炉内烟气成分对富氧燃烧锅炉传热特性的影响

谢 妍，王赫阳，赵 军，刘 欣，张超群

【碳中和专栏】

炉内烟气成分对富氧燃烧锅炉传热特性的影响

谢 妍1, 2，王赫阳1, 2，赵 军1, 2，刘 欣3，张超群3

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 中低温热能高效利用教育部重点实验室(天津大学)，天津 300350；3. 烟台龙源电力技术股份有限公司，烟台 264006)

富氧燃烧；烟气成分；烟气再循环；辐射传热

中国以燃煤发电为主，随全球暖化的加剧，减少燃煤电厂的CO2排放已经成为我国规模化减排的核心．富氧燃烧是目前最具应用前景的大规模碳捕集技术发展方向之一[1-2]．富氧燃烧中，空气首先经过空气分离装置(air separation unit，ASU)将N2分离，产生高浓度的O2供煤粉燃烧．相比常规空气燃烧方式，富氧燃烧烟气的主体成分为CO2和H2O，显著降低了CO2的分离难度与成本[3]．

富氧燃烧通常采用烟气再循环(flue gas recirculation，FGR)控制燃烧温度，根据再循环烟气是否去除水蒸气，烟气再循环又分为干烟气再循环和湿烟气再循环，不同的烟气再循环方式及循环烟气量会导致炉内烟气流量、成分及物性的变化，进而影响炉内的流动、燃烧及传热过程．Andersson等[4]、Woycenko等[5]在小尺度富氧燃烧实验台的研究表明，炉内温度及总传热量随再循环烟气量的增加而降低；王鹏  等[6]、郭军军等[7]、Fujimori等[8]和Anheden等[9]的实验及数值模拟研究表明，再循环烟气量可显著影响中、小尺度富氧燃烧系统的传热特性，可通过调整再循环烟气量使之与空气燃烧系统的温度及传热分布达到匹配．为实现富氧燃烧的工业应用，部分学者已开始工业尺度富氧燃烧技术的研究．然而，由于全尺度富氧燃烧锅炉内部环境复杂，实验成本高昂，目前还只能以数值模拟为主要手段对炉内的燃烧与传热特性进行研究．例如，Edge等[10]对500MW富氧燃烧锅炉的研究表明，在烟气循环倍率为70%时富氧燃烧系统可获得与空气燃烧系统近似的传热量；Hu等[11]则着重研究了不同再循环烟气量导致的入口氧浓度变化对300MW富氧燃烧锅炉流动及传热的影响．上述研究均表明富氧燃烧的燃烧温度及传热量受再循环烟气量的影响，可在特定再循环烟气量下与空气燃烧达到匹配．然而，这些研究皆忽视了不同燃烧方式下烟气成分变化对炉内流动、燃烧及传热的重要影响．富氧燃烧烟气的主体成分为CO2与H2O，而空气燃烧烟气的主体成分为N2，不同燃烧方式之间烟气成分的差异将导致炉内烟气物性的显著差异，如密度、比热和吸收系数等，并因此将可能显著影响炉内的流动、温度及传热分布[12]．

为此，本文将以320MW四角切圆锅炉为研究对象，采用三维CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法研究富氧燃烧不同烟气再循环方式(干、湿烟气循环)及循环倍率下炉内的流动、燃烧及传热过程，并重点探讨烟气成分及物性变化对富氧燃烧锅炉温度与壁面传热分布的影响．研究表明，不同燃烧方式间烟气成分及物性间的差异将显著影响炉内的温度及传热分布，在全尺度富氧燃烧锅炉的设计或现有空气燃烧锅炉的富氧燃烧改造中，需综合考虑烟气流量及成分和物性的变化对炉内流动、燃烧与传热过程的影响．

