近爐內(nèi)燃燒條件下煤粉著火及燃燒特性研究

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(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 系統(tǒng)研究室，江西　景德鎮(zhèn)　333001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150001；3.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司 研發(fā)中心,北京　100160；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江　哈爾濱　150080)

能源安全和環(huán)境保護(hù)是我國(guó)面臨的重要問(wèn)題。我國(guó)一次能源以煤為主，2012年我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤占68.5%，而2012年全國(guó)電力行業(yè)耗煤總量18.69億t[1]，占我國(guó)煤炭產(chǎn)量的一半左右。煤炭燃燒引起的污染物排放是中國(guó)大氣污染的主要來(lái)源之一[2]。燃煤發(fā)電主要采用煤粉爐，占火電總裝機(jī)容量的85%以上，因此不斷深入了解和提高煤粉燃燒技術(shù)具有重要意義。煤粉燃燒高效低排要求深入研究詳細(xì)的煤粉燃燒機(jī)理和具體的反應(yīng)過(guò)程。

煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜氣固兩相燃燒反應(yīng)過(guò)程，包含著非常復(fù)雜物理、化學(xué)變化過(guò)程，主要包括：預(yù)熱干燥，揮發(fā)析出及焦炭形成，揮發(fā)分氣相燃燒反應(yīng)和后期焦炭氣固兩相反應(yīng)。OH基是碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中最重要的中間產(chǎn)物之一，對(duì)于煤粉著火而言，OH基的存在就意味著揮發(fā)分燃燒過(guò)程的進(jìn)行，通過(guò)對(duì)OH基濃度和分布的分析，可以得到火焰結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等方面的信息。著火點(diǎn)的確定是研究煤粉著火問(wèn)題關(guān)鍵和難點(diǎn)所在，其對(duì)應(yīng)著火時(shí)間是研究煤粉著火特性的重要指標(biāo)，是理論研究和工程實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)[3]。

對(duì)于煤粉著火特性的研究早期多采用固定床反應(yīng)器，由于儀器本身限制和煤粉堆積作用，煤粉升溫速率相比于實(shí)際煤粉爐爐膛中升溫速率低得多[4-5]。沉降爐或者平焰燃燒器能產(chǎn)生接近真實(shí)情況的高達(dá)105量級(jí)的加熱速率。Yiannis A.Levendis等人[6-9]利用一維沉降爐試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同煤種和生物質(zhì)單顆粒燃燒行為進(jìn)行了廣泛的研究，研究發(fā)現(xiàn)在高氧濃度條件下，著火時(shí)間隨著氧濃度的增加呈現(xiàn)線性降低規(guī)律。相對(duì)于沉降爐，平焰燃燒器用內(nèi)部的燃燒后高溫?zé)煔庾鳛闊嵩炊皇峭獠康碾娂訜嶙鳛闊嵩?，更符合?shí)際煤粉燃燒情況，調(diào)節(jié)工況溫度更加快速，可以實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)境溫度(如達(dá)到1 800 K)，特別是利于目前各研究者[3,10-14]廣泛采用的光學(xué)診斷技術(shù)對(duì)煤粉著火及燃燒行為的研究。黃曉宏[3]研究發(fā)現(xiàn)在1 670 K和1 770 K兩種環(huán)境溫度，O2/CO2和O2/N2氣氛下，著火延遲時(shí)間均隨著環(huán)境溫度的增加而降低；李水清等[14]研究發(fā)現(xiàn)著火延遲時(shí)間的對(duì)數(shù)和溫度的倒數(shù)近似成正比。這些研究一般都是通過(guò)平焰燃燒器產(chǎn)生比較均一的高氧濃度高溫?zé)煔猸h(huán)境，用少量N2攜帶將煤粉噴入燃燒室，研究環(huán)境溫度、氧濃度、煤種等基本參數(shù)對(duì)煤粉著火及燃燒的影響；而本文通過(guò)平焰燃燒器上可燃預(yù)混氣燃燒產(chǎn)生近煤粉爐內(nèi)煤粉燃燒后煙氣氣氛(氧氣摩爾濃度為5%，二氧化碳摩爾濃度為14%)，通過(guò)安排一次風(fēng)(空氣)攜帶煤粉和外側(cè)二次風(fēng)(空氣)裹挾實(shí)現(xiàn)煤粉周圍局部氣氛初期為空氣，后向煙氣氣氛漸變，最大程度接近煤粉射流在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程，研究近煤粉鍋爐內(nèi)燃燒條件下煤粉射流著火和燃燒特性。

