煤粉浓淡空气分级燃烧过程的数值模拟

毕明树, 张 丛, 周一卉

(大连理工大学化工机械学院,大连116012)

煤粉作为一次能源,其清洁、高效燃烧一直是科 研人员研究的热点.燃煤锅炉是煤粉利用的主要方式,其排放的污染物主要由NO x、CO和固体粒子(包括未燃烧和部分燃烧)等组成.目前,燃煤锅炉存在NO x排放超标和飞灰含碳量高等环境污染问题.以降低排放为主的低NO x燃烧技术主要包括低过量空气系数燃烧、空气分级燃烧、浓淡燃烧及煤粉再燃等.由于煤粉浓淡燃烧依赖于燃烧器的结构,因此大多研究限于实际改造工况和单个燃烧器的结构,而对煤粉浓淡燃烧炉膛的研究较少.浓淡燃烧技术[1]是利用浓淡偏差燃烧器在炉膛一次风入口调节煤粉和空气分布,形成远离化学当量比的燃烧条件,从而降低NO x的生成.针对1台400 t/h的四角切圆煤粉燃烧锅炉,笔者在空气分级燃烧技术[2-3]的基础上提出了浓淡燃烧改造,并借助Fluent 6.3软件对改造前后锅炉的燃烧状况进行了数值模拟,为电厂实施锅炉设计和改造提供了理论依据.

1 研究对象与网格划分

1.1 研究对象

本文模拟研究的对象为400 t/h四角切圆燃煤锅炉炉膛,其炉膛结构和尺寸见图1.从图1可知：常规燃烧指燃尽风(OFA)喷口不开启;浓淡燃烧改造其3层一次风喷口,保证燃烧器喷口大小,喷口个数和高度均不变,中间加隔板,浓淡两侧喷口大小均等,切圆内侧为浓侧喷口.表1为煤的工业分析和元素分析,表2为煤质的物理参数.煤粉粒径按照Rosin-Ramm ler方法分布,R200为2%,R90为22%.

图1 炉膛结构和尺寸示意图(单位：mm)Fig.1 Schematic of the 400 t/h tangentially fired boiler and its dimensions

表1 煤的工业分析和元素分析Tab.1 Proximateand u ltimateanalysis of the coal

表2 煤质的物理参数Tab.2 Physica l parameters of the coa l

1.2 网格划分

在非燃烧器区域的横截面上,采用标准四边形网格.图2为燃烧器的截面网格,从图2可知：在燃烧器区域,采用图2所示的燃烧器截面网格划分形式,使网格疏密趋向和划分方向均与煤粉空气从四角喷入的方向相一致,尽量减少“伪扩散”[4]所造成的计算误差;在燃烧器区域,对网格进行了局部加密.图3为炉膛的网格,炉膛的整体网格数约为12万个.

图2 燃烧器的截面网格Fig.2 Sectionm eshes of bu rners

图3 炉膛的网格Fig.3 M eshes of the furnace

2 数学模型与计算方法

2.1 数学模型

在数值模拟中,气相的湍流流动选择Realizab le k-ε数学模型;气相湍流燃烧采用单混合分数概率密度函数模型,选取β-PDF模型;煤粉颗粒相流动采用随机轨道方法;挥发分析出模型为双竞争反应热解模型;焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型;采用P-1辐射模型计算辐射传热.在煤粉浓淡入射过程中,忽略煤粉空气在燃烧器中二次分布不均匀的影响.采用浓、淡两个入口,以面入射的方式实现.

2.2 NO x和煤烟模型

采用后处理的方法对NO x和煤烟的生成进行了数值模拟[4-5].煤烟的生成采用双步反应模型,燃料为C(s),氧化剂为O2.NO x的生成来自3种型式：热力型、快速型和燃料型.对热力型NOx采用扩展Zeldovich机理,中间产物[O]、[OH]均采用部分平衡模型;对于快速型NO x,燃料组分为C(s);对于燃料型NOx,挥发分中的氮首先转化为中间产物HCN,然后部分HCN转化为NO,焦炭中的氮直接转化为NO.湍流对NO x生成的影响可采用温度和氧浓度的β型概率密度函数进行模拟.