1 数值模型

1.1 整体模型

本文以ANSYS Fluent为计算平台，采用Realizable模型模拟湍流流动[13]，近壁模型采用标准壁面函数．离散方程组的压力和速度耦合求解采用SIMPLE算法，离散方法均采用二阶迎风格式．采用随机轨道模型跟踪煤粉颗粒的运动[14]．采用单步反应速率模型描述煤的脱挥发分过程[15]，并将挥发分表示为单一虚拟组分CHOSN[11,16-17]．假设炭粒中的固定碳为纯碳，、、、、的值可根据煤的工业与元素分析数据计算得出．煤高温热解挥发分的析出总量、析出速率参数(指前因子和活化能)分别为47.2%(可燃基)、92031/s和27.67kJ/mol，由FLASHCHAIN模型模拟一维炉中煤粒的热解过程获得[18]．煤粉热解后形成的炭粒与周围气相组分的异相表面反应包括：

Cchar＋0.5O2→CO(1)

Cchar＋CO2→2CO(2)

Cchar＋H2O→H2＋CO(3)

其中，Cchar为炭粒中的碳．炭粒的表面反应速率由动力学/扩散限制速率模型计算[19]，模型参数如表1所示．

炭粒表面反应所生成的CO和H2进一步通过均相氧化反应分别生成CO2和H2O，挥发分CHOSN的燃烧反应采用二步总包反应，均相化学反应包括：

表1 炭粒表面反应速率参数

Tab.1 Parameters of char surface reaction rate

CO＋0.5O2→CO2(5)

H2＋0.5O2→H2O(6)

均相化学反应的湍流反应速率采用涡耗散模型(eddy-dissipation model)计算[20-21]．

本文的研究重点是烟气成分对富氧燃烧锅炉传热特性的影响，而辐射换热是炉内的主要传热机理，本文数值研究采用的辐射模型和壁面传热边界条件将在以下详细给出．

1.2 辐射模型

本文采用离散坐标法(discrete ordinates method)求解辐射传递方程(RTE)：

炉内的辐射介质包括气体和颗粒，颗粒相对辐射传热的影响通过颗粒吸收系数p和散射系数p来体现，本文皆取为0.9[22]．气相介质对辐射传热的影响由气体吸收系数体现，由式(8)计算：

式中：为计算域内的射线程长；为气体辐射发射率，采用灰色气体加权和(WSGG)模型计算．WSGG模型用几种假想灰色气体发射率的加权和来表示实际非灰色气体的发射率：

比如“氧化还原反应”的学习，其中涉及到学生已经了解的氧化反应、还原反应，由于氧化还原反应中电子得失概念的抽象性，学生很难把握氧化还原反应的本质和特点.学生稍有不慎就很容易将其中的知识点混淆，达不到预期教学目标.教师可以将这些知识制作成单独的微课，帮助学生认识氧化还原反应的特征、应用其对化学反应进行分类以及氧化还原反应与四大基本反应类型的关系等内容，并通过思维导图让学生系统的分辨这些知识点之间的关系和差别，促进学生的自主学习能力，帮助学生掌握教学重难点.

1.3 壁面传热边界条件

对于燃煤锅炉，辐射是炉膛传热的主要形式．炉膛水冷壁收到炉内高温火焰发出的入射辐射热量，其中一部分被水冷壁吸收，另一部分被反射回炉内，水冷壁由于自身温度也向周围发出辐射，壁面的净辐射吸热为入射辐射与出射辐射之差：

式中：ext为水冷壁管内工质温度；ext为壁面传热系数，表征热量从锅炉烟气侧外壁面传递到管内工质过程的总热阻的倒数[25]，对于燃煤锅炉，一般由壁面渣层的热阻所决定，根据炉膛结渣状态取值一般在300～600W/(m2·K)之间[25]．式(14)和(15)给出了锅炉水冷壁烟气侧和汽水侧的热平衡关系，联立两式可得到水冷壁的热边界条件．本文中，工质温度ext取为水冷壁管内的饱和蒸汽温度639K，ext为400W/(m2·K)，壁面黑度w为0.6[25]．

