不同过氧系数下煤粉MILD－Oxyfuel燃烧的数值模拟

潘 聪， 张立麒， 毛志慧， 郑楚光

（华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，武汉430074）

我国是一个以煤炭为主要一次能源的国家，2013年煤炭在一次能源消费中占67.5%，CO2排放量为9 524.3百万吨，比2012年增加了4.2%，占世界CO2排放量的27.1%［1］.我国面临着严峻的碳减排压力.在众多的碳减排技术中，富氧燃烧被认为是目前较易实现大规模CO2富集和减排的技术之一［2］.然而研究表明，由于燃烧气氛中高浓度CO2气体的存在，煤粉的富氧燃烧往往面临着火延迟、燃烧不稳定等本质困难［3］.

MILD（Moderate or intense low oxygen dilution）燃烧被誉为21 世纪最有前景的燃烧模式之一，它最主要的特征就是在炉膛内部存在强烈的烟气回流，高温烟气稀释并预热反应物，使反应物分布范围更大更均匀，反应更加缓慢，从而降低局部高温，使炉膛温度趋于均匀，有利于稳定燃烧，同时可大幅降低NO 的生成量［4－5］.

针对煤粉富氧燃烧的本质困难和MILD 燃烧的特点，笔者提出了一种创新型的MILD－Oxyfuel燃烧方式［6］，该燃烧方式将煤粉MILD 燃烧与富氧燃烧相结合，优势互补，以期捕获CO2的同时又能达到稳定燃烧、提高效率、降低NO 生成量的目的.

煤粉MILD－Oxyfuel燃烧的本质仍是富氧燃烧，制氧成本仍然是制约该技术大规模商业应用的主要障碍之一.如一台600 MW 的富氧燃烧煤粉锅炉，每小时需要消耗纯氧200多吨［7］.如能在保证不降低燃烧效率的前提下，尽量减小过氧系数，将大大降低制氧的初始投入成本和后期运行成本.由于MILD 燃烧本身具有低氧浓度燃烧的特征，符合减小过氧系数的预期目的.笔者以CFD 数值模拟为研究手段，研究不同过氧系数对煤粉MILD－Oxyfuel燃烧的影响，为这种新型燃烧方式的实际工业应用提供理论参考.

1 研究对象

模拟对象为华中科技大学煤燃烧国家重点实验室0.3 MW 竖直实验炉.该实验炉炉膛为竖直圆柱状，内径为600mm，壁厚为300mm，炉长为6 000 mm.实验炉采用MILD 直流燃烧器，二次风两侧对称布置.实验炉炉膛及沿炉膛高度（z 轴）方向测点的布置见图1，其中坐标轴原点位于炉膛顶部中央.实验炉的设计煤种为烟煤，其煤质分析见表1.

图1 实验台架和测点布置示意图Fig.1 Photo of the experimental platform and arrangement of relevant measurement points

表1 煤质分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal samples %

2 模拟参数设置

2.1 网格的生成

采用Gambit进行三维网格的划分，用六面体结构化网格来保证网格质量满足计算精度的要求.因为模拟对象为对称结构，为进一步提高计算精度及计算速度，笔者只模拟四分之一炉膛.考虑到MILD 燃烧的复杂性以及燃烧器区域流动、反应复杂，对燃烧器区域的网格进行了加密.最后生成的四分之一炉膛体网格数约为60万.

2.2 计算模型

煤粉MILD 燃烧是一个涉及流动、反应、辐射等多个复杂物理化学的过程，不仅要考虑常规燃烧过程中挥发分的热解、焦炭的燃烧，更要考虑湍流与化学反应之间的相互作用.MILD 燃烧较常规燃烧具有更大的燃烧区域，反应物浓度降低，反应速率降低，湍流混合强度增大，化学反应速率需与反应物湍流混合速率相匹配.已有研究证明，涡耗散概念（EDC）模型对MILD 燃烧过程的描述更加准确［8］，所以湍流与化学反应的相互作用采用EDC模型.采用标准κ－ε湍流模型模拟气相流动，煤粉的脱挥发分过程采用双速率竞争模型，煤粉颗粒采用多步表面反应模型.由于MILD 燃烧情况下焦炭颗粒表面附近氧浓度低，CO2和H2O 浓度较高，所以共考虑8步化学反应，即H2O.煤粉颗粒相采用随机轨道模型，粒度大小按照Rosin－Rammler分布特性分布［9］.炉内的辐射传热模型采用DO 辐射模型［10］，该模型适用于广泛的光学厚度，更加适合MILD 燃烧辐射特性.

