氨煤混燃过程中单颗粒煤粉着火特性

吴梓秋,黄 骞,马 鹏,杨远平,司 桐,李水清

(清华大学 能源与动力工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084)

0 引 言

双碳目标下,火电将承担稳定电网的基础能源功能,同时自身也面临降碳的重大需求。据IEA数据,2022年我国约80%的碳排放源于煤炭消费,使用可再生能源生产的零碳燃料与煤混燃是从源头减煤降碳的可行技术路线之一[1-2]。氨是一种理想的零碳燃料:其低位发热量与低阶煤相当,易液化储运,市场成熟,基础设施完善,政策法律相对完备[1-4]。近年来,氨在各类燃烧设备中替代化石能源的应用场景备受关注[5-8]。

针对氨煤混燃,已有研究开展了1.2 MW[9]和760 kW[7]卧式炉试验,并进行了零维反应器[10]、三维煤粉炉[11]数值模拟研究。结果表明,CO2减排量与掺氨量呈较好线性关系;掺氨量低于20%,NOx排放量与煤粉燃烧相当;通过调节氨给料位置和空气分级燃烧方式,可实现更低NOx排放。掺氨量超过20%时,NOx生成量随掺氨量呈先增加后下降趋势,表明存在燃料型NOx生成与氨还原NOx的竞争机制。日本Chugoku电力公司在Mizushima电厂开展了156 MW锅炉掺烧0.8%氨(热量比)试验,发现掺烧后二次再热器入口烟温、锅炉出口NOx及锅炉出力无明显变化,初步验证了燃煤锅炉少量掺氨的可行性[12]。

然而,混燃过程中氨与煤颗粒,尤其是与挥发分的相互影响机理尚不清晰,使开发宽掺烧比、灵活运行的氨煤混燃技术缺乏原理支撑。部分研究关注氨煤混燃的球形火焰传播速度,发现对于高挥发分煤,氨煤混燃火焰传播速度高于纯煤粉或纯氨火焰传播速度,表明二者之间可能存在相互促进作用[13-14]。近期研究采用CH*化学自发光谱表征氨煤混燃的煤粉颗粒群着火延迟时间,并用OH-PLIF光谱研究挥发分燃烧特性,揭示了氨煤混燃早期反应的协同强化效应[15]。煤粉燃烧研究中,单颗粒煤粉燃烧试验可揭示微观层面上煤粉运动、着火特性及火焰形态,有助于开发单颗粒燃烧模型[16]。然而,氨煤混燃中尚无煤粉单颗粒行为研究。此外,在燃煤锅炉内,煤粉颗粒经历了从还原气氛向氧化气氛的转变[17];而氨煤混燃时,由于通氨位置、方式不同,煤粉颗粒可能经历更复杂的气氛转变,要求单颗粒燃烧研究中能有效模拟多变气氛场。

笔者采用两级平焰燃烧器,设计了一系列典型工况模拟燃烧气氛及掺氨量对单颗粒煤粉着火行为的影响。该两级平焰燃烧器可实现煤燃烧过程的“还原-氧化”气氛转变[18],能提供灵活多变的气氛条件以研究氨煤混燃的着火特性。利用高速摄影辨析了单颗粒煤粉着火模式,统计煤粉着火延迟时间,研究了煤粉着火、挥发分燃烧和煤焦颗粒破碎特性,进而初步建立了掺氨气氛下的单颗粒着火模型,为发展实用的燃煤锅炉掺氨技术提供技术支撑。

1 试 验

1.1 试验装置与工况设计

两级平焰燃烧器和光学测量系统示意如图1(a)所示。该平焰燃烧器通过在毫米级六角形(蜂窝状)网状物中插入毫米级不锈钢管制成蜂窝孔和插管2类气路,分别通入燃料和氧化剂(或采用相反的气体匹配方式);中心管(内径2 mm)利用载气通入煤粉。该燃烧器能以105K/s加热速率加热煤粉颗粒,使其具有近似炉膛中煤粉颗粒升温过程。同时,可通过调配燃料、氧化剂流量,分别调控高温焰后气氛和温度,逼近炉内真实场景。两级平焰燃烧器采用内外双蜂窝设计,可独立调节气氛,形成内部贫氧、外部富氧的焰后高温气氛,以模拟实际炉膛环境。燃烧器详细结构和尺寸参数可参考文献[19-20]。试验采用高速相机(Phantom v1840,帧率设置为9 100 fps,曝光时间为50 μs)观测煤粉着火燃烧行为,通过参考物校准后计算得到分辨率为95.9 μm/pixel。背光光源为亮度可调的白色条形LED灯,颜色、亮度基本均一。通过调节LED灯电流以调整亮度,使高速相机既能通过拍摄颗粒背光下的阴影捕捉到煤粉颗粒的沿程运动轨迹,又能观察较明亮的挥发分燃烧过程和焦炭燃烧过程。煤粉停留时间可由帧时间间隔直接读取。

