CO2效應(yīng)對煤焦顆粒增氧燃燒影響的數(shù)值研究

金旭東， 周月桂， 金圻燁， 鄭婷婷

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，熱能工程研究所，上海 200240)

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CO2效應(yīng)對煤焦顆粒增氧燃燒影響的數(shù)值研究

金旭東， 周月桂， 金圻燁， 鄭婷婷

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，熱能工程研究所，上海 200240)

采用考慮炭粒表面氧化還原反應(yīng)以及氣相CO-O2反應(yīng)的連續(xù)膜模型，在增氧燃燒中添加一定量的CO2并采用Ar來調(diào)節(jié)煤焦顆粒表面溫度，分析O2濃度效應(yīng)、CO2化學(xué)效應(yīng)及熱效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響.結(jié)果表明：當(dāng)增氧燃燒系統(tǒng)中O2體積分?jǐn)?shù)從21%提高到26.5%時，煤焦顆粒表面溫度升高154 K，燃燒速率增大，且著火時間和燃盡時間均提前；在煤焦顆粒增氧燃燒過程中，O2濃度效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響占主導(dǎo)作用，其次是CO2化學(xué)效應(yīng)，而熱效應(yīng)的影響最低，三者影響的相對貢獻(xiàn)率分別為56.4%、25.7%和17.9%.

增氧燃燒； 煤焦燃燒； 連續(xù)膜模型； CO2效應(yīng)

符號說明：

Bo——無量綱斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)

c——比熱容，J/(kg·K)

D——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

Da——Damk?hler數(shù)

k——指前因子，m/s

m——燃燒速率，kg/s

Q——反應(yīng)熱比值

r——徑向坐標(biāo)，m

R——無量綱顆粒半徑

T——溫度，K

w——氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

ρ——密度，kg/m3

υ——氣相反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比

ε——黑度

τ——無量綱時間

θ——無量綱活化能

ω——反應(yīng)速率，kg/ (m2·s)或kg/(m3·s)

E——活化能，kJ/mol

下標(biāo)

g——氣體

F——CO

N——N2

O——O2

P——CO2

S——顆粒表面

∞——主氣流

0——初始

增氧燃燒(Oxygen Enhanced Combustion)是在傳統(tǒng)空氣燃料燃燒中加入一部分純氧將燃燒的氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%提高到26%以上，使得燃燒煙氣體積減小，燃燒溫度和煙氣中CO2、水蒸氣濃度提高，煙氣輻射能力增強(qiáng).增氧燃燒作為一種高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，在國內(nèi)外玻璃、水泥、冶金和能源等行業(yè)的工業(yè)鍋爐和爐窯中得到廣泛應(yīng)用[1].大量的工程實踐表明將傳統(tǒng)的空氣燃燒系統(tǒng)改造為增氧燃燒系統(tǒng)后，不僅提高了熱效率和產(chǎn)量，減少了煙氣量，還能夠提高燃燒溫度，增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，強(qiáng)化傳熱，有效地降低NOx的排放[2-6].張家元等[7]在150 t/h電站煤粉鍋爐上采用局部富氧助氧燃燒技術(shù)后，飛灰可燃物含量降低，鍋爐效率提高，NOx的排放也降低.Du等[8]在氣體擴(kuò)散火焰研究中發(fā)現(xiàn)添加一定量的CO2稀釋燃料能夠有效抑制炭黑的生成.Guo等[9-10]研究了再循環(huán)煙氣中添加CO2后產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng)對氣體擴(kuò)散火焰和柴油機(jī)燃燒過程中碳煙生成的影響.Zhou等[11]采用連續(xù)膜模型研究了O2/CO2氣氛下不同效應(yīng)對煤焦燃燒速率的影響，結(jié)果表明O2濃度效應(yīng)占主導(dǎo)作用，其次是CO2化學(xué)效應(yīng)，而熱效應(yīng)最低，三者影響的相對重要性分別為82.1%、11.2%和6.7%.目前，關(guān)于增氧燃燒過程中煤粉或焦炭燃燒特性的研究較少.在增氧燃燒過程中，O2和CO2體積分?jǐn)?shù)明顯提高，煙氣中CO2氣體會對煤粉燃燒產(chǎn)生不同的影響：CO2比熱容較大使得氣體溫度降低，即產(chǎn)生熱效應(yīng)影響；同時CO2與焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)，即產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)影響.因此，筆者采用半數(shù)值半解析的連續(xù)膜模型研究增氧燃燒過程中CO2化學(xué)效應(yīng)對煤焦顆粒燃燒特性的影響，并定量分析O2濃度效應(yīng)、CO2化學(xué)效應(yīng)及熱效應(yīng)三者對煤焦顆粒燃燒的重要性，為增氧煤粉燃燒器的開發(fā)和設(shè)計提供指導(dǎo).

