顆粒間距對(duì)煤粉顆粒著火和燃燒行為影響的理論研究

許 揚(yáng),黃 騫,宋民航，李水清

(1. 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系,北京 100084；3. 中國(guó)科學(xué)院 過程工程研究所,北京 100190)

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全國(guó)煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，在我國(guó)能源供給中依然占有舉足輕重的地位。煤炭提供了我國(guó)65%的發(fā)電量，同時(shí)也是鋼鐵、建材、化工等產(chǎn)業(yè)重要的燃料和原料。煤炭的基礎(chǔ)能源地位是由我國(guó)“多煤少油缺氣”的能源結(jié)構(gòu)所決定的，并且在短期內(nèi)，這種情況不會(huì)發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。對(duì)燃煤鍋爐來說，煤粉顆粒著火過程的快慢及其穩(wěn)定性直接決定了燃煤鍋爐運(yùn)行的火焰穩(wěn)定性，是機(jī)組寬負(fù)荷靈活調(diào)峰運(yùn)行的關(guān)鍵因素。此外，煤粉燃燒初期(包括揮發(fā)分燃燒階段)也產(chǎn)生大量污染物，特別是氮氧化物(NO)生成量可達(dá)煤粉燃燒全過程N(yùn)O生成總量的70%以上。因此，研究煤粉燃燒初期的著火行為對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性以及污染物生成控制具有重要意義。

煤粉顆粒的著火特性研究可追溯至20世紀(jì)六七十年代。JüNTGEN和VANHEEK最早提出了煤粉的不同著火模式：非均相著火、均相著火、及聯(lián)合著火模式。其中，非均相著火指在煤粉顆粒表面的直接著火行為，而均相著火指在煤粉氣相邊界層內(nèi)揮發(fā)分的著火。著火模式反映了顆粒相和氣相反應(yīng)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此可作為表征煤粉顆粒著火穩(wěn)定性的重要參數(shù)。章明川和徐旭常提出以氣相可燃?xì)怏w著火極限作為著火判據(jù)，為后期煤粉顆粒著火研究提供了理論基礎(chǔ)。近年來，煤粉顆粒著火的機(jī)理研究取得了較大進(jìn)展，根據(jù)研究對(duì)象的不同，可分為單顆粒著火和顆粒群著火行為研究。RIAZA等和LEVENDIS等分別基于滴管爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用高速攝影技術(shù)研究了單顆粒燃燒行為，系統(tǒng)地分析了煤種、周圍氣氛對(duì)顆粒著火延遲時(shí)間、顆粒燃燒溫度、燃燒時(shí)間的影響。LEE等觀察研究了單個(gè)顆粒在高溫氣流中的燃燒特性。在煤粉顆粒群著火研究方面，YUAN等利用可見光光譜法系統(tǒng)研究了多元擴(kuò)散平焰燃燒器上煤粉顆粒流的著火行為。LIU等研究了溫度、粒徑、氧氣濃度及給粉量等參數(shù)對(duì)煤粉顆粒群著火的影響，并提出綜合體現(xiàn)各參數(shù)影響的“Group number”。除了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，數(shù)值模擬可通過耦合煤粉熱解模型與氣相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，探究煤粉顆粒燃燒初期著火和揮發(fā)分燃燒行為。VASCELLARI等通過火焰面模型，研究了煤粉顆粒著火階段的溫度及氣相組分分布，模擬所得著火延遲時(shí)間及時(shí)間平均OH分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好。GOSHAYESHI等通過模擬的CH基團(tuán)信號(hào)來表征煤粉顆粒的著火情況，并比較了不同熱解模型及不同氣相模型對(duì)著火過程預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。值得注意的是，上述工作較多關(guān)注煤粉顆粒的氣相著火，而缺乏對(duì)煤粉顆粒著火模式的辨析。近期，YUAN等和XU等采用單顆粒瞬態(tài)著火模型對(duì)煤粉單顆粒的著火模式進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并選取特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)了煤粉著火模式的定量表征，這也是對(duì)煤粉著火穩(wěn)定性的量化表征。但該一維瞬態(tài)模型僅能解析一維(徑向)的氣相溫度、組分分布，無法完整反映流場(chǎng)中顆粒周圍空間分布的不均勻性。同時(shí)，該模型僅能預(yù)測(cè)單顆粒著火行為。當(dāng)燃燒器出口煤粉質(zhì)量濃度局部偏高，或?qū)t內(nèi)燃燒進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控時(shí)，需進(jìn)一步研究煤粉顆粒附近的氣相組分分布以及顆粒間距對(duì)煤粉顆粒著火延遲時(shí)間及著火模式的影響。