试验工况见表1。试验中,燃料采用CO及少量助燃CH4(体积分数<5%),氧化剂采用O2/N2混合气。载粉气采用N2/NH3混合气,以模拟氨通入富燃区降低NOx的技术路线。

表1 试验工况Table 1 Experiment conditions

内外蜂窝氧浓度通过调节内外蜂窝CO、O2、N2进气量进行调控。即通过预设焰后温度T、氧浓度f(O2)和烟气流速vgas(表1设定值),在内、外蜂窝区针对CO燃烧反应:

(1)

分别联立如下3个方程求解CO、O2、N2的体积流量a、b、c[21]:

(2)

(3)

(4)

式中,h(X,T)为组分X在温度T下的绝对焓;A为燃烧器内蜂窝或外蜂窝的截面积。

用1、2、3、4分别表示载粉气中氨体积分数分别为0、30%、60%、100%的试验组。保持外蜂窝焰后氧体积分数为20%,调节内蜂窝焰后氧体积分数为0、10%、20%,分别用A、B、C表示。因此共有12个试验组,记作A1～C4。不同掺氨比下的纯气相火焰形貌如图1(b)所示。试验设定的理论焰后温度为1 500 K。利用热电偶和烟气分析仪测量工况参数,如图1(c)所示。可见该燃烧器在100 mm内具有良好的恒温性,并存在预期的内外蜂窝氧气分区特性。

1.2 试验样品

试验采用准东煤,其工业分析和元素分析见表2。试验前,首先使用振筛机筛选粒径110～120 μm煤粉,在烘箱中恒温85 ℃干燥至少1.5 h,以减少煤粉颗粒之间的黏结,并利用马尔文粒径分析仪验证样品粒径。利用准东煤热解半焦作为对比,煤粉通过步进电机和高频振荡给粉器给出,高频振荡给粉器可使煤粉颗粒分散给入,由载粉气(N2/NH3混合气)送入中心给粉管。给粉流量设定为0.01 g/min,以降低煤粉颗粒间相互影响,实现单颗粒煤粉燃烧观测。

表2 准东煤煤粉性质Table 2 Properties of Zhundong coal

1.3 单颗粒煤粉燃烧模型

单颗粒燃烧试验为深入理解燃烧机理,开发相应模型提供基础。前期研究中,开发了一个基于CPD的单颗粒煤粉一维暂态着火模型[21],可在常规、富氧等工况下辨识多煤种的着火模式,如图2所示。模型包含一维球对称系统中的气相和颗粒相非稳态守恒演化方程,包括气相质量、组分、能量和颗粒相质量、密度及能量方程(煤颗粒单膜模型),通过空间离散(一维网格长度2 μm)和时间推进,数值求解获得颗粒相温度Tp(t)及气相温度Tg(t,r)时空演化,并据此分别判断异相着火延迟时间(颗粒温度出现拐点)和均相着火延迟时间(气相温度出现局部极大)[21]。

图2 单颗粒煤粉一维暂态着火模型Fig.2 1-D transient ignition model of a single coal particle

质量守恒方程:

(5)

组分守恒方程:

(6)

式中,Yi、Di、ωi分别为组分i的质量分数、二元扩散系数(m2/s)和化学反应速率(kg/(m3·s));SpYi为颗粒相与气相组分交换的源项。

能量守恒方程:

(7)

式中,h为气相混合物焓值,J/kg;ωh为气相化学反应能量变化速率,J/(m3·s);α为热扩散率,m2/s。

在此基础上,针对氨煤混燃情形进行初步拓展:设定气相计算域为150 μm×2 μm,无穷远处为含氨气氛,添加描述氨燃烧的简化总包反应[22](表3)。因此该模型可初步预测掺氨环境下的煤粉着火延迟时间及着火模式,并可定量分析温度、氧体积分数、反应等因素的影响。

表3 氨燃烧总包反应[22]Table 3 Overall reactions of ammonia combustion[22]