1 炭粒燃燒連續(xù)膜模型

1.1 連續(xù)膜模型

假設(shè)球形煤焦顆粒在無限大、靜態(tài)的環(huán)境中燃燒，忽略顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，則根據(jù)炭粒表面溫度不同，炭粒與O2、CO2發(fā)生如下反應(yīng)[12]：

(1)

(2)

而均相的總包反應(yīng)則為

(3)

在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，氣相的質(zhì)量、能量、組分守恒方程為

(4)

(5)

對式(5)及邊界條件[11-12]進(jìn)行求解，可得到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下炭粒燃燒半數(shù)值半解析的連續(xù)膜模型.

瞬態(tài)計算時顆粒表面溫度隨時間變化的方程為

(6)

顆粒半徑的變化為

(7)

這樣就得到瞬態(tài)炭粒燃燒連續(xù)膜模型，上述連續(xù)膜模型中使用的無量綱參數(shù)詳見文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12].

1.2 O2/CO2氣氛下連續(xù)膜模型的驗證

圖1給出了Pittsburgh煙煤顆粒在環(huán)境溫度為1 700 K時，不同O2體積分?jǐn)?shù)(12%～36%)、O2/CO2氣氛下顆粒表面溫度計算值與實驗值[13]的比較.計算中煤焦顆粒氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)的指前因子和活化能分別為kO,S=4×106m/s，ES1=167.4 kJ/mol，kP,S=4×107m/s,ES2=251 kJ/mol.

圖1 O2/CO2氣氛下煙煤顆粒表面溫度計算值與實驗值的比較

Fig.1 Comparison of char particle temperature between simulated results and experimental data for bituminous coal

由圖1可知，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為12%時，由于低O2體積分?jǐn)?shù)下C-O2反應(yīng)速率和CO-O2反應(yīng)速率均較小，顆粒表面溫度較低，為1 850 K.而當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)提高到36%時，由于O2體積分?jǐn)?shù)提高，C-O2反應(yīng)速率和CO-O2反應(yīng)速率均顯著增大，顆粒表面溫度提高到2 250 K，與此同時煙煤顆粒的著火時間和燃盡時間均提前.由圖1還可知，顆粒表面溫度的計算值與實驗值吻合較好，兩者最大相對誤差為2.3%.

2 結(jié)果分析與討論

相對于O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛擁有較大的比熱容、較小的O2擴(kuò)散系數(shù)以及煤焦-CO2的氣化反應(yīng)，因此CO2的存在對煤焦顆粒燃燒產(chǎn)生了不同的影響.為了區(qū)分O2濃度效應(yīng)、CO2化學(xué)效應(yīng)及熱效應(yīng)對增氧燃燒過程中煤焦顆粒燃燒的影響，提出引入一定比例的Ar來調(diào)節(jié)煤焦顆粒表面溫度并保持相同的O2體積分?jǐn)?shù)來分離不同效應(yīng)的方法，這是因為c(Ar)

2.1 O2體積分?jǐn)?shù)對煤焦顆粒燃燒的影響

圖2給出了環(huán)境溫度為1 200 K時不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面溫度隨時間的變化.由圖2可知，21%O2/79%N2(其中2個百分?jǐn)?shù)分別為對應(yīng)組分的體積分?jǐn)?shù)，下同)氣氛下煤焦顆粒表面溫度在2 244 K左右，而在26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦顆粒表面溫度在2 398 K左右，比21%O2/79%N2氣氛下高154 K.與21%O2/79%N2氣氛下相比，26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦的著火時間和燃盡時間均提前.隨著O2體積分?jǐn)?shù)的提高，C-O2反應(yīng)速率增大，煤焦著火提前.當(dāng)煤焦著火以后，顆粒表面溫度急速上升，燃燒速率更快，因此煤焦的燃盡時間縮短.

圖2 不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面溫度隨時間的變化

圖3給出了環(huán)境溫度為1 200 K時不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率隨時間的變化.隨著煤焦顆粒表面溫度逐漸升高，反應(yīng)剛開始時在煤焦顆粒表面進(jìn)行緩慢的氧化反應(yīng)，隨后燃燒速率逐漸增大，當(dāng)顆粒表面溫度達(dá)到某一溫度后，顆粒表面溫度急劇升高，燃燒速率迅速增大.當(dāng)煤焦轉(zhuǎn)化率為0.5時，21%O2/79%N2氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率為4.5×10-9kg/s，而在26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率為5.9×10-9kg/s，為前者的1.3倍.O2體積分?jǐn)?shù)的提高不僅使顆粒燃燒溫度提高，而且加快了C-O2反應(yīng)和CO-O2反應(yīng)，加速了顆粒的燃燒，從而使其著火時間和燃盡時間均提前.