2 锅炉结构及运行工况

本文研究对象为一320MW亚临界四角切圆锅炉，其燃烧器及受热面布置如图1．锅炉炉膛高× 宽×深为56.2m×14.0m×14.0m，每角包括五层煤粉燃烧器，各煤粉燃烧器之间由二次风燃烧器分隔，分离燃尽风布置在顶层煤粉燃烧器上方4.4m处．

图1 锅炉燃烧器及受热面布置示意

根据实际炉膛尺寸，对320MW四角切圆锅炉进行建模及网格划分，为更好地体现燃烧器设计对流场的影响，对近燃烧器区域的网格进行了细化处理，如图1．网格独立性表明网格数为406万与500万时计算得到的速度、温度及传热等结果差别很小，因此数值模拟采用网格总数为406万．锅炉燃用烟煤，煤的工业与元素分析如表2所示．

本文分别对空气(AIR)、富氧燃烧干烟气循环(DRY)和湿烟气循环(WET)3种燃烧方式进行了分析研究，其中富氧燃烧干、湿烟气循环包括循环倍率(RR)为65%、70%、75%和80%的4个工况(分别表示为RR65、RR70、RR75、RR80)以研究不同烟气流量下烟气成分及物性变化对炉内流动与传热分布的影响．循环倍率定义为再循环烟气体积流量占锅炉入口气体总流量的比例．所有工况煤量均为123.5t/h，一次风、周界风、二次风、燃尽风分别占总风量的23.6%、15%、46.4%、15%，一次风和二次风温度分别为77℃和337.8℃．煤粉的粒径假设为Rosin-Rammler分布，平均粒径为59μm，均匀性指数为1.0．为方便对比，空气燃烧工况和富氧燃烧干、湿烟气循环工况的过量空气系数分别为1.15、1.027和1.035，使3种燃烧方式在循环倍率为80%条件下具有相同的入口气体体积流量和氧量．富氧燃烧工况的过量空气系数显著低于空气燃烧，这是因为再循环烟气中包含过量氧，使在相同入口O2量情况下，富氧燃烧可采用更低的过量空气系数．表3列出了空气燃烧和富氧燃烧干、湿烟气再循环方式在不同循环倍率下的入口气体总质量流量、摩尔流量及入口气体成分(体积分数)．本文假设由ASU获得的O2的体积分数为95%(其余为N2)．

表2 煤的工业与元素分析数据(收到基)

Tab.2 Proximate and ultimate analyses data of coal(as-received base)

表3 锅炉入口气体成分、质量流量及摩尔流量

Tab.3 Boiler inlet gas composition，mass flow and mole flow rates

3 结果分析及讨论

3.1 流动分布

合理模拟炉内的流场分布是精确预测炉内温度与传热分布的基础．炉内的流场分布主要取决于燃烧器的设计型式及燃烧器间的风量分配．本文各燃烧器间的风量分配通过空气燃烧工况的锅炉运行参数确定．由于燃烧器与锅炉炉膛尺度间的巨大差异，如果在模拟炉膛流动时将燃烧器的设计细节考虑在内将导致巨大的网格数量和计算量．因此，本文首先对煤粉、燃尽风和各二次风燃烧器分别建立燃烧器流动模型，得到各燃烧器内详细的流场分布，并将燃烧器流动模型出口的速度和温度分布作为锅炉模型相应燃烧器入口的边界条件．此方法可合理地将燃烧器设计的影响体现在炉内流场的模拟计算中，并避免同时模拟锅炉与燃烧器流动所导致的巨大计算量.

