O2/CO2气氛下煤粉燃烧特性模拟研究

楚化强，冯　艳，曹文健，顾明言

（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002）

O2/CO2气氛下煤粉燃烧特性模拟研究

楚化强，冯艳，曹文健，顾明言

（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002）

针对煤粉燃烧器燃烧工况，采用Fluent软件，探索辐射模型、气氛和煤粉粒径对煤粉燃烧过程的影响及污染物生成情况。结果表明：采用DO+WSGG模型时，煤粉的燃烧温度有所降低；跟空气气氛相比O2/CO2气氛下煤粉的燃烧温度降低，NO的量也降低；氧浓度增大，煤粉燃烧的温度峰值增加；随着超细煤粉混合比的增加，燃烧高温区而向前移。

煤粉燃烧；O2/CO2；辐射模型

我国煤炭资源丰富，是一个燃煤大国，因此对煤粉燃烧特性研究将显得分外重要。最近，O2/CO2燃烧技术由于其能够降低污染物的排放，提高燃烧效率而逐渐被人们所关注。各国学者从理论和实验方面开展了煤粉在O2/CO2气氛下燃烧特性研究，发现了各种不同于常规空气气氛下的燃烧现象，并给予了解释和分析［1-15］。然而，据作者所知，鲜有学者综合辐射模型、燃烧气氛［16］和煤粉粒径［17-18］三个方面对于煤粉燃烧进行研究，基于此，本文将利用Fluent软件从这三个方面对煤粉的燃烧过程和燃烧产物进行研究分析。

1　研究对象

本文所模拟的煤粉燃烧器结构如图1所示。煤粉通过一次风携带喷入燃烧室，二次风从外围环形喷口进入燃烧器。燃烧室内径为600 mm，炉膛长2 500 mm。计算区域采用Gambit进行划分，由于控制体体积比较大，要划出比较理想的网格尺寸，网格数目就比较多，于是只做四分之一控制体然后设置对称（symmetry）边界条件，网格类型选用TGrid类型，网格划分如图2所示。

图1　燃烧器结构示意图

图2　炉体网格系统图

煤粉成分见表1，发热量29 700 kJ/kg，Q低=4.187［81C+246H-26（O-S）-6W］=29 700 kJ/kg。煤粉流量为14 kg/h，超细煤粉和常规粒径煤粉混合比例及对应工况见表2。

表1　煤粉元素分析与工业分析（质量百分比）

表2　模拟算例

辐射换热是燃烧过程的一个非常重要的传热方式，因此辐射模型的选择十分重要。对于吸收、发射和散射介质，辐射传递方程可写作：式中：Ka、Kp和Ks分别为气体吸收系数、颗粒吸收系数和散射系数。

本文将采用两种方法来求解上式，即离散坐标法（DO）和P1法。DO模型对从小尺度到大尺度辐射计算都适用，而P1模型一般用于光学深度大于1的情况。对于气体吸收系数，在不加说明的情况下，本文采用灰体模型；此外，本文还选择了一种气体非灰辐射模型，即灰气体加权和模型（WSGG），来考察气氛对燃烧换热过程的影响。

2　数值模拟结果与讨论

2.1不同辐射模型对煤粉燃烧的影响（算例1）

图3给出了算例1情况下根据不同辐射模型所得到的中心轴线上温度和NO质量分数分布。从温度分布及污染物NO质量分数的分布，辐射模型的选择对煤粉燃烧模拟结果有着显著的影响。介质辐射传热对燃烧系统的传热过程起着至关重要的作用，尤其在高温燃烧设备中热辐射可能主导整个系统的能量传递。在O2/CO2气氛下，烟气成分较传统空气燃烧发生了变化，这将大大影响炉内的换热。参与热辐射的CO2替代不参与热辐射的N2，使得烟气的发射率增强，气体辐射传热在煤粉燃烧中所起的作用加重，从而强化了传热、加速煤粉升温速度、水分及挥发分的析出，并使得煤粉燃烧进程提前。在图3中，对比DO模型和DO+WSGG模型可以看出，由于DO+WSGG模型考虑了CO2和水蒸气的辐射换热，炉膛中心中线上的温度整体较低，而且挥发分析出的位置也提前。而在O2/CO2工况下对比DO模型和P1模型，可以看出不同的辐射模型对辐射传热量的预测有所差别。