圖3 不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率隨時間的變化

2.2 不同效應(yīng)對煤焦顆粒燃燒的影響

在21%O2/79%N2氣氛中添加一定量的CO2，并用Ar代替剩余的N2，使得 21%O2/79%N2氣氛與21%O2/11%CO2/68%Ar氣氛有相同的燃燒溫度和O2體積分?jǐn)?shù)，兩者的燃燒速率差別僅反映了CO2與煤焦氣化反應(yīng)對煤焦顆粒燃燒的影響.在21%O2/79%N2氣氛中添加11%CO2并提高O2體積分?jǐn)?shù)，使得21%O2/79%N2氣氛與26.5%O2/11%CO2/62.5%N2氣氛有相同的燃燒溫度，兩者的燃燒速率差別反映了CO2化學(xué)效應(yīng)和O2濃度效應(yīng)對煤焦顆粒燃燒的影響.在21%O2/79%N2氣氛中添加11%CO2以提高O2體積分?jǐn)?shù)，并用Ar代替剩余的N2，使得21%O2/79%N2氣氛與26.5%O2/11%CO2/62.5%Ar氣氛的燃燒溫度相差130 K，兩者的燃燒速率差別反映了CO2化學(xué)效應(yīng)、O2濃度效應(yīng)及熱效應(yīng)對煤焦顆粒燃燒的綜合影響.圖4給出了環(huán)境溫度為1 200 K，煤焦轉(zhuǎn)化率為0.5時不同效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻(xiàn)率.由圖4可知，在O2體積分?jǐn)?shù)從21%提高到26.5%的增氧燃燒條件下，O2濃度效應(yīng)、CO2化學(xué)效應(yīng)及熱效應(yīng)的相對貢獻(xiàn)率分別為56.4%、25.7%和17.9%.在燃燒過程中，O2濃度效應(yīng)占據(jù)著主導(dǎo)作用，這是因為O2體積分?jǐn)?shù)的提高加速了C-O2反應(yīng)，使得煤焦顆粒表面燃燒速率增大；而CO2化學(xué)效應(yīng)則通過加速C-CO2反應(yīng)來增大煤焦顆粒表面燃燒速率；熱效應(yīng)則由于燃燒溫度升高了130 K而加快了C-O2反應(yīng)速率和C-CO2反應(yīng)速率.

圖4 不同效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻(xiàn)率

3 結(jié) 論

(1)在煤粉增氧燃燒過程中，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)從21%提高到26.5%時，煤焦顆粒表面溫度升高154 K，同時燃燒速率增大為原來的1.3倍，且著火時間和燃盡時間均提前.

(2)在增氧燃燒中添加一定量的CO2并采用Ar來調(diào)節(jié)燃燒溫度，從而定量分析不同效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻(xiàn)率，其中O2濃度效應(yīng)對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響占主導(dǎo)作用，其次是CO2化學(xué)效應(yīng)，而熱效應(yīng)的影響最低，三者影響的相對貢獻(xiàn)率分別為56.4%、25.7%和17.9%.

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Influence of CO2Effect on Coal Char Combustion in Oxygen-enriched Environment

JIN Xudong, ZHOU Yuegui, JIN Qiye, ZHENG Tingting

(Institute of Thermal Energy Engineering, School of Mechanical Engineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

An analysis was conducted to the influence of O2concentration, CO2chemical effect and thermal effect on the coal char combustion rate in oxygen-enriched environment containing a certain amount of CO2with Ar gas to control the surface temperature of the coal char particles, based on a continuous-film model considering the coal char surface C-O2/C-CO2reactions and the gas phase CO-O2reaction. Results show that when the volumetric fraction of O2rises from 21% to 26.5% in the oxygen-enriched environment, the surface temperature of char particles would be increased by 154 K, resulting in increased burning rate, and shortened ignition and burnout time. O2concentration plays the most important role in influencing the coal char combustion rate, followed by CO2chemical effect, and then by thermal effect, with relative contributions of 56.4%, 25.7% and 17.9%, respectively.

oxygen-enriched combustion; coal char combustion; continuous-film model; CO2effect

2016-01-19

2016-02-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51276110, 51576128)

金旭東(1986-)，男，上海人，博士研究生，主要從事富氧煤粉燃燒方面的研究. 周月桂(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.)：021-34207660；E-mail：ygzhou@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2016)12-0941-04

TK16

A 學(xué)科分類號：470.20