300 MW 四角切圓鍋爐在O2/CO2氣氛下的燃燒與傳熱特性數(shù)值模擬研究

李 寧，葛家楠，汪健生

（1.河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院 滄州分院，河北 滄州，061000；2.天津大學 機械工程學院 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津，300072）

0 概述

燃煤電廠是CO2氣體排放的主要來源之一，針對碳減排的嚴峻形勢，考慮采用富氧燃燒技術，將傳統(tǒng)電廠鍋爐改造和碳捕集與封存技術［1］相結合，回收利用液態(tài)CO2，從而緩解溫室效應。與此同時，由于將空氣中79%的N2替換為煙氣再循環(huán)中的CO2和H2O，可以有效減少熱力型NOx的生成［2］，有利于減少污染物的排放，因此富氧燃燒技術成為熱力發(fā)電行業(yè)關注的重點。

現(xiàn)已有不少關于O2/CO2氣氛下煤燃燒的研究。Horbaniuc 等人［3］計算評估了富氧環(huán)境對鍋爐設計的影響，發(fā)現(xiàn)富氧氣氛有利于提高低揮發(fā)分煤的燃燒，并且煙道和火焰的溫度相對于空氣氣氛下更高，從而減少傳熱面積。韋耿等人［4］通過數(shù)值模擬的方法對比了200 MW 切圓鍋爐和對沖鍋爐的燃燒特性，模擬結果表明在爐膛溫度均勻性方面，前者優(yōu)于后者，而在避免結焦和水冷壁腐蝕方面，后者優(yōu)于前者。龔正［5］采用實驗的方法，研究了富氧氣氛下30 kW 加壓流化床對污染物排放的影響，實驗結果表明，煙煤和無煙煤在富氧條件下NOx的排放量都有不同程度的減少，其影響因素可以歸結為O2體積分數(shù)、壓力以及床層溫度。郭軍軍等人［6］對我國35 MW 煤粉富氧燃燒工業(yè)示范進行了調研，結果表明實現(xiàn)空氣氣氛和富氧氣氛的改造是可行的。

雖然已有一些工程實踐［7-8］將富氧燃燒用于鍋爐改造，但都是一些中小噸級的應用。為了進一步在大型鍋爐改造中推廣富氧燃燒技術，使其既能適應空氣氣氛，又能在O2/CO2氣氛下燃燒保持穩(wěn)定，盡可能利用現(xiàn)有設備、降低改造成本，本文對300 MW 四角切圓煤粉爐進行了數(shù)值模擬研究。通過調整進入爐膛的循環(huán)煙氣和O2的體積分數(shù)比例，對比空氣氣氛下和O2/CO2氣氛下爐膛的燃燒特性和傳熱特性，使得改造后的鍋爐能保持燃燒的穩(wěn)定性。

1 數(shù)學模型

本文研究對象為300 MW 四角切圓煤粉爐，鍋爐為π 型布置、懸吊結構。由于建模不可能將鍋爐的具體細節(jié)一一實現(xiàn)，因此鍋爐的壁面設置為無壁厚的恒溫壁面。爐膛橫截面（爐寬×爐深）尺寸為14 m×14 m。制粉系統(tǒng)采取直吹式，四臺磨煤機正常工作將煤粉利用一次風吹入爐膛。燃燒器布置在爐膛的四角，燃燒器中心線和爐膛壁面的夾角為48°和42°。鍋爐和燃燒器布置如圖1 所示。其中，一、二、三次風在圖1 中用A—H 表示，爐膛上方依次布置了分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器與再熱器、垂直低溫過熱器、立式低溫過熱器、水平低溫過熱器與省煤器。

圖1 鍋爐和燃燒器布置Fig.1 Boiler and the arrangement of burners

網(wǎng)格劃分方式采取非結構化方法，網(wǎng)格總數(shù)為157 萬個，網(wǎng)格處理如圖2 所示。煤種選用褐煤，其煤質分析如表1 所示。數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)算法，帶旋流修正的Realizablek-ε湍流模型，輻射模型選用P1。氣固兩相流為歐拉-拉格朗日方法隨機軌道模型。對于燃燒而言，采取組分輸運模型，湍流化學反應為渦耗散（EDM）模型。焦炭顆粒符合Rosin-Rammlar 規(guī)律，最小粒徑為10?5m，最大粒徑為2×10?4m。壓力速度耦合方式為SIMPLE 算法，壓力離散方式為Standard 格式。動量離散方式先在一階迎風格式下達到收斂后，再修改為二階迎風格式，進行精細計算。