图3　不同辐射模型下中心轴线上温度和NO质量分数的分布图

煤粉燃烧生成的NOx主要包括热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx，由于快速型NOx含量很少，本文模拟时只考虑了热力型NOx和燃料型NOx，热力型NOx是在温度高于1 500℃时，空气中氮气和氧气反应生成的。本算例是O2/CO2工况，所以主要产物是燃料型NOx，而NOx中90%～95%是NO，所以比较DO模型和DO+WSGG模型可以看出，在中心轴线距离大于1.25 m后两者的NO质量分数的曲线几乎是重叠的，在0.5～1.25 m之间煤粉没有燃尽，而DO模型没有考虑CO2和水蒸气的辐射换热，炉膛温度高，煤粉燃烧快，NO生成的量大，所以NO质量分数也大。

图4给出了中心面的面积加权平均温度、出口处NO质量分数。图4中中心面的面积加权与图3中中心轴线的温度分布相符，DO模型的整体温度较高，P1模型次之，最小的是DO+WSGG模型。还可以看出DO模型和DO+WSGG模型出口处的平均NO质量分数相差0.000 01，可以算出两者误差小于5%，这也与图3中轴向距离大于1.25 m后NO质量分数曲线的规律相符。

图4　不同辐射模型下平面上的面积加权平均温度和出口NO的质量分数关系图

2.2空气、O2/CO2两种气氛对煤粉燃烧的影响 （算例2）

图5给出了空气、O2/CO2两种气氛下煤粉燃烧中心轴线上温度和气体污染物质量分数的分布。O2/ CO2气氛燃烧后有较高浓度的CO2，使CO2的贮存与利用更为方便。从中心轴线上的温度分布的对比可以看出，煤粉在O2/CO2气氛下的燃烧温度较低，着火提前。从NO的质量分数图对比，O2/CO2气氛下NO污染物的排放要比常规燃烧方式低，由于有较高浓度的CO2使得燃烧器内部CO的质量分数有较高的峰值，CO具有还原性，抑制了NOx的生成。

图5　70 μm粒径的煤粉在空气、O2/CO2气氛（具有相同O2浓度）中燃烧轴向温度和NO质量分数分布图

图6为中心面上的面积加权平均温度分布。可见，图6与图5中的中心轴线上温度分布一致，在空气气氛下中心轴线上的温度较高，而其中心面上的面积加权平均温度也较高。图6中出口处NO质量分数也与图5中轴向距离大于2.0 m的情况相符，空气气氛下烟气中NO的质量分数较大。

图6　70 μm粒径的煤粉在空气、O2/CO2气氛（具有相同O2浓度）中燃烧平面上面积加权平均温度和出口NO质量分数分布图

2.3O2/CO2气氛下两种不同氧浓度对煤粉燃烧的影响（算例3）

图7给出了两种不同氧浓度的O2/CO2气氛下煤粉燃烧中心轴线上温度和气体污染物浓度分布。由图可知，随着氧浓度的稍微提高，中心轴线上的温度和气体污染物浓度分布均有所变化。O2浓度的增加（CO2浓度的减小）使得辐射换热的贡献有所降低，因此燃烧最高温度会有所升高。另外，实验研究表明［19］，氧浓度的增加可以缩短煤粉从着火到燃尽所需的时间。O2/CO2气氛下主要是燃料型NOx，开始时O2浓度为25%时温度较高，先析出NO，质量分数比O2浓度为23%时大。不同O2浓度下使用的是相同的煤粉，所以最终两种浓度下NO的质量分数接近。

图7　煤粉在O2/CO2气氛下两种不同氧浓度下燃烧时轴向温度和NO质量分数分布图

图8给出了煤粉在O2/CO2气氛下两种不同氧浓度燃烧面积加权平均温度和出口NO质量分数分布。从图8中可以看出，两者出口处NO的平均值相差很小。图8显示，氧气浓度为25%时中心面的面积加权平均温度的值较低，虽然氧气浓度为25%时的最高温度较高，但图7中显示此区域的范围较小，所以对面积加权平均后的温度较低。