1　試驗(yàn)裝置和方法

1.1　基于光學(xué)診斷技術(shù)的攜帶流煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主體部分為平焰煤粉燃燒器，其具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)我們之前研究[15],其基本原理是可燃預(yù)混氣從平焰區(qū)氣孔噴出燃燒，形成幾毫米厚的平面火焰，產(chǎn)生的層流煙氣模擬煤粉鍋爐的高溫?zé)煔猸h(huán)境。平焰燃燒器可調(diào)整O2、CH4、CO2和 N2的流量(總流量保持不變)調(diào)控燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)不同工況可燃預(yù)混氣配置方案如表1，保護(hù)氣流量為5 sl/min，一次風(fēng)流量為0.2 sl/min，二次風(fēng)流量為1 sl/min。燃燒室軸線方向上溫度分布特性及顆粒在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間計(jì)算方法參見(jiàn)之前的研究[15]。

圖1　基于光學(xué)診斷技術(shù)的攜帶流煤粉反應(yīng)系統(tǒng)

表1不同反應(yīng)工況下可燃預(yù)混氣配置方案

工況背景煙氣環(huán)境配置預(yù)混氣/L·min-1燃燒后煙氣成分溫度/K氧濃度/[%]O2CH4CO2N2O2/[%]CO2/[%]H2O/[%]B11 60052.961.110.999.945.014.014.7B21 70053.111.180.929.795.014.015.7B31 80053.481.370.729.435.013.918.2

1.2　試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)中采用兩種高揮發(fā)性煤，神華煙煤(SH)和蒙東褐煤(MD)，表2給出了三種煤干燥基工業(yè)分析和元素分析。選用的煤粉顆粒直徑為53～80 μm，所有工況給粉速率是3.8 g/h。

表2原煤的工業(yè)分析、元素分析

煤種元素分析(d,wt%)工業(yè)分析(d,wt%)CHNSVFCASH80.194.462.010.2231.4265.642.94MD55.575.380.960.4744.3441.8013.86

1.3　著火特性分析方法

OH基是碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中最重要的中間產(chǎn)物之一，對(duì)火焰中OH基的探測(cè)可以有效反映煤粉析出揮發(fā)分的著火燃燒過(guò)程?？扇碱A(yù)混燃燒產(chǎn)生的平焰本身會(huì)產(chǎn)生OH基，因此試驗(yàn)設(shè)備需要使得平焰產(chǎn)生的OH基不能混入到煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基區(qū)域，以免干擾研究結(jié)果。火焰自發(fā)輻射總光強(qiáng)是表征煤粉火焰燃燒總強(qiáng)度，而火焰中OH基自發(fā)輻射信號(hào)強(qiáng)度僅僅表征煤粉火焰中揮發(fā)分燃燒強(qiáng)度。煤粉火焰自發(fā)輻射信號(hào)強(qiáng)度沿燃燒室高度方向的歸一化分布曲線上，光強(qiáng)達(dá)到最大值20%的高度位置定義為著火點(diǎn)位置，可計(jì)算得到相應(yīng)的著火延遲時(shí)間，將第二次到達(dá)峰值強(qiáng)度20%點(diǎn)和著火點(diǎn)之間的距離定義為主燃燒段長(zhǎng)度，用來(lái)表征試驗(yàn)工況下火焰燃燒持續(xù)過(guò)程長(zhǎng)短。煤粉火焰自發(fā)輻射測(cè)量方法及數(shù)據(jù)處理分析方法詳見(jiàn)我們之前的研究[15]。