基于以上研究現(xiàn)狀，筆者主要針對(duì)顆粒間距對(duì)煤粉顆粒著火行為的影響開展數(shù)值模擬研究，詳細(xì)解析不同顆粒間距下煤粉顆粒之間的相互作用。通過改變煤粉顆粒間距，研究不同顆粒間距下煤粉顆粒群著火行為的演化，著重探討煤粉顆粒著火延遲時(shí)間以及著火模式的變化規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 研究方法

圖1 研究思路Fig.1 Research mentality

1.2 計(jì)算設(shè)置

圖2 氣相揮發(fā)分燃燒數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical simulation model for volatilecombustion in gas phase

1.3 單顆粒溫升及揮發(fā)分釋放特性

設(shè)定燃燒工況為1 500 K-0.2O，即來流溫度為1 500 K，來流中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)為0.2，氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)為0.8。采用的煤種為一種典型煙煤，其固定碳、揮發(fā)分和灰分分別為55.52%，24.11%和20.37%，高位發(fā)熱量為25.26 MJ/kg。主要關(guān)注層流工況下煤粉顆粒的燃燒，故設(shè)置來流速度為0.5 m/s。圖3為該工況下，采用前述一維瞬態(tài)單顆粒著火模型計(jì)算得到的煤顆粒溫度及揮發(fā)分釋放速度(質(zhì)量通量)的演化。

圖3 基于單顆粒模型計(jì)算得到的1 500 K-0.2O2工況下顆粒溫度和揮發(fā)分釋放結(jié)果Fig.3 Evolution of particle temperature and volatile releasein 1 500 K-0.2O2 based on single particle model

由圖3可以知，在煤粉實(shí)際燃燒過程中，揮發(fā)分的釋放速率隨時(shí)間會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，本工況下有2個(gè)峰值較為突出，分別在16.0 ms和19.0 ms附近。將各峰值分別進(jìn)行擬合(圖3中彩色曲線)，并將揮發(fā)分釋放速率曲線與該工況下對(duì)應(yīng)的顆粒升溫曲線作為CFD模擬中顆粒與氣相交界處的邊界條件。

對(duì)于煤粉顆粒著火行為，經(jīng)典著火理論分別定義了非均相著火和均相著火行為。其中，非均相著火時(shí)間()定義為顆粒溫升曲線的拐點(diǎn)，即d/d=0；均相著火時(shí)間()則基于氣相溫度分布定義：當(dāng)某一時(shí)刻下的氣相溫度分布出現(xiàn)了較顯著的局部極大值，即代表該處化學(xué)反應(yīng)速率升高，則認(rèn)為該時(shí)刻發(fā)生了均相著火。按照上述準(zhǔn)則，利用單顆粒著火模型計(jì)算得到1 500 K-0.2O工況下，70 μm煤顆粒的非均相著火延遲時(shí)間為12.2 ms，對(duì)應(yīng)的均相著火時(shí)間為15.0 ms。

2 結(jié)果及分析

2.1 單顆粒氣相著火及燃燒特性

針對(duì)單顆粒燃燒，圖4給出了1 500 K-0.2O工況下采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬得到的氣相揮發(fā)分均相燃燒特性。彩圖為流體時(shí)間為16.8 ms和21.0 ms時(shí)溫度(圖4(a))和OH信號(hào)的空間分布(圖4(b))，曲線圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻顆粒徑向(指向顆粒下游)的氣相溫度分布。計(jì)算結(jié)果顯示，煤粉顆粒進(jìn)入高溫場(chǎng)16.8 ms后發(fā)生揮發(fā)分的氣相著火，著火點(diǎn)最開始出現(xiàn)在顆粒下游。之后，火焰面由下游逐漸向上游發(fā)展，至21.0 ms時(shí)，火焰面達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在顆粒周圍形成完整的火焰包絡(luò)面。此外，氣相溫升與OH信號(hào)增強(qiáng)基本同步，在21.0 ms時(shí)，氣相溫度最高可達(dá)2 100 K。