表1 煤質分析Tab.1 Analysis of coa

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division

氣相的邊界條件設置為，一次風的進口速度為27 m/s，一次風溫為343 K，二次風速度為47 m/s，二次風溫為634 K，三次風速為30 m/s，三次風溫為412 K。顆粒相的總送煤量為41.88 kg/s，進口溫度為一次風溫。出口邊界條件為壓力出口，回流溫度為603 K。其中為簡化計算，鍋爐的壁面都采用了第一類邊界條件，其取值如表2 所示。為使改造后的鍋爐能夠在空氣氣氛和O2/CO2氣氛中達到兼容，調節(jié)φ(O2)/φ(CO2)（O2和CO2的體積分數(shù)比）的值與空氣進行對比，共模擬了空氣，φ(O2)/φ(CO2)分別為21/79、25/75、29/71四種工況進行了分析討論，其運行參數(shù)如表3 所示。鍋爐的運行參數(shù)如表4 所示。

表2 壁面邊界條件Tab.2 Wall boundary conditions

表3 工況設計Tab.3 Working conditions

表4 鍋爐運行參數(shù)Tab.4 Boiler operating parameters

2 計算結果討論

2.1 燃燒特性

為保證鍋爐穩(wěn)定運行，應避免火焰溫度過高，由此生成氮氧化物、硫化物沖擊水冷壁造成高溫腐蝕。同時，應該使爐膛在空氣和O2/CO2氣氛中保持相似的流場和溫度場，實現(xiàn)爐膛在兩種模式之間的切換。如圖3 所示，為爐膛橫截面平均溫度、O2體積分數(shù)以及顆粒燃盡率隨爐膛高度的變化。對比工況1 和工況2，即在相同的O2體積分數(shù)下，富氧燃燒比在空氣氣氛下的平均溫度低。工況2—工況4 在燃盡區(qū)的溫度差別不大。在富氧條件下，O2均是在一次風C 進口處消耗最快，之后由其他進口補充，O2體積分數(shù)又有所回升。在空氣氣氛下，O2是在二次風F 進口處才有急劇的下降，表現(xiàn)出和O2/CO2氣氛下不同的燃燒特性。對比工況1 和工況2 的顆粒燃盡率，可以發(fā)現(xiàn)N2被替換為CO2后，除在燃燒器底面測點，其余觀測點處的燃盡速率變大了，這是CO2不對稱的三原子結構的輻射特點決定的［9］。值得注意的是，在冷灰斗處，空氣氣氛下顆粒未被卷吸上升就已經開始燃燒。離開燃燒室后，仍有一定量的煤炭顆粒進行著燃燒反應，說明空氣氣氛下的燃燒相對富氧條件下較為緩慢。對比工況2—工況4，O2體積分數(shù)越大，在燃燒室內的反應越劇烈。觀察工況4，顆粒的燃盡率在爐膛內梯度很大，甚至在未出燃燒室燃盡速率就已經變?yōu)?，這也說明增加氧濃度能使煤炭顆粒更快反應完全。

圖3 橫截面各參數(shù)隨爐高變化的平均值Fig.3 The average value of cross section parameters varying with furnace height

表5 給出了四種工況下的爐膛出口參數(shù)。在相同的進口O2體積分數(shù)下，爐膛出口速度和煙溫都有不同程度的升高?？諝鈿夥障码m然進口O2體積分數(shù)相同，但以CO2代替N2使出口的O2體積濃度不盡相同。隨著O2體積分數(shù)的不斷提高，其出口速度和煙溫逐漸減小。較大的排煙量和排煙溫度會使排煙熱損失增大。提高O2體積分數(shù)使排煙量和排煙溫度同時降低意味著排煙熱損失變小，這有利于提高鍋爐熱效率。對比工況1 與富氧燃燒下的三種工況，可以發(fā)現(xiàn)工況3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時，能夠達到和空氣氣氛下相似的出口煙氣量及煙氣溫度。根據(jù)上文分析，工況3 的溫度梯度也小于工況4，說明在研究的幾種工況中，工況3 是最接近空氣的場分布。同時，采用富氧燃燒，爐膛出口的CO2體積分數(shù)很高，在80%～90%之間，有利于后續(xù)回收液態(tài)的CO2，實現(xiàn)低碳排放。

表5 爐膛出口參數(shù)Tab.5 Outlet parameters of the furnace

圖4 為工況1—工況4 煤炭顆粒在爐膛中的停留時間軌跡圖。在四種工況下，煤炭顆粒均保持著旋流上升的趨勢。在富氧環(huán)境中，煤顆粒在爐膛中的平均停留時間均比在空氣氣氛下的平均停留時間更長，這說明富氧條件是有利于煤粉充分燃燒的。四種工況下，煤粉顆粒的平均停留時長分別為11.0 s，14.3 s，11.1 s以及16.2 s。從燃燒的充分性方面來說，φ(O2)/φ(CO2)=29/71 時煤粉燃燒更完全。從與空氣氣氛的相似性方面來說，φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時，煤粉顆粒分布與工況1 更接近。

圖4 工況1—工況4 煤炭顆粒停留時間Fig.4 Coal particle residence time in working condition 1—condition 4