煤粉燃烧时NO 的生成主要有3种途径，即热力型、快速型和燃料型，笔者考虑了三者以及中间产物N2O 途径和NO 炉内还原途径.热力型NO 途径和中间产物N2O 途径均采用局部均衡假设，燃料型NO 途径假设挥发分氮和焦炭氮均首先全部转化为HCN，NO 炉内还原途径主要考虑CmHn的还原作用［9，11］.

2.3 边界条件的设置

入口条件设置为速度入口，参照文献［12］和文献［13］的设定，煤粉燃烧在二次风风温1 500K，风速80m／s时，可以认为已达到MILD 燃烧，故工况2～工况9设置一次风风温为343K，一次风风速为10m／s，二次风风温为1 500 K，二次风风速为80 m／s；工况1为煤粉常规旋流燃烧（以下简称空气常规）方式，一次风风速为20m／s，一次风风温为343 K，二次风风速为35 m／s，二次风风温为573K.工况1～工况9的给粉量均为36.4g／h.炉膛壁面采用定温设置，温度为1 200K，辐射率为0.6.出口设置为压力出口.

2.4 各工况的过氧系数

总共计算9个工况，其中工况6～工况9 为煤粉MILD－Oxyfuel燃烧方式，一次风和二次风均由21%体积分数的O2和79%体积分数的CO2组成.为了对比分析，在不同工况下，通过改变二次风喷口横截面积来改变过氧系数，以保证其余的参数不变.各工况过氧系数及燃烧方式见表2.

表2 各工况过氧系数及燃烧方式Tab.2 Excess oxygen coefficient and mode of combustion under different cases

3 计算结果与分析

3.1 计算结果与实验验证

为验证模拟的准确性，对空气气氛下的煤粉MILD 燃烧进行了实验研究，采用工况2的条件.图2给出了炉膛中心线上轴向温度模拟值与实验值的对比.由图2可以看出，燃烧器喷口到轴向z＝3m之间，轴向温度模拟值与实验值整体分布趋势接近，大小吻合较好.炉膛轴向z＝3m 之后，由于铺设有水冷壁以保护炉膛，实验过程中大量冷水通过水冷壁带走热量，导致实验值要比模拟值偏低.实验中工况2 下炉膛出口NO 体积分数模拟值为1.8×10－4，实验值为1.7×10－4，两者的误差仅为5.9%，属于可接受范围.图3给出了工况2下炉膛中心线上CO 体积分数模拟值与实验值的对比.由图3可以看出，CO 体积分数实验值与模拟值的整体分布相似，实验值比模拟值整体偏高2×10－4左右，这可能与实验过程中煤粉未完全燃尽有关.总体而言，通过模拟得到的温度、炉膛出口NO 体积分数和炉膛中心线上CO 体积分数与对应实验值的吻合度均较高，表明所采用的计算模型和模拟方法适用于煤粉MILD 燃烧.

图2 炉膛中心线上轴向温度模拟值与实验值的对比Fig.2 Comparison of axial temperature along furnace center line between simulated and experimental data

图3 炉膛中心线上CO 体积分数模拟值与实验值的对比Fig.3 Comparison of CO volumetric concentration along furnace center line between simulated and experimental data

3.2 炉膛中心线上轴向温度分布

图4 给出了过氧系数均为1.20的工况1、工况2和工况6下炉膛中心线上的温度分布.由图4可知，3个工况下炉膛中心线上的最高温度分别为1 750K、1 605K 和1 595K，其中最高温度到尾部的温度波动范围分别为1 750～1 100 K、1 605～1 350K 和1 595～1 380K.可见工况2下炉膛中心线上的最高温度要比工况1低145K 左右，炉膛轴向温度分布变得均匀，温度波动只有255K 左右，比工况1降低了近400K，这与文献中研究结果［13－14］相似.而工况6下炉膛中心线上的最高温度又比工况2低10K 左右，在轴向距离2m 之后，工况6下温度略高于工况2，炉膛轴向温度分布更加均匀，温度波动仅为215K 左右.这是因为MILD 燃烧时，由于强烈的烟气回流降低了局部高温，使炉膛轴向温度趋于均匀，而MILD－Oxyfuel燃烧方式下，因CO2比热容较大，高浓度CO2的存在会使局部高温进一步降低，同时高浓度CO2对燃烧反应具有抑制作用，使燃烧反应更加缓和，分布范围更广，热量释放的范围更广，导致炉膛轴向温度分布更加均匀.此外，由模拟结果可知，工况1 下最高温度横截面在z＝0.20m处，工况2 和工况6 下最高温度横截面在z＝0.60m 处，可见MILD 燃烧高温区域会向炉膛轴向推迟［15］，反应范围更广.