圖4 1 500 K-0.2O2工況下單顆粒氣相揮發(fā)分燃燒過程演化Fig.4 Evolution of volatile combustion for singleparticle in 1 500 K-0.2O2

注意到詳細(xì)CFD模擬與前述單顆粒著火模型(基于一步反應(yīng)機(jī)理)均可求得氣相著火延遲時(shí)間，2者對(duì)比如圖5所示。圖5還給出單顆粒著火模型求得的非均相著火延遲時(shí)間。由圖5可以看出，相比單顆粒著火模型(一步氣相反應(yīng)機(jī)理)，采用CFD詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算得到的氣相揮發(fā)分著火延遲時(shí)間更大，但均高于非均相著火延遲時(shí)間。這表明，在設(shè)定工況下，煤粉顆粒的非均相著火先于均相著火發(fā)生。因此，可認(rèn)為將顆粒相和氣相單向解耦的計(jì)算方式能正確判別特定條件下煤粉顆粒的著火模式。

圖5 1 500 K-0.2O2工況下不同氣相反應(yīng)機(jī)理計(jì)算著火延遲時(shí)間的比較Fig.5 Comparison of ignition delay time calculated bydifferent gas phase kinetics in 1 500 K-0.2O2

2.2 雙顆粒氣相著火及燃燒特性

在上述單顆粒研究的基礎(chǔ)上，在上游顆粒P1的下游加入相同粒徑的煤粉顆粒P2，探究煤粉顆粒間距對(duì)氣相揮發(fā)分著火和燃燒特性的影響。圖6給出了當(dāng)顆粒間距為6(6倍顆粒粒徑)時(shí)，氣相揮發(fā)分燃燒的溫度和OH濃度分布隨時(shí)間的演化。值得指出的是，當(dāng)顆粒間距為6且其他條件不變時(shí)，P2比上游顆粒P1晚0.84 ms進(jìn)入高溫場(chǎng)，即溫升和揮發(fā)分釋放均較上游顆粒滯后0.84 ms。從計(jì)算結(jié)果可以看出，氣相揮發(fā)分著火大約發(fā)生在流體時(shí)間13.9 ms，初始著火點(diǎn)位于P2的下游，而在P1下游、P2上游區(qū)域未獨(dú)立發(fā)生氣相著火。對(duì)比單顆粒工況，上游顆粒P1的著火延遲時(shí)間從16.8 ms提前至13.9 ms，提前了2.9 ms；下游顆粒P2的著火延遲時(shí)間相較于單顆粒工況下的16.8 ms提前了3.74 ms(需考慮P2本身進(jìn)入流場(chǎng)時(shí)間滯后0.84 ms)。因此，相較單顆粒工況(顆粒間距無窮大)，雙顆粒工況時(shí)上、下游顆粒的均相著火均提前。隨著時(shí)間進(jìn)一步推移，揮發(fā)分火焰面逐漸向上游擴(kuò)展，一直延伸到P1上游。值得注意的是，OH濃度分布反映出間距6的2個(gè)煤粉顆粒在燃燒中最終形成一個(gè)整體的包絡(luò)面，而非2個(gè)單獨(dú)的火焰包絡(luò)面。

圖6 顆粒間距為6d的雙顆粒工況下溫度和OH信號(hào)分布演化Fig.6 Evolution of temperature and OH distribution under the condition with particle spacing of 6d

圖7比較了2個(gè)工況下(單顆粒工況、顆粒間距為6)流體時(shí)間13.9 ms時(shí)沿徑向(指向下游)的顆粒溫度和CH，O，CH和OH的空間分布。圖7(a)為單顆粒工況，圖7(b)為顆粒間距6的雙顆粒工況。可見該時(shí)刻，單顆粒工況下的氣相溫度沿徑向未發(fā)生明顯變化；CH和OH基團(tuán)分布也表明此刻氣相中并未形成較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)。因此，單顆粒工況在此時(shí)刻并未著火。而雙顆粒工況下，流體時(shí)間13.9 ms時(shí)的氣相溫度分布明顯不同。圖7(b)的紅色虛線表示下游顆粒的位置。由于下游顆粒P2的加入，使得P2下游揮發(fā)分氣體的濃度升高。在該時(shí)刻，P2顆粒下游175 μm處的OH及CH基團(tuán)濃度出現(xiàn)峰值，且局部氣相溫度升高，發(fā)生氣相著火。因此，相較于單顆粒工況，雙顆粒工況更易在下游顆粒附近達(dá)到氣相著火極限而發(fā)生均相著火。