图8　煤粉在O2/CO2气氛下两种不同氧浓度燃烧面积加权平均温度和出口NO质量分数分布图

2.4超细煤粉和常规煤粉不同混合比对煤粉燃烧的影响（算例4）

在本算例中，本文将考察超细煤粉（20 μm）对常规煤粉（70 μm）燃烧情况的影响。图9给出了三种粗细煤粉混合下中心轴线的温度分布情况。三种混合比的中心轴线上的温度分布总的趋势是，温度先逐渐升高而后降低，高温区随粗细煤粉混合比的降低而前移，粗细煤粉混合比为7：3和5：5时，煤粉在入口附近开始燃烧，而粗细煤粉混合比为9：1时着火位置靠后；粗细煤粉混合比为7：3和5：5时的高温区与细煤粉混合比为9：1时有很大的区别，这表明煤粉在O2/CO2气氛下燃烧受粒径影响大。这主要是因为细煤粉加热后升温较快，细煤粉含量越多着火位置越靠前。可见随着细煤粉量的增加，燃烧更易进行。从图9中还发现，随着细煤粉量的增加，轴线上的最高温度升高，燃尽温度降低。三种混合形式下中心轴线上的温度在轴向上升高的同时还有一部分区域降低，这是由于挥发分析出吸收了大量的热量；开始时随着细煤粉颗粒的加入温度场有较大的变化，当细煤粉加入量达到一定时再加入细煤粉对高温区的影响开始减弱。

粗细煤粉混合比为7：3比粗细煤粉混合比为5：5时中心轴线上的高温区域范围较大，这与图10中的中心面的面积加权平均温度相符。出口处的NO质量分数的平均值与中心轴线出口处的值接近。

3　结论

通过对四个算例的煤粉燃烧模拟，本文主要可得到以下结论：

图9　O2/CO2气氛下细煤粉与粗煤粉不同比例混合燃烧轴向温度和NO质量分数的分布图

图10　O2/CO2气氛下细煤粉与粗煤粉不同比例混合燃烧面积加权平均温度和出口NO质量分数分布图

（1）对于不同的辐射模型，在O2/CO2气氛下，煤粉的燃烧特性有很大变化，特别是对气体辐射模型（本文选择WSGG模型）的选择，对模拟结果有重要影响，由于WSGG模型的引入，增强了气体的辐射能力，所以温度会降低；不同求解方法对换热预测有所差别；

（2）煤粉在O2/CO2气氛下的燃烧与在空气气氛下的燃烧特性有着明显的不同。与空气气氛下的燃烧状况相比，煤粉在O2/CO2气氛下火焰温度降低；

（3）改变O2/CO2气氛中O2浓度对煤粉燃烧特性有很大的影响。气氛中的O2浓度提高，高温区越明显，NO的生成量也越高；

（4）粗煤粉中混入细煤粉能够改善粗煤粉的燃烧状况，使得燃烧提前，挥发分析出提前。

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Simulation of Pulverized Coal Combustion Characteristics under O2/CO2Atmosphere

CHU Huaqiang，FENG Yan，CAO Wenjian，GU Mingyan
（College of Energy and Environment，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China）

Aiming at combustion conditions of pulverized coal burners，by using the Fluent software，the influence of the radiative models，atmosphere and coal particle sizes on the combustion process and the pollutants were studied.The results showed that by using the DO+WSGG model，the combustion temperature of pulverized coal dropped.Compared with air atmosphere，the combustion temperature of the pulverized coal under the O2/CO2atmosphere fell，and the amount of NO also decreased.The increase of oxygen concentration lead to the peak temperature of pulverized coal combustion increased.The high temperature zone moved forward when the amount of fine coal increased.

pulverized coal combustion；O2/CO2；radiation model

TK229.6

A

1001-6988（2016）04-0006-04

2016-03-25

国家重大科学仪器设备开发专项（NO：2012YQ220119）；安徽省自然科学基金（NO：1408085QE100）；国家自然科学基金（NO：51306001、51376008）

楚化强（1982—），男，副教授，主要研究方向为燃烧诊断与模拟.