图4 炉膛中心线上的温度分布Fig.4 Temperature distribution along furnace center line

3.3 炉膛各横截面径向温度分布

为比较径向温度分布情况，图5给出了工况1、工况2和工况6下炉膛最高温度所在横截面的径向温度分布.由图5可以看出，工况1、工况2和工况6下径向温度波动范围分别为1 000～2 000K、1 500～1 800K 和1 500～1 650K.MILD 燃烧和MILDOxyfuel燃烧均比空气常规燃烧的最高温度低，径向温度分布更加均匀，而MILD－Oxyfuel燃烧又比MILD 燃烧的最高温度更低，径向温度分布也更加均匀.

图5 最高温度横截面的径向温度分布Fig.5 Radial temperature distribution on the cross section with maximum temperatures

图6 给出了MILD 燃烧各横截面的温度分布，其中7个横截面z分别为0.58m、0.90m、1.24m、1.90m、2.90 m、3.90 m 和4.90 m.由图6 可知，MILD 燃烧下，z＝0.58m 处，工况2～工况5下的最高温度依次降低，其中工况2和工况3的温度分布相似，工况4和工况5在距中心线0.15m 范围内的温度分布分别比工况2低40K 和80K，在距壁面0.15m 范围内，分别比工况2高50K 和60K，可见工况4 和工况5 下的温度分布更加均匀.在z＝0.90m、z＝1.24m 和z＝1.90m 处，工况2、工况3和工况5下的温度分布相似，工况4下的温度分布比其他3种工况都高.在z＝2.90m、z＝3.90 m 和z＝4.90m 处，4种工况下的温度分布相似.由此可知，工况2和工况3下的温度分布相似，工况4比工况2、工况3 下的温度分布更均匀：在炉膛前部，工况4下的温度要低于工况2；在炉膛中部，工况4下的温度则更高；而到了炉膛尾部，工况4与工况2下的温度分布相似.这是因为当过氧系数减小到1.10时，氧浓度降低，导致燃烧化学反应速率降低，而反应物湍流混合速率不变，从而化学反应速率与反应物湍流混合速率之间的差距缩小，反应物得以充分扩散，从而分布更加弥散，有利于MILD 燃烧.工况5比工况2下的炉膛整体温度分布偏低，这是由于当过氧系数减小到1.05 时，由于氧浓度过低，燃烧不充分所致.

图6 MILD燃烧各横截面的温度分布Fig.6 Temperature distribution on various cross sections in MILD combustion mode

图7给出了MILD－Oxyfuel燃烧各横截面的温度分布.对比图6与图7可知，在各横截面处，工况6～工况9下的温度分布与工况2～工况5下的温度分布相似，过氧系数对MILD－Oxyfuel燃烧方式和MILD 燃烧方式的影响相似.但是工况6～工况9下的整体温度比工况2～工况5低，温度波动范围减小，可见MILD－Oxyfuel燃烧方式下的整体温度要比MILD 燃烧方式更低，温度分布更加均匀，这是因为MILD－Oxyfuel燃烧方式下CO2浓度较高，CO2为三原子气体，热辐射能力强，同时高温下CO2的比热容远大于N2，吸收相同热量时的温升更小，同时高浓度CO2气氛会使煤粉燃烧反应速率降低，有利于MILD 燃烧.