2.2 傳熱特性

圖5 為工況1—工況4 壁面熱負荷云圖。由圖5（a）可知，在空氣氣氛下，熱流密度最大的區(qū)域在燃燒室中心，最大達到了?4.61×105W/m2。一次風將煤粉顆粒輸運到燃燒室發(fā)生劇烈的化學反應，在燃燒室內基本已經燃燒完全，之后隨著爐膛的升高，煙氣與過熱器、換熱器以及水冷壁進行對流換熱和輻射換熱，其換熱能力不及顆粒燃燒時的輻射能力，因此熱流密度也逐漸降低。在富氧條件下，由于CO2的輻射能力比N2強，在燃燒室內就已經輻射了大量的熱量，所以在離開燃燒室后的煙道中，工況2—工況4 的壁面熱負荷均不及工況1。同時，對比工況1 與工況2，工況2 的火焰中心明顯上移，此種現(xiàn)象會導致著火延遲，降低燃燒的穩(wěn)定性。工況2—工況4 的最大熱流密度分別為?4.23×105W/m2、?4.53×105W/m2和?4.93×105W/m2。隨著氧濃度的逐漸增大，壁面熱負荷隨之增大，同時火焰中心也逐漸回落，說明提高氧濃度有利于換熱并提高燃燒的安全性和穩(wěn)定性。

圖5 工況1—工況4 壁面熱負荷Fig.5 Heat flux in working condition 1—condition 4

圖6 為工況1—工況4 分隔屏過熱器和后屏過熱器的熱流密度和輻射熱流密度圖。由圖6（a）可知，在同樣的高度上，后屏過熱器吸收的熱量明顯小于分隔屏過熱器。在不同的工況下輻射熱流密度表現(xiàn)出和總熱流密度相似的趨勢，并且輻射熱流占了總熱流的60%～85%，輻射傳熱占主導地位。對比空氣氣氛與富氧環(huán)境下的熱流分布，富氧環(huán)境中的熱流梯度更小，說明了富氧條件下在燃燒室內的高溫區(qū)就已經進行了強烈的熱量交換，達到煙道后，輻射換熱強度沒有之前那么劇烈了。

圖6 工況1—工況4 分隔屏過熱器和后屏過熱器的熱流密度和輻射熱流密度圖Fig.6 Heat flux and radiant heat flux diagram of separated screen superheater and rear screen superheater from working condition 1—condition 4

如圖7 所示，其定量化顯示了煙道和各個過熱器與再熱器的傳熱量和輻射傳熱量。不論是在空氣氣氛還是在富氧條件下，煙道吸收了絕大部分的熱量，其他過熱器與再熱器吸收熱量的差距不大，并且輻射傳熱相對于對流傳熱來說，其在爐膛中是主要的傳熱方式。增大O2的入爐份額，過熱器和再熱器的傳熱份額略有減少。在燃盡區(qū)及之后的爐膛中，空氣氣氛下的換熱強于富氧環(huán)境。在工況1 下，煙道的傳熱量和輻射傳熱量都比工況2—工況4 的傳熱量要大，這和圖5 的云圖顯示一致。

圖7 工況1—工況4 煙道和各過熱器與再熱器的傳熱量與輻射傳熱量Fig.7 Heat transfer and radiation transfer in flue and superheater and reheater in working condition 1—condition 4

3 結論

本文對300 MW 四角切圓燃燒亞臨界煤粉爐進行了數(shù)值模擬。為使改造后的鍋爐能在空氣氣氛和O2/CO2氣氛下兼容，利用現(xiàn)有設備、節(jié)約了改造成本，對四種工況下的燃燒特性和傳熱特性進行了研究，得到如下結論：

（1）在保持相同的O2體積分數(shù)時，富氧條件下的爐膛橫截面平均溫度低于空氣氣氛下的平均溫度?？諝鈿夥障碌臋M截面平均O2體積分數(shù)表現(xiàn)出和富氧條件下不同的趨勢。從顆粒燃盡率方面來說，增大氧濃度使煤炭顆粒未離開燃燒室就已反應完全。

（2）從爐膛出口參數(shù)和煤炭顆粒在爐膛中的停留時間方面來說，工況3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 時，能夠達到和空氣氣氛下相近的出口煙氣速度和出口煙氣溫度以及停留的時間。增加入爐O2的體積分數(shù)能使煤顆粒有更小的排煙熱損失，進行更充分的燃燒。

（3）從熱負荷角度來說，以CO2代替N2使得燃燒室內的火焰中心上移，這意味著著火的推遲和燃燒的不穩(wěn)定。增大O2的體積分數(shù)可以使火焰中心回落，增強燃燒的安全性與穩(wěn)定性。同時，以分隔屏過熱器和后屏過熱器為例，說明了輻射換熱在換熱過程中占主導。富氧燃燒在燃盡區(qū)之后的爐膛中，空氣氣氛下爐膛內的換熱都強于富氧條件下的換熱。