2 试验结果及讨论

2.1 煤粉单颗粒着火模式

试验观察到2种典型着火模式:非均相着火模式(图3(a))和均相着火模式(图3(b))。图3(a)中非均相着火的典型特征为煤粉颗粒从颗粒边缘逐渐开始被点燃,直至整个颗粒燃烧。而典型的均相点火模式则是两阶段着火过程:挥发分着火—焦炭着火。图3(b)中在点火第1阶段,煤粉析出的挥发分首先燃烧,形成了包裹着煤粉颗粒的挥发分火焰。煤粉挥发分逐渐燃尽时,整个火焰逐渐减小至煤粉颗粒表面,点燃了焦炭。焦炭燃烧时,火焰半径逐渐增大。整个焦炭燃烧过程持续30 ms以上。从点火延迟时间来看,非均相点火的点火延迟时间为24 ms,而均相点火的点火延迟时间为17 ms,表明均相点火更易发生。

图3 2种煤粉着火模式Fig.3 Two typical coal particle ignition modes

由于煤粉颗粒间的异质性,须对各工况下的煤颗粒着火事件特性进行统计,才能消除单颗粒的偶然性,获得具有统计意义的认识。内圈焰后氧气体积分数20%工况下不同着火模式主导的颗粒比例如图4所示。可知在氧化性气氛下,随载气中氨比例上升,均相着火主导的颗粒占比均增大。这是由于煤粉由N2/NH3混合气送入焰后高温环境。氨先于煤粉发生反应,消耗氧气并提高了煤粉颗粒周边的局部温度。各气氛下通氨均提高了气相温度,特别是焰后氧体积分数20%的组别(C)最高可提高500 K(图1(c))。因此,氨反应可提高煤粉颗粒表面温度,促进挥发分析出。同时,氨与挥发分消耗氧,阻隔了氧与焦炭的直接接触,进而使煤粉颗粒更易发生均相点火。表明掺氨对均相着火的促进效应比对非均相表面反应的影响更显著,煤粉着火模式向均相转变。

图4 焰后氧体积分数20%组别中煤粉主导着火模式统计Fig.4 Statistics of dominant ignition modes of pulverized coal in cases of 20% post-flame O2 concentration

2.2 煤粉着火延迟时间

不同工况的典型煤粉单颗粒着火行为如图5所示(彩色部分为纯气相燃烧下单反相机拍摄图像,其中淡黄色为氨气火焰;黑白部分为高速相机摄影对单个颗粒的追踪图像)。需要指出的是,背光拍摄时,大部分时间高速影像中不可见氨火焰。中心管的氨进入高温环境后,形成稳定的射流火焰(图1(b)),各工况下的火焰面轮廓被画入图5。氨火焰长度随载气掺氨比增加而增大,随内区焰后氧浓度升高而降低,火焰颜色也由橙色变为亮黄色(图1(b))。由图1(c)可知,氨火焰降低了其所在区域的氧体积分数,提高了当地气相温度(最高可造成500 K温度差别),并将沿程气相温度峰值提前,提高了煤粉加热速率。同时,观察到气相火焰内部煤粉颗粒始终是未燃黑影形态(仅在C4氨火焰端部存在挥发分火焰),可认为煤粉着火普遍在氨火焰面之后。

对各工况下可分辨的煤粉颗粒着火延迟时间进行统计,结果如图6所示(平均值及方差)。对图6中氧气体积分数20%的4组数据进行单侧的Cochran &Cox近似t检验。

H0为低掺氨量煤粉着火延迟时间≤高掺氨量煤粉着火时间;H1为低掺氨量煤粉着火延迟时间>高掺氨量煤粉着火时间。

在α=0.05水平下,0与30%、30%与60%、60%与100%的t值分别为3.459、2.310、5.649,均大于t′(单侧t检验接受原假设的临界值)0.05(1.666、1.676、1.681),因此P<0.05。按照α=0.05水准,拒绝H0,接受H1,结论具有统计学意义,可认为低掺氨量煤粉着火延迟时间大于高掺氨量煤粉着火时间。

首先,若载气中不含氨,内区焰后氧浓度对煤粉颗粒的平均着火延迟时间无显著影响(均约23 ms),体现了单颗粒与浓颗粒群着火特性的差异:单颗粒试验中氧扩散到颗粒表面的特征时间并非煤颗粒着火制约因素,内区焰后氧浓度对沿程温度分布影响不显著,煤颗粒仍主要以异相着火为主(图4为焰后氧气体积分数为20%的工况)。