2　燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境的數(shù)值模擬

燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境是由平焰燃燒器上可燃預(yù)混氣燃燒產(chǎn)生的煙氣和保護(hù)氣及一二次風(fēng)(空氣)流動(dòng)混合形成的。通過(guò)數(shù)值模擬手段說(shuō)明試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)配氣方案的合理性，試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)最大程度上接近煤粉射流在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程。先根據(jù)模擬對(duì)象，確定合理的計(jì)算域，利用GAMBIT軟件建立幾何模型，劃分網(wǎng)格，在FLUENT軟件中導(dǎo)入CHEMKIN格式化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件，設(shè)置輻射換熱模型、流動(dòng)模型、燃燒模型、邊界條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬對(duì)象的數(shù)值模擬。

2.1　幾何模型及網(wǎng)格

模擬對(duì)象幾何模型網(wǎng)格如圖2所示。因?yàn)槿紵沂禽S對(duì)稱的，可以簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題。預(yù)混氣平焰區(qū)有兩千余個(gè)直徑0.5 mm的小孔，在模型中將這些小孔都體現(xiàn)出來(lái)十分困難，模型中對(duì)于預(yù)混氣區(qū)做了簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為預(yù)混氣是從預(yù)混氣區(qū)整個(gè)環(huán)形出口均勻流出的，設(shè)置速度入口，預(yù)混氣速度根據(jù)總量相等做了折算處理。幾何模型中采用實(shí)際尺寸建模。利用GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格，采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2　幾何模型網(wǎng)格

2.2　計(jì)算中用到的模型

燃燒反應(yīng)中涉及到物質(zhì)輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)，本次模擬采用EDC模型，EDC模型能考慮化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選用包含16種組分的41步反應(yīng)機(jī)理，能模擬出表征揮發(fā)分燃燒的中間組分OH基的分布。因?yàn)镈O模型[16]可以模擬半透明介質(zhì)換熱，又能模擬燃燒反應(yīng)，同時(shí)通過(guò)邊壁設(shè)置能把對(duì)流換熱考慮進(jìn)來(lái)，可增加模擬的精確度，因此采用DO模型進(jìn)行計(jì)算。FLUENT自帶的WSGGM模型，可以考慮CO2和H2O大量存在的情況下氣體吸收系數(shù)，采用此模型可以很好地解決反應(yīng)氣體的吸收系數(shù)問(wèn)題，使數(shù)值模擬更接近實(shí)際燃燒過(guò)程。

2.3　數(shù)值模擬結(jié)果

之前我們的研究是在均一煙氣條件下煤粉射流著火和燃燒行為，研究所需的是高環(huán)境氧濃度(10%～30%)、溫度為1 600～1 800 K下的背景煙氣環(huán)境，煤粉由少量氮?dú)?0.2 sl/min)攜帶進(jìn)入燃燒室，研究環(huán)境溫度、氧濃度等基本參數(shù)對(duì)煤粉著火及燃燒的影響；而本文研究的內(nèi)容是近煤粉鍋爐內(nèi)燃燒條件下煤粉著火和燃燒特性，研究所需要的是近煤粉爐內(nèi)煤粉燃燒后煙氣氣氛(氧氣濃度為5%)、溫度為1 600～1 800 K下的背景煙氣環(huán)境，通過(guò)一次風(fēng)(空氣氣量0.2 sl/min)攜帶煤粉且外圍二次風(fēng)(空氣氣量1.4 sl/min)裹攜進(jìn)入燃燒室實(shí)現(xiàn)煤粉燃燒的局部氣氛初期為空氣，后向煙氣氣氛漸變。為了顯示這兩種燃燒環(huán)境(特別是煤粉燃燒初期局部氣氛)的差異，下面給出給粉管(一次風(fēng)管)伸入燃燒室2 cm、環(huán)境氧濃度10%，攜帶風(fēng)為氮?dú)夂鸵欢物L(fēng)都為空氣兩種情況下燃燒室內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果。下文分析中，攜帶氣為氮?dú)夤r標(biāo)記為N2工況，一二次風(fēng)都為空氣工況標(biāo)記為Air工況。

