氣氛下兼容，利用現(xiàn)有設(shè)備、節(jié)約了改造成本，對(duì)四種工況下的燃燒特性和傳熱特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）在保持相同的O2體積分?jǐn)?shù)時(shí)，富氧條件下的爐膛橫截面平均溫度低于空氣氣氛下的平均溫度?？諝鈿夥障碌臋M截面平均O2體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出和富氧條件下不同的趨勢(shì)。從顆粒燃盡率方面來(lái)說(shuō)，增大氧濃度使煤炭顆粒未離開(kāi)燃燒室就已反應(yīng)完全。

（2）從爐膛出口參數(shù)和煤炭顆粒在爐膛中的停留時(shí)間方面來(lái)說(shuō)，工況3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時(shí)，能夠達(dá)到和空氣氣氛下相近的出口煙氣速度和出口煙氣溫度以及停留的時(shí)間。增加入爐O2的體積分?jǐn)?shù)能使煤顆粒有更小的排煙熱損失，進(jìn)行更充分的燃燒。

（3）從熱負(fù)荷角度來(lái)說(shuō)，以CO2代替N2使得燃燒室內(nèi)的火焰中心上移，這意味著著火的推遲和燃燒的不穩(wěn)定。增大O2的體積分?jǐn)?shù)可以使火焰中心回落，增強(qiáng)燃燒的安全性與穩(wěn)定性。同時(shí)，以分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器為例，說(shuō)明了輻射換熱在換熱過(guò)程中占主導(dǎo)。富氧燃燒在燃盡區(qū)之后的爐膛中，空氣氣氛下?tīng)t膛內(nèi)的換熱都強(qiáng)于富氧條件下的換熱。