2.3 数值计算方法

采用稳态计算和有限容积法离散方程,并使用二阶迎风格式进行三维数值模拟.对压力与速度的耦合则采用Sim ple算法,并采用 TDMA法求解代数方程组.

入口条件按速度入口取值,固相以面入射方式给出流速、质量流量和温度.进口处湍流动能k取进口处平均动能的3%,湍流动能耗散率根据进口处的k值和进口特征长度计算得出.出口条件按压力出口条件取值,壁面边界条件取无滑移条件,对于流体近壁区域则采用壁面函数法.

3 结果与分析

3.1 模拟工况

本文模拟的炉膛燃烧参数依据实际工况,模拟原工况下一次风速为27m/s,采用二次风等配风方式,风速为45m/s;空气分级工况下OFA风率为总风量的20%,风速为36 m/s,一次风速为27 m/s,二次风为均等配风,风速为36m/s.表3为不同浓淡比工况下的煤粉燃烧参数.

表3 不同浓淡比工况下的煤粉浓淡燃烧参数Tab.3 Combustion parameters at pulverized coal bias m ode for different rich/lean ratios

3.2 煤粉浓淡比对燃烧效果的影响

图4为在无燃尽风时,煤粉浓淡比对NO x和煤烟生成量的影响.从图4可以看出：随着一次风浓淡两侧煤粉浓淡比的增大,NO x生成量下降趋势较明显;当浓淡比大于5时,下降趋势变缓.随着煤粉浓淡比的增大,煤烟生成量增加,当煤粉浓淡比大于5时,进一步加大煤粉浓淡比使煤烟生成量急剧增加.总之,仅采用煤粉浓淡燃烧对煤烟的生成量影响较小.在前期,煤烟生成量增幅较小,原因是在无OFA时二次风率较大,二次风口距离一次风口较近,燃烧器区域氧气较充足;而当煤粉浓淡比过大、局部煤粉浓度过高时,高温低氧燃烧会导致煤烟的大量生成[6].

图4 无OFA时煤粉浓淡比对NO x和煤烟生成量的影响Fig.4 Influence of rich/lean ratio on emission of NO x and soot,withou t overfired air

图5为在空气分级燃烧下煤粉浓淡比对NOx和煤烟生成的影响.从图5可知：随着煤粉浓淡比的增加,NO x的生成量随之减小,当煤粉浓淡比大于5时NOx排放趋势较为平缓,这与无燃尽风喷口时得到的结论基本一致;煤烟生成量随着浓淡比的增加先减少后增加,但在煤粉浓淡比大于5后,煤烟生成量急剧增加,比不采用煤粉浓淡燃烧时的生成量还大.

图5 在空气分级燃烧下的煤粉浓淡比对NO x和煤烟生成的影响Fig.5 Influence of rich/lean ratio on em ission of NO x and soot,at air-staged combustionm ode

3.3 煤粉浓淡与空气分级燃烧过程的温度对比

图6～图8中(a)、(b)、(c)、(d)依次代表常规燃烧、煤粉浓淡燃烧(浓淡比为5)、空气分级燃烧(燃尽风风量为20%)和煤粉浓淡空气分级燃烧(浓淡比为5、OFA风量为 20%)4种工况.图6给出了各工况下炉膛中心截面的温度场分布.由图6可知,与常规燃烧相比,采用煤粉浓淡燃烧时的炉膛最高温度略有下降,但炉内高温区域增大,温差缩小,炉膛出口温度比原工况有所升高.这是因为浓淡燃烧推迟了煤粉的燃尽时间,因而导致高温区域上移.仅采用空气分级燃烧时,炉膛内最高温度比前2种工况低,其原因是分级燃烧将部分氧量送到燃尽风口,使主燃烧区域氧量减少而导致燃烧不充分.采用煤粉浓淡结合空气分级燃烧后,炉膛内高温范围比前3种工况都大,炉内的最高温度比前3种工况都低,对NOx的生成起到了一定的抑制作用,其炉膛出口的烟温最高,其原因为：OFA的喷入补充了氧气,使未燃煤粉得到再次完全燃烧放出热量.