圖3　兩種工況下燃燒室軸向速度云圖及流線圖

由圖3可知，雖然Air工況比N2工況多噴入1.4 sl/min的二次風(fēng)，但相對(duì)于可燃預(yù)混氣氣量20 L/min和保護(hù)氣氣量5 L/min仍然較小，燃燒室內(nèi)整體速度場(chǎng)并無(wú)明顯區(qū)別。由流線分布可知，在燃燒室中心區(qū)域呈層流狀態(tài)，確保其中的煤粉顆粒不因湍流情況影響其化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，同時(shí)盡可能減少顆粒的徑向混合，盡量保證顆粒平行于軸線進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，使試驗(yàn)中煤粉顆粒所經(jīng)過(guò)的歷程和反應(yīng)程度都近乎一致，這樣才能保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性[3]。中心高溫區(qū)氣體難流向壁面，與壁面對(duì)流換熱少，利于在燃燒室內(nèi)氣溫在軸線方向上保持恒溫性。

由圖4可知，在N2工況下，煤粉流過(guò)3 cm的距離其周圍的氧濃度就能很接近研究所需要的背景氧濃度，但是煤粉初期揮發(fā)分釋放和燃燒是處于較低環(huán)境氧濃度下的；在Air工況下，煤粉由一次風(fēng)空氣攜帶外側(cè)二次風(fēng)空氣裹攜，流過(guò)區(qū)域的氧濃度是由空氣的21%向背景氧濃度(煤粉鍋爐中煤粉燃燒后煙氣中的氧濃度)漸變的，其是在比較高的環(huán)境氧濃度下發(fā)生揮發(fā)分釋放和揮發(fā)分氣相燃燒的，后期焦炭在較低的環(huán)境氧濃度下燃燒，這接近煤粉在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒的過(guò)程中周圍氧氣濃度的變化過(guò)程。

圖4　兩種工況下燃燒室O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

由圖5可知，因?yàn)镹2工況下由于攜帶氣N2會(huì)降低煤粉出口處的氧濃度且本身溫度低，會(huì)抑制平焰產(chǎn)生的OH基向燃燒室中心擴(kuò)散，因此在煤粉出口處OH基濃度很低，平焰產(chǎn)生的OH基對(duì)煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基的測(cè)量干擾比較?。欢鳤ir工況下，由于冷的二次風(fēng)量比較大，燃燒室軸線區(qū)域低OH基濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.002)范圍更大，對(duì)煤粉射流火焰中OH基測(cè)量更有利。

圖5　兩種工況下燃燒室OH基質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

下面圖例中，1 600、1 700、1 800表示燃燒室內(nèi)環(huán)境溫度為1 600 K、1 700 K、1 800 K，0.1、0.2和0.3分別表示燃燒室內(nèi)環(huán)境氧濃度為10%、20%、30%，sh2和md2分別表示近爐內(nèi)燃燒條件下的神華煙煤和蒙東褐煤，z表示中等粒徑(53～80 μm)。

3.1　環(huán)境溫度對(duì)高揮發(fā)分煙煤著火及燃燒的影響

由圖6可知，近爐內(nèi)燃燒條件下神華煙煤在初始30～40 mm內(nèi)處于加熱階段，其總光強(qiáng)分及OH基自發(fā)輻射強(qiáng)度幾乎都為零，之后急劇上升到峰值再緩慢下降。由圖7可知，神華煙煤總著火延遲時(shí)間和揮發(fā)分著火延遲時(shí)間都隨著環(huán)境溫度的提高而略變短。根據(jù)熱爆炸理論[17]，煤粉顆粒著火時(shí)間和燃料氧化劑混合物的反應(yīng)性成反比，升高溫度可以增加燃料的反應(yīng)性，從而降低煤粉火焰著火延時(shí)。由圖8可知，在環(huán)境溫度1 600～1 800 K范圍內(nèi)，煤粉射流火焰主燃燒段長(zhǎng)度比火焰中揮發(fā)分主燃燒段長(zhǎng)度要長(zhǎng)25 mm左右，這是因?yàn)镺H基主要存在揮發(fā)分氣相燃燒反應(yīng)區(qū)域，而煤粉燃燒后期揮發(fā)分燃盡焦炭氣固兩相燃燒反應(yīng)也會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光，這部分長(zhǎng)度在通過(guò)總光強(qiáng)分布曲線獲得的主燃燒段長(zhǎng)度有體現(xiàn)；而它們都隨著環(huán)境溫度的提高而變長(zhǎng)，這是因?yàn)殡m然環(huán)境溫度提高促進(jìn)煤粉燃燒，但是溫度提高使得燃燒室內(nèi)氣體流速提高導(dǎo)致煤粉主燃燒段變長(zhǎng)，且后者起得作用更大。