圖7 流體時(shí)間13.9 ms時(shí)單顆粒和顆粒間距為6d的雙顆粒工況下溫度和組分空間分布Fig.7 Temperature and species distribution of single particle and two particles with particle spacing of 6d at 13.9 ms

上述分析顯示，在給定顆粒溫度歷史(即非均相著火延遲時(shí)間相同)情況下，顆粒間距為6的雙顆粒工況下煤粉顆粒的氣相(均相)著火與單顆粒有較大差異，且上、下游顆粒間的著火行為也存在較大差異。選取均相著火與非均相著火延遲時(shí)間的差值，即Δ=-，作為表征著火模式的特征參數(shù)。顯然，Δ越大，表示均相著火越滯后，煤粉顆粒的著火模式越傾向非均相著火主導(dǎo)；反之著火模式向均相著火傾斜。根據(jù)前述結(jié)果，對(duì)于研究工況，單顆粒著火模型所預(yù)測(cè)的非均相著火延遲時(shí)間(顆粒溫升曲線拐點(diǎn))為12.2 ms。CFD計(jì)算結(jié)果表明，單顆粒工況均相著火延遲時(shí)間為16.9 ms，對(duì)應(yīng)的著火模式特征參數(shù)Δ=4.7 ms；對(duì)于顆粒間距為6的雙顆粒工況，上游顆粒對(duì)應(yīng)的著火模式特征參數(shù)為1.7 ms，下游顆粒對(duì)應(yīng)的Δ=0.86 ms。可見，顆粒間距為6的雙顆粒工況下，兩顆粒的著火模式均較單顆粒向均相著火傾斜(Δ減小)，且下游顆粒的傾斜趨勢(shì)較上游顆粒更顯著。

圖8 不同顆粒間距下的均相著火延遲時(shí)間和著火模式特征參數(shù)Fig.8 Homogeneous ignition delay time and ignitionmode parameter in conditions with different particle spacing

2.3 顆粒間距對(duì)煤粉顆粒著火的影響

進(jìn)一步改變2顆粒的間距，研究顆粒間距對(duì)煤粉顆粒著火延遲時(shí)間和著火模式的影響。圖8給出了不同顆粒間距時(shí)上游顆粒P1和下游顆粒P2氣相著火延遲時(shí)間和著火模式的變化情況。橫坐標(biāo)的無窮遠(yuǎn)代表單顆粒工況?？梢?，當(dāng)兩顆粒間距由無窮遠(yuǎn)逐漸縮小時(shí)，上游顆粒P1和下游顆粒P2的氣相著火延遲時(shí)間均逐漸降低，且下游P2顆粒的氣相著火始終較P1有所提前。當(dāng)顆粒間距縮小至8時(shí)，兩顆粒的氣相著火延遲時(shí)間均大幅階躍式降低。通過分析火焰結(jié)構(gòu)可知，均相著火延遲時(shí)間的躍變主要與氣相的火焰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)捩相關(guān)。當(dāng)顆粒距離較遠(yuǎn)(9～無窮遠(yuǎn))，每個(gè)顆粒被近球形氣相火焰單獨(dú)包圍；而當(dāng)顆粒間距減小至8時(shí)，雙顆粒工況下的揮發(fā)分火焰由2個(gè)單獨(dú)的火焰面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)完整的火焰包絡(luò)面。顆粒間距為6時(shí)的結(jié)果如圖6所示。因此，所觀察到的火焰面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與著火延遲時(shí)間變化具有較好一致性，也表明揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致在顆粒間距為8附近氣相著火延遲時(shí)間大幅度降低的主要原因。進(jìn)一步地，將研究結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的研究進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[16]研究了顆粒間距對(duì)煤粉顆粒揮發(fā)分燃燒情況及火焰結(jié)構(gòu)的影響。在顆粒雷諾數(shù)=2的工況下，當(dāng)顆粒間距大致為20時(shí)，出現(xiàn)了單顆粒和顆粒群組的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。而本文所研究的工況下，顆粒雷諾數(shù)約為0.65，較小的雷諾數(shù)降低了顆粒邊界層由于對(duì)流導(dǎo)致的組分輸運(yùn)，在顆粒粒徑為8時(shí)即出現(xiàn)了揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)捩。圖8空心點(diǎn)連線進(jìn)一步示出各間距下的著火模式特征參數(shù)，可見相較于單顆粒工況，隨著顆粒間距的縮小，上、下游顆粒都向均相著火主導(dǎo)的區(qū)域傾斜。類似地，當(dāng)顆粒間距≤8時(shí)，揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，Δ大幅降低，著火模式向均相著火主導(dǎo)區(qū)域發(fā)生大幅偏移。同時(shí)，相較上游顆粒，下游P2顆粒向均相著火傾斜的程度更強(qiáng)。這表明，當(dāng)保持其他環(huán)境條件一致，縮小顆粒間距會(huì)使煤粉顆粒的著火模式向均相著火偏移，且下游顆粒偏移程度顯著高于上游顆粒。