图6 各工况下的温度对比(单位：K)Fig.6 Comparison of temperatu re profiles under various w orking conditions(unit：K)

3.4 煤粉浓淡与空气分级燃烧过程中的NO x排放对比

图7为各工况下炉膛中心截面NOx生成量的对比.与原工况相比,煤粉浓淡、空气分级及两者联用使NO x排放量分别降低了 15.8%、17.7%和27.6%.与图6的温度场对比可看出：炉膛中心温度的最高值对应NO x浓度的最大值,炉内的温度水平对NO x的生成影响很大.采用煤粉浓淡空气分级燃烧后,炉膛中心的最高温度与NOx浓度的最大值均有所下降,NO x的高浓度范围也有所缩小.这是因为空气分级使燃烧器区域处于富燃贫氧条件,煤粉浓淡使局部的空气和煤粉处于富燃贫氧条件,这两者使煤粉在贫氧环境下析出还原性组分HCN和NH i,对NO x有一定的还原作用,因而抑制了NO x的生成.由于燃烧器区域及燃烧器下部区域的氧量较少,因此NOx的生成量也随之减少,而燃烧器区域上部燃尽风的喷入极大地降低了NO x的生成浓度.

图7 各工况下炉膛中心截面NO x生成量的对比(单位：m g/m3)Fig.7 Comparison of em ission profilesof NO x on cen tral section in fu rnace under various w orking conditions(unit：mg/m 3)

3.5 煤粉浓淡与空气分级燃烧过程中的煤烟浓度对比

图8为各工况下炉膛中心截面煤烟生成量的对比.由图8可以看出：与原工况相比,在仅采用煤粉浓淡或空气分级燃烧时,煤烟最大浓度分别提高了6.1%和4.3%;而采用两者联用时,煤烟浓度却降低了7.1%.仅采用空气分级燃烧的煤烟高浓度范围扩大较多,但其最大浓度值却有所降低,这是因为煤烟生成于高温低氧环境中,采用空气分级之后,燃烧器下部处于低氧状态且温度较高,煤烟生成浓度也较高,燃烧器上部由于二次风及OFA的喷入补充了氧气,随着煤粉的燃尽,该处成为炉膛的最高温度区,所以煤烟生成量也达到最大.在两者联用工况下,煤烟的高浓度区域较大,但优于仅采用空气分级燃烧工况,这是因为：①炉温整体低于空气分级燃烧工况;②空气分级、煤粉浓淡造成的低氧环境使煤烟的生成集中在炉膛中、下部,而在炉膛出口的浓度较低.

4 结 论

(1)采用煤粉浓淡燃烧时,最佳煤粉浓淡比为5,而煤粉浓淡空气分级燃烧时的最佳煤粉浓淡比为3～5.

(2)仅采用煤粉浓淡燃烧时,随着浓淡比的增大,NO x的生成量减少,煤烟的生成量增加;在大于最佳浓淡比之后,随着浓淡比的增大,NO x生成量减少的趋势变缓.联合空气分级燃烧之后,浓淡比对NO x的影响规律与仅采用煤粉浓淡燃烧工况的相同,煤烟生成量随着浓淡比的增大先增加后减少,OFA的喷入使煤烟生成量急剧增加.

(3)空气分级降低了主燃烧区域的氧量,而煤粉浓淡形成了局部富燃贫氧条件,两者推迟了煤粉的燃尽,在主燃烧器区域形成还原性气氛,导致炉内的最高温度降低,进而抑制了NO x和煤烟的生成.

(4)仅采用空气分级或煤粉浓淡任一种方式,均使NO x生成量减少,同时使煤烟生成量增加.采用两种方式联用可同时减少NO x和煤烟的生成量,其中NO x生成量的最大降幅可达27.6%.

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