圖6　近爐內(nèi)燃燒條件下神華煙煤在不同溫度下歸一化分布曲線

圖7　在不同溫度下神華煙煤著火延時(shí)

圖8　在不同溫度下神華煙煤主燃燒段長(zhǎng)度

圖9　在不同溫度下蒙東褐煤著火延時(shí)

圖10　在不同溫度下蒙東褐煤主燃燒段長(zhǎng)度

3.2　環(huán)境溫度對(duì)褐煤著火及燃燒的影響

由圖9可知，近爐內(nèi)燃燒條件下蒙東褐煤總著火延遲時(shí)間與揮發(fā)分著火延遲時(shí)間都隨著環(huán)境溫度的提高而變短。由圖10可知，蒙東褐煤主燃燒段長(zhǎng)度比火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長(zhǎng)度要長(zhǎng)25 mm左右，這個(gè)數(shù)值要比我們之前研究的褐煤在高氧濃度下主燃燒段長(zhǎng)度與火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長(zhǎng)度[15]之間差值大很多，這是因?yàn)樵诮鼱t內(nèi)燃燒條件下褐煤后期焦炭燃燒處于低氧濃度環(huán)境下，需要燃盡時(shí)間更長(zhǎng)。與煙煤不同的是，褐煤主燃燒段長(zhǎng)度要短一些，而且其幾乎不隨環(huán)境溫度提高而變化，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度提高對(duì)褐煤燃燒反應(yīng)性提升更大，褐煤燃燒反應(yīng)性對(duì)環(huán)境溫度提高更加敏感。

4　結(jié)論

本文在光學(xué)診斷型攜帶流煤粉反應(yīng)器系統(tǒng)上開(kāi)展煤粉著火及燃燒特性初步研究，通過(guò)數(shù)值模擬手段說(shuō)明了試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)配氣方案的合理性，考察了環(huán)境溫度、環(huán)境氧濃度、煤種對(duì)煤粉著火延時(shí)及主燃燒段長(zhǎng)度的影響。試驗(yàn)裝置燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果顯示：燃燒室中心區(qū)域呈層流狀態(tài)，可使試驗(yàn)中煤粉顆粒所經(jīng)過(guò)的歷程和反應(yīng)程度都近乎一致；煤粉出口處OH基濃度很低，平焰產(chǎn)生的OH基對(duì)煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基的測(cè)量干擾比較小；試驗(yàn)配氣方案使得煤粉流過(guò)區(qū)域的氧濃度是由空氣的21%向背景氧濃度(煤粉鍋爐中煤粉燃燒后煙氣中的氧濃度)漸變的，煤粉是在比較高的環(huán)境氧濃度下發(fā)生揮發(fā)分釋放和揮發(fā)分氣相燃燒，后期焦炭是在較低的環(huán)境氧濃度下燃燒，這接近煤粉在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒的過(guò)程中周圍氧氣濃度的變化過(guò)程。試驗(yàn)研究表明：在近爐內(nèi)燃燒條件下，粒徑為53～80 μm煙煤和褐煤煤粉總著火延遲時(shí)間和揮發(fā)分著火延遲時(shí)間都隨著環(huán)境溫度的提高而變短；褐煤煤粉主燃燒段長(zhǎng)度比火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長(zhǎng)25 cm左右，比以前我們研究的在高氧濃度環(huán)境下兩者差值更大；與煙煤相比，褐煤主燃燒段長(zhǎng)度要短一些，而且其幾乎不隨環(huán)境溫度提高而變化，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度提高對(duì)褐煤燃燒反應(yīng)性提升更大，褐煤燃燒反應(yīng)性對(duì)環(huán)境溫度提高更加敏感。