2.4 顆粒間距對(duì)煤粉顆粒周圍氣氛影響

圖9為流體時(shí)間20.0 ms時(shí)，單顆粒和顆粒間距6時(shí)的氧氣及揮發(fā)分(CH為代表)濃度的空間分布云圖?？梢?，對(duì)顆粒間距6的雙顆粒工況，由于形成完整的火焰包絡(luò)面，顆粒周圍出現(xiàn)較大的貧氧區(qū)域。貧氧區(qū)域的產(chǎn)生對(duì)煤粉燃燒中間產(chǎn)物(如NO)的生成有重要影響。追蹤上游顆粒P1表面質(zhì)點(diǎn)的跡線，并比較不同顆粒間距下質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷跡線上的氧氣濃度歷史，如圖10所示?？梢钥闯?，當(dāng)顆粒間距減小，流體在低氧濃度區(qū)域停留時(shí)間延長(zhǎng)。同時(shí)，在相同顆粒間距(5)時(shí)增加下游顆粒數(shù)目，也會(huì)導(dǎo)致流體在低氧濃度區(qū)域停留時(shí)間增加。這意味著揮發(fā)分中的含N組分在低氧區(qū)域的停留時(shí)間增加，對(duì)后期NO的生成有一定的抑制效果。因此，減小顆粒間距會(huì)擴(kuò)大富燃貧氧區(qū)域，抑制燃燒過程中NO的生成。

圖9 單顆粒和顆粒間距為6d時(shí)顆粒邊界層氧氣濃度和揮發(fā)分濃度分布Fig.9 Distribution of oxygen and volatiles in particle vicinityfor single particle and particle spacing of 6d

注：P代表顆粒，1P代表單顆粒圖10 不同顆粒間距下質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷跡線上的氧氣濃度Fig.10 Oxygen concentration history on thetrace line for particles with different spacing

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)兩煤粉顆粒間距較大(>8)，顆粒群的著火與單顆粒著火類似。而當(dāng)顆粒間距較小(≤8)，煤粉顆粒的氣相燃燒行為與單個(gè)煤粉顆粒有較大的差異，氣相揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立的近球狀火焰面轉(zhuǎn)捩為連續(xù)的顆粒團(tuán)簇火焰。

(2)當(dāng)兩煤粉顆粒間距較小(≤8)，時(shí)，顆粒間的相互作用導(dǎo)致上游和下游顆粒的揮發(fā)分著火均發(fā)生提前，煤粉顆粒的著火模式向均相著火主導(dǎo)傾斜，且下游顆粒著火模式傾斜更為明顯。

(3)煤粉顆粒間距縮小、多顆粒燃燒形成火焰包絡(luò)面，會(huì)導(dǎo)致顆粒周邊富燃貧氧區(qū)域擴(kuò)大，這對(duì)燃燒過程中NO等對(duì)氧氣濃度較敏感的污染物生成有一定的抑制作用。