图7 MILD－Oxyfuel燃烧各横截面的温度分布Fig.7 Temperature distribution on various cross sections in MILD－Oxyfuel combustion mode

3.4 CO 体积分数分布

图8 给出了工况2～工况9 下炉膛中心线上CO 体积分数的对比.由图8可以看出，工况6下的CO 体积分数峰值最大，约为1.4×10－3，工况9下的CO 体积分数峰值最小，约为9×10－4，这可能是因为工况6下炉内CO2体积分数大幅提高，C（s）＋气化反应增强，导致CO 体积分数峰值增大，而工况9的局部高温在工况2～工况9中最低，不利于CO 生成［16］.图9给出了工况2～工况9下炉内CO 平均体积分数的对比.由图9可以看出，相同过氧系数时，煤粉MILD－Oxyfuel燃烧方式下的炉内CO 平均体积分数比煤粉MILD 燃烧方式下略高；相同燃烧方式下，炉内CO 平均体积分数随着过氧系数的减小而升高，在过氧系数为1.10时炉内CO 平均体积分数最低.这可能是因为相同过氧系数时，煤粉MILD－Oxyfuel燃烧方式下CO2体积分数大幅提高，气化反应增强导致炉内CO 平均体积分数有所升高；相同燃烧方式下，随过氧系数减小炉内氧体积分数降低，氧化反应减弱，气化反应增强导致炉内CO 平均体积分数提高；而过氧系数为1.10时MILD 燃烧作用增强，炉内反应物混合更加均匀，弥散程度更高，氧分布更加均匀，从而导致CO氧化反应增强，气化反应减弱，使炉内CO 平均体积分数降低.总体而言，CO 体积分数分布与前文温度分布相符，进一步说明了过氧系数为1.10时有利于MILD 燃烧.

图8 不同工况下炉膛中心线上CO 体积分数的对比Fig.8 Comparison of CO volumetric concentration along furnace center line among different working conditions

图9 不同工况下炉内CO 平均体积分数的对比Fig.9 Comparison of average CO volumetric concentration in the furnace among different working conditions

3.5 NO 体积分数分布

图10 给出了不同工况下炉膛中心线上的NO体积分数分布.由图10可以看出，工况1下炉膛中心线上的NO 体积分数最高，接近2.6×10－4，工况2～工况4以及工况6～工况8下炉膛中心线上的NO 体积分数主要集中在（1.6～1.8）×10－4，由此可见MILD 燃烧方式下的NO 体积分数要比空气常规燃烧方式下降低了近40%.这主要是因为MILD 燃烧降低了炉膛局部高温，大大减小了热力型NO 的生成量.MILD 燃烧和MILD－Oxyfuel燃烧产生的NO 体积分数接近，这2种燃烧方式下产生的NO 主要来源于燃料型NO，工况2～工况4以及工况6～工况8下的NO 体积分数相差不大，说明在贫燃料燃烧情况下，过氧系数的变化对NO 体积分数的影响不大.工况5和工况9的过氧系数均为1.05，NO 体积分数分别约为1.5×10－4和1.4×10－4，比其他工况下的NO 体积分数低，这可能是因为工况5和工况9的燃烧效率不高，有部分煤粉未完全燃烧，导致NO 生成量偏低.

图10 不同工况下炉膛中心线上NO 体积分数分布Fig.10 Distribution of NO volumetric concentration along furnace center line under different working conditions

4 结 论

（1）煤粉MILD 燃烧的最高温度比空气常规燃烧低200K 左右，且温度分布均匀，温度的波动要比空气常规燃烧低400K 左右，而MILD－Oxyfuel燃烧的最高温度又比MILD 燃烧低，温度分布更加均匀.

（2）过氧系数对煤粉MILD 燃烧的影响较大，过氧系数为1.20和1.15时，燃烧较为充分，温度分布相似；当过氧系数减小为1.10时，CO 体积分数分布更加弥散，炉内CO 平均体积分数更低，温度分布更加均匀，有利于MILD 燃烧；当过氧系数为1.05时，炉膛整体温度偏低，燃烧不充分.

（3）MILD－Oxyfuel燃烧能降低40%的NO 体积分数，过氧系数从1.20减小到1.10对NO 体积分数的影响不大，过氧系数为1.05时，由于煤粉燃烧不完全，NO 体积分数有所降低.

（4）从利于煤粉稳定燃烧、提高效率、降低NO体积分数以及减少纯氧消耗量的角度而言，MILDOxyfuel燃烧方式下可以将过氧系数减小到1.10～1.15，以保证煤粉的更充分燃烧，使反应物分布更加弥散，炉膛温度分布更均匀，有利于燃烧稳定.

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