CO2效应对煤焦颗粒增氧燃烧影响的数值研究

金旭东， 周月桂， 金圻烨， 郑婷婷

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)



CO2效应对煤焦颗粒增氧燃烧影响的数值研究

金旭东， 周月桂， 金圻烨， 郑婷婷

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)

采用考虑炭粒表面氧化还原反应以及气相CO-O2反应的连续膜模型，在增氧燃烧中添加一定量的CO2并采用Ar来调节煤焦颗粒表面温度，分析O2浓度效应、CO2化学效应及热效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的影响.结果表明：当增氧燃烧系统中O2体积分数从21%提高到26.5%时，煤焦颗粒表面温度升高154 K，燃烧速率增大，且着火时间和燃尽时间均提前；在煤焦颗粒增氧燃烧过程中，O2浓度效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的影响占主导作用，其次是CO2化学效应，而热效应的影响最低，三者影响的相对贡献率分别为56.4%、25.7%和17.9%.

增氧燃烧； 煤焦燃烧； 连续膜模型； CO2效应

符号说明：

Bo——无量纲斯蒂芬玻耳兹曼常数

c——比热容，J/(kg·K)

D——扩散系数，m2/s

Da——Damköhler数

k——指前因子，m/s

m——燃烧速率，kg/s

Q——反应热比值

r——径向坐标，m

R——无量纲颗粒半径

T——温度，K

w——气体质量分数

ρ——密度，kg/m3

υ——气相反应的化学当量比

ε——黑度

τ——无量纲时间

θ——无量纲活化能

ω——反应速率，kg/ (m2·s)或kg/(m3·s)

E——活化能，kJ/mol

下标

g——气体

F——CO

N——N2

O——O2

P——CO2

S——颗粒表面

∞——主气流

0——初始

增氧燃烧(Oxygen Enhanced Combustion)是在传统空气燃料燃烧中加入一部分纯氧将燃烧的氧气体积分数从21%提高到26%以上，使得燃烧烟气体积减小，燃烧温度和烟气中CO2、水蒸气浓度提高，烟气辐射能力增强.增氧燃烧作为一种高效节能的燃烧技术，在国内外玻璃、水泥、冶金和能源等行业的工业锅炉和炉窑中得到广泛应用[1].大量的工程实践表明将传统的空气燃烧系统改造为增氧燃烧系统后，不仅提高了热效率和产量，减少了烟气量，还能够提高燃烧温度，增强火焰稳定性，强化传热，有效地降低NOx的排放[2-6].张家元等[7]在150 t/h电站煤粉锅炉上采用局部富氧助氧燃烧技术后，飞灰可燃物含量降低，锅炉效率提高，NOx的排放也降低.Du等[8]在气体扩散火焰研究中发现添加一定量的CO2稀释燃料能够有效抑制炭黑的生成.Guo等[9-10]研究了再循环烟气中添加CO2后产生的稀释效应、热效应以及化学效应对气体扩散火焰和柴油机燃烧过程中碳烟生成的影响.Zhou等[11]采用连续膜模型研究了O2/CO2气氛下不同效应对煤焦燃烧速率的影响，结果表明O2浓度效应占主导作用，其次是CO2化学效应，而热效应最低，三者影响的相对重要性分别为82.1%、11.2%和6.7%.目前，关于增氧燃烧过程中煤粉或焦炭燃烧特性的研究较少.在增氧燃烧过程中，O2和CO2体积分数明显提高，烟气中CO2气体会对煤粉燃烧产生不同的影响：CO2比热容较大使得气体温度降低，即产生热效应影响；同时CO2与焦炭发生气化反应，即产生化学效应影响.因此，笔者采用半数值半解析的连续膜模型研究增氧燃烧过程中CO2化学效应对煤焦颗粒燃烧特性的影响，并定量分析O2浓度效应、CO2化学效应及热效应三者对煤焦颗粒燃烧的重要性，为增氧煤粉燃烧器的开发和设计提供指导.

1 炭粒燃烧连续膜模型

1.1 连续膜模型

假设球形煤焦颗粒在无限大、静态的环境中燃烧，忽略颗粒内部扩散，则根据炭粒表面温度不同，炭粒与O2、CO2发生如下反应[12]：

(1)

(2)

而均相的总包反应则为

(3)

在准稳态条件下，气相的质量、能量、组分守恒方程为

(4)

(5)

对式(5)及边界条件[11-12]进行求解，可得到准稳态条件下炭粒燃烧半数值半解析的连续膜模型.