图2为空气燃烧和富氧燃烧湿烟气循环工况在不同烟气循环倍率下的锅炉入口速度及对角截面速度分布的模拟结果．从图中可看出，随烟气循环倍率的增加，锅炉燃烧器入口的气体流量增加，入口流速及炉内烟气流速随之升高．当烟气循环倍率达到75%时(RR75工况)，富氧燃烧工况锅炉入口的气体质量流量已接近空气燃烧工况(见表3)，但其入口及炉内流速明显低于空气燃烧．这是由富氧燃烧与空气燃烧工况间烟气成分及密度的差异导致的．富氧燃烧锅炉入口气流包含高浓度的CO2，而空气燃烧工况入口气流的主体成分为N2，CO2的密度显著高于N2，使相同质量流量条件下，富氧燃烧锅炉的入口气流体积流量明显低于空气燃烧工况．当烟气循环倍率达到80%时，富氧燃烧工况的入口气体质量流量已显著高于空气燃烧，但体积流量与空气燃烧时相同，因此具有与空气燃烧较为接近的燃烧器入口及炉内流场分布分析．

图2 空气燃烧及富氧燃烧湿烟气循环方式下锅炉入口及对角截面速度分布

3.2 温度分布

图3为空气燃烧和富氧燃烧湿烟气循环工况在不同烟气循环倍率下炉膛对角截面的温度分布．图4给出了各燃烧方式在不同烟气循环倍率下炉内横截面烟气平均温度沿炉膛高度的分布．从图3、图4可看出，随烟气循环倍率增加，富氧燃烧炉内烟温下降．这是由于随烟气循环倍率的增加，炉内需被燃烧放热加热的气体质量流量增加．在较低循环倍率情况下(65%，70%)，富氧燃烧炉内的烟气质量流量明显低于空气燃烧，因此炉膛温度显著高于空气燃烧．当循环倍率增加至70%～75%，富氧燃烧与空气燃烧工况的质量流量逐渐接近(如表3)，炉内的温度分布也趋于接近．随烟气循环倍率进一步增加，在80%循环倍率下，尽管富氧燃烧与空气燃烧的烟气体积流量相同，具有相似的炉内流场分布，但质量流量已显著高于空气燃烧，使富氧燃烧的炉内温度显著低于空气燃烧．

图3 空气燃烧及富氧燃烧湿循环工况炉膛对角截面温度分布

图4 不同工况下炉内烟气平均温度沿炉膛高度分布

表4 不同工况下炉膛内理论烟气成分质量分数及比热容(1800K)

Tab.4 Theoretical mass fractions of major flue gas components and specific heat of flue gas in different combustion modes (1800K)

图5 不同燃烧方式下及比值

3.3 传热分布

图6给出了空气燃烧和富氧燃烧湿烟气循环工况在不同烟气循环倍率下的炉膛壁面热通量分布(左墙)．可以看出，富氧燃烧壁面热通量分布随循环倍率的增加而迅速降低．这是由于辐射是锅炉炉膛的主要传热机理，而辐射传热与温度的四次方成正比，在高温条件下对温度的变化十分敏感，炉膛火焰温度随循环倍率增加而降低(如图3)，使炉膛的壁面热通量迅速降低．

图6 富氧燃烧湿烟气循环不同烟气循环倍率下锅炉壁面热通量分布(左壁面)

图7给出了不同烟气循环倍率下锅炉壁面热通量沿炉膛高度的分布．可以看出，65%循环倍率下，富氧燃烧炉膛的壁面吸热量高于空气燃烧，但在70%循环倍率下富氧燃烧的壁面吸热量已低于空气燃烧，表明烟气再循环是调控富氧燃烧炉膛壁面吸热量的有效方式，在约68%循环倍率可获得与空气燃烧匹配的吸热量．然而对比图4和图7发现，在70%循环倍率下，尽管富氧燃烧的炉膛烟温高于空气燃烧，且炉膛的辐射换热对温度十分敏感，但其壁面热通量却低于空气燃烧．这是由于炉膛传热不仅由炉内的烟温分布决定，同时还受炉内烟气成分和辐射特性的影响．