若载气通氨,内区焰后还原气氛(氧体积分数为0)工况下煤粉平均着火延迟时间变化很小。氨火焰提高了煤粉加热速率,促进煤粉热解,但氨燃烧也会与挥发分及焦炭燃烧竞争氧气,这在焰后还原性气氛下影响最显著,与温度升高对着火的促进效果抵消,因此煤粉平均着火延迟时间基本不变。但内区氧体积分数为10%和20%时,掺氨使煤粉着火时间显著提前,且掺氨比越大,煤粉着火时间越短,说明升温对着火提前的促进作用占主导。考虑到掺氨后均相着火的煤粉颗粒占比增加(图4),表明着火提前主要由挥发分燃烧提前造成。

2.3 煤粉颗粒破碎行为

煤粉燃烧过程中,观察到2种破碎方式:① 第1类焦炭燃烧阶段的破碎,该阶段破碎表现为剧烈的烟花状爆裂,一般发生在停留时间大于20 ms的煤粉颗粒上,可能是颗粒温度梯度引起的应力导致[23]。② 第2类挥发分燃烧阶段的破碎,一般发生在停留时间小于20 ms的煤粉颗粒上,可能是由于表面反应对煤粉颗粒表面的破坏作用导致。准东煤挥发分较高,不掺氨条件下燃烧,2种破碎方式均会发生,这与文献[24]报道相符,但以第1种(图7(a))为主;但在载气掺氨燃烧工况中,脱挥发分阶段发生破碎(图7(b))的煤粉数目显著增多。主要是由于氨-煤混燃过程中,煤粉经过氨的气相火焰从而在热解阶段获得更高的加热速率,促进挥发分析出,此外氨气相反应的自由基池也促进挥发分反应,甚至促进了煤/焦表面反应,对煤/焦颗粒表面造成破坏,增大了第2类破碎发生的概率。

2.4 氨煤混燃下单颗粒着火模拟

多元扩散平焰燃烧器具有在轴向一定高度内组分、温度参数稳定的特性,因此可用一维单颗粒模型简化燃烧过程。考虑煤粉与其周围气体的速度差异不显著,假设煤粉及其表面3个粒径范围的气体与煤粉无相对位移,进而可用一维模型简化传热、传质、反应过程运算。

焰后氧体积分数分别为0、10%、20%,载气中氨体积分数分别为0、30%、60%、100%的气氛下煤粉颗粒着火延迟时间的模拟结果与试验测量值比较如图8所示。着火延迟时间由气相径向上出现极大值的时刻确定。模型计算结果表明,试验工况下,120 μm准东煤着火延迟时间约30 ms,与实际统计值相差约6 ms。在载气中加入氨气可降低煤粉着火延迟时间,且这一效应随氧气体积分数升高而增强,在焰后氧气体积分数20%,载气为纯氨的情况下,降幅达13 ms。初步模型可较好复现部分试验观测到的关键定性特征:特别是着火延迟时间随掺氨比增大而下降。但初步模型预测值均高于试验观测值。这可能是模型高估了氨在热解阶段,氧气消耗对煤颗粒表面氧化的阻碍效用,理由是氨气对氧气的消耗导致煤粉颗粒表面的氧气浓度一直处于低水平,同时未充分考虑实际中存在对流效应,体现在氨气在煤粉表面的浓度较低。

图8 单颗粒煤粉着火模型预测结果Fig.8 Model prediction of single-coal-particle ignition delay time

3 结 论

1)氨与一次风粉共同给入高温环境(1 500 K)下,氨先着火并形成稳定的非预混火焰。载气掺氨能缩短准东煤的着火延迟时间,并在一定程度上促进煤粉着火向均相着火模式倾斜(主体仍是非均相主导)。主要通过改变煤粉颗粒沿程温度过程实现:氨火焰使煤颗粒初始热解段升温速率更大,促进挥发分析出,缩短煤粉均相着火时间。试验中观察到掺氨使煤颗粒在脱挥发分阶段破碎更频繁。

2)载气通氨时,内区焰后还原气氛(氧体积分数为0)工况下煤粉平均着火延迟时间变化较小,这是由于氨消耗氧气的效应与氨火焰提高煤粉加热速率的效应相抵消;内区氧体积分数为10%～20%,掺氨使煤粉着火时间显著提前,且掺氨比越大,煤粉着火时间越短。

3)通过耦合氨燃烧单步总包反应,所建立的单颗粒一维暂态着火模型可定性复现掺氨对着火延迟时间的影响趋势。笔者提供了宽工况下高质量的着火特性试验数据,为开发高可用性的氨煤混燃反应机理提供基础验证数据,以期在后续研究中充分发挥三维模拟详细揭示流场特性的优势。