瞬态计算时颗粒表面温度随时间变化的方程为

(6)

颗粒半径的变化为

(7)

这样就得到瞬态炭粒燃烧连续膜模型，上述连续膜模型中使用的无量纲参数详见文献[11]和文献[12].

1.2 O2/CO2气氛下连续膜模型的验证

图1给出了Pittsburgh烟煤颗粒在环境温度为1 700 K时，不同O2体积分数(12%～36%)、O2/CO2气氛下颗粒表面温度计算值与实验值[13]的比较.计算中煤焦颗粒氧化反应、还原反应的指前因子和活化能分别为kO,S=4×106m/s，ES1=167.4 kJ/mol，kP,S=4×107m/s,ES2=251 kJ/mol.

图1 O2/CO2气氛下烟煤颗粒表面温度计算值与实验值的比较

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

由图1可知，当O2体积分数为12%时，由于低O2体积分数下C-O2反应速率和CO-O2反应速率均较小，颗粒表面温度较低，为1 850 K.而当O2体积分数提高到36%时，由于O2体积分数提高，C-O2反应速率和CO-O2反应速率均显著增大，颗粒表面温度提高到2 250 K，与此同时烟煤颗粒的着火时间和燃尽时间均提前.由图1还可知，颗粒表面温度的计算值与实验值吻合较好，两者最大相对误差为2.3%.

2 结果分析与讨论

相对于O2/N2气氛，O2/CO2气氛拥有较大的比热容、较小的O2扩散系数以及煤焦-CO2的气化反应，因此CO2的存在对煤焦颗粒燃烧产生了不同的影响.为了区分O2浓度效应、CO2化学效应及热效应对增氧燃烧过程中煤焦颗粒燃烧的影响，提出引入一定比例的Ar来调节煤焦颗粒表面温度并保持相同的O2体积分数来分离不同效应的方法，这是因为c(Ar)

2.1 O2体积分数对煤焦颗粒燃烧的影响

图2给出了环境温度为1 200 K时不同燃烧气氛下煤焦颗粒表面温度随时间的变化.由图2可知，21%O2/79%N2(其中2个百分数分别为对应组分的体积分数，下同)气氛下煤焦颗粒表面温度在2 244 K左右，而在26.5%O2/73.5%N2气氛下煤焦颗粒表面温度在2 398 K左右，比21%O2/79%N2气氛下高154 K.与21%O2/79%N2气氛下相比，26.5%O2/73.5%N2气氛下煤焦的着火时间和燃尽时间均提前.随着O2体积分数的提高，C-O2反应速率增大，煤焦着火提前.当煤焦着火以后，颗粒表面温度急速上升，燃烧速率更快，因此煤焦的燃尽时间缩短.

图2 不同燃烧气氛下煤焦颗粒表面温度随时间的变化

图3给出了环境温度为1 200 K时不同燃烧气氛下煤焦颗粒表面燃烧速率随时间的变化.随着煤焦颗粒表面温度逐渐升高，反应刚开始时在煤焦颗粒表面进行缓慢的氧化反应，随后燃烧速率逐渐增大，当颗粒表面温度达到某一温度后，颗粒表面温度急剧升高，燃烧速率迅速增大.当煤焦转化率为0.5时，21%O2/79%N2气氛下煤焦颗粒表面燃烧速率为4.5×10-9kg/s，而在26.5%O2/73.5%N2气氛下煤焦颗粒表面燃烧速率为5.9×10-9kg/s，为前者的1.3倍.O2体积分数的提高不仅使颗粒燃烧温度提高，而且加快了C-O2反应和CO-O2反应，加速了颗粒的燃烧，从而使其着火时间和燃尽时间均提前.

图3 不同燃烧气氛下煤焦颗粒表面燃烧速率随时间的变化

2.2 不同效应对煤焦颗粒燃烧的影响

在21%O2/79%N2气氛中添加一定量的CO2，并用Ar代替剩余的N2，使得 21%O2/79%N2气氛与21%O2/11%CO2/68%Ar气氛有相同的燃烧温度和O2体积分数，两者的燃烧速率差别仅反映了CO2与煤焦气化反应对煤焦颗粒燃烧的影响.在21%O2/79%N2气氛中添加11%CO2并提高O2体积分数，使得21%O2/79%N2气氛与26.5%O2/11%CO2/62.5%N2气氛有相同的燃烧温度，两者的燃烧速率差别反映了CO2化学效应和O2浓度效应对煤焦颗粒燃烧的影响.在21%O2/79%N2气氛中添加11%CO2以提高O2体积分数，并用Ar代替剩余的N2，使得21%O2/79%N2气氛与26.5%O2/11%CO2/62.5%Ar气氛的燃烧温度相差130 K，两者的燃烧速率差别反映了CO2化学效应、O2浓度效应及热效应对煤焦颗粒燃烧的综合影响.图4给出了环境温度为1 200 K，煤焦转化率为0.5时不同效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的相对贡献率.由图4可知，在O2体积分数从21%提高到26.5%的增氧燃烧条件下，O2浓度效应、CO2化学效应及热效应的相对贡献率分别为56.4%、25.7%和17.9%.在燃烧过程中，O2浓度效应占据着主导作用，这是因为O2体积分数的提高加速了C-O2反应，使得煤焦颗粒表面燃烧速率增大；而CO2化学效应则通过加速C-CO2反应来增大煤焦颗粒表面燃烧速率；热效应则由于燃烧温度升高了130 K而加快了C-O2反应速率和C-CO2反应速率.

图4 不同效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的相对贡献率

3 结 论

(1)在煤粉增氧燃烧过程中，当O2体积分数从21%提高到26.5%时，煤焦颗粒表面温度升高154 K，同时燃烧速率增大为原来的1.3倍，且着火时间和燃尽时间均提前.

(2)在增氧燃烧中添加一定量的CO2并采用Ar来调节燃烧温度，从而定量分析不同效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的相对贡献率，其中O2浓度效应对煤焦颗粒表面燃烧速率的影响占主导作用，其次是CO2化学效应，而热效应的影响最低，三者影响的相对贡献率分别为56.4%、25.7%和17.9%.

[1] BAUKAL C E Jr. Oxygen-enhanced combustion[M]. 2nd ed. Boca Raton, USA: CRC Press LLC, 2013.

[2] MARIN O, CHARON O, DUGUE J,etal. Simulating the impact of oxygen enrichment in a cement rotary kiln using advanced computational methods[J]. Combustion Science and Technology, 2001, 164(1): 193-207.

[3] 郑蕾, 康子晋, 张蕾, 等. 增氧燃烧的原理及其在热能工程中的应用[J]. 工业锅炉, 2004(3): 10-14.

ZHENG Lei, KANG Zijin, ZHANG Lei,etal. The theory and application of oxygen-enhanced combustion[J]. Industrial Boiler, 2004(3): 10-14.

[4] BEJARANO P A, LEVENDIS Y A. Combustion of coal chars in oxygen-enriched atmospheres[J]. Combustion Science and Technology, 2007, 179(8): 1569-1587.

[5] 王春波, 陆泓羽, 雷鸣, 等. 微富氧条件下煤粉燃烧及NO生成特性的研究[J]. 动力工程学报, 2012, 32(8): 617-622, 628.

WANG Chunbo, LU Hongyu, LEI Ming,etal. Characteristic study on pulverized coal combustion and NO formation under air enrichment conditions[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012, 32(8): 617-622, 628.

[6] DAOOD S S, NIMMO W, EDGE P,etal. Deep-staged, oxygen enriched combustion of coal[J]. Fuel, 2012, 101: 187-196.

[7] 张家元, 周孑民, 阳绍伟, 等. 煤粉锅炉膜法富氧局部助燃技术开发及应用[J]. 热能动力工程, 2007, 22(4): 391-394.

ZHANG Jiayuan, ZHOU Jiemin, YANG Shaowei,etal. Development and applied research of local combustion-supporting technology involving a membrane-method-based oxygen enrichment for pulverized coal-fired boilers[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2007, 22(4): 391-394.

[8] DU J, AXELBAUM R L. The effect of flame structure on soot-particle inception in diffusion flames[J]. Combustion and Flame, 1995, 100(3): 367-375.

[9] GUO Hongsheng, MIN Jiesheng, GALIZZI C,etal. A numerical study on the effects of CO2/N2/Ar addition to air on liftoff of a laminar CH4/air diffusion flame[J]. Combustion Science and Technology, 2010, 182(11): 1549-1563.

[10] AL-QURASHI K, LUEKING A D, BOEHMAN A L. The deconvolution of the thermal, dilution, and chemical effects of exhaust gas recirculation (EGR) on the reactivity of engine and flame soot[J]. Combustion and Flame, 2011, 158(9): 1696-1704.

[11] ZHOU Yuegui, JIN Xudong, JIN Qiye. Numerical investigation on separate