图7 不同燃烧方式和烟气循环倍率下锅炉壁面热通量沿炉膛高度分布

与空气燃烧烟气的主体成分N2不同，富氧燃烧烟气的主体成分CO2与H2O为三原子气体，具有较强的发射和吸收辐射的能力，使富氧燃烧烟气具有与空气燃烧显著不同的辐射特性．图8给出了70%循环倍率不同燃烧方式下烟气吸收系数在炉膛不同高度横截面的分布．可以看出，富氧燃烧与空气燃烧烟气成分以及CO2、H2O与N2辐射特性的差异，使富氧燃烧工况的烟气吸收系数明显大于空气燃烧，特别是在近壁面区域．这使富氧燃烧炉膛中心高温火焰发出的辐射热在近壁区更多地被烟气所吸收，不利于高温火焰与水冷壁之间的辐射换热，这是70%循环倍率下尽管富氧燃烧的炉膛烟温高于空气燃烧，但其壁面总体吸热量仍低于空气燃烧的主要原因．

图8 不同燃烧方式下烟气吸收系数在不同炉膛高度横截面(y为24m和28m)的分布

4 结论及展望

本文以320MW四角切圆锅炉为研究对象，重点分析研究了炉内烟气成分及物性在不同燃烧方式和循环倍率下的变化对富氧燃烧锅炉炉内流动、温度及传热特性的影响，并与空气燃烧工况进行了对比．研究结果表明，由于富氧燃烧烟气的主体成分为CO2和H2O，而空气燃烧烟气的主体成分为N2，烟气成分的差异使不同燃烧方式间的烟气物性有明显不同，如密度、比热和气体吸收系数等，将显著影响炉内的流动、温度及传热分布，使富氧燃烧在不同烟气循环倍率下才可分别获得与空气燃烧方式相近的炉内流场、温度和壁面吸热分布：

(1) 由于富氧燃烧烟气的密度明显高于空气燃烧，使富氧燃烧在烟气质量流量远大于空气燃烧的条件下(约80%烟气循环倍率)才可获得与空气燃烧相近的烟气体积流量和流场分布．然而，在此循环倍率下，富氧燃烧的炉内温度及壁面吸热量均显著低于空气燃烧；

(3) 由于富氧燃烧烟气的辐射吸收系数明显高于空气燃烧，特别是在近壁区附近，不利于炉内高温火焰与水冷壁之间的辐射换热，使富氧燃烧需在更低循环倍率(约68%)即更高炉膛烟温条件下才可获得与空气燃烧相近的壁面吸热量．

目前，关于富氧燃烧烟气再循环的研究只关注了再循环烟气量对炉内烟温分布的影响，通过匹配富氧燃烧与空气燃烧间的炉内烟温来实现二者之间炉膛壁面吸热量的匹配．然而，本文研究结果表明，再循环烟气量并非炉膛烟温的唯一控制因素，炉内烟温同时还取决于炉内烟气的比热变化；而炉内烟温亦不能作为炉膛吸热量的唯一判断因素，因为壁面吸热量同时还受气体辐射吸收系数的强烈影响．因此，在设计新型富氧燃烧系统或对现有空气燃烧系统进行富氧燃烧改造时，需综合考虑烟气流量与烟气成分及物性变化的影响．

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Influence of Flue Gas Composition on the Heat Transfer Characteristics of Oxy-Fired Boiler

Xie Yan1, 2，Wang Heyang1, 2，Zhao Jun1, 2，Liu Xin3，Zhang Chaoqun3

(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy (Tianjin University)，Ministry of Education，Tianjin 300350，China；3. Yantai Longyuan Power Technology Co.，Ltd，Yantai 264006，China)

oxy-fuel combustion；flue gas composition；flue gas recirculation；radiation heat transfer

TK16

A

1006-8740(2022)03-0283-09

2021-01-19

谢 妍（1994—  ），女，博士研究生，1019201071@tju.edu.cn.

王赫阳，男，博士，教授，heyang.wang@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R202101014

(责任编辑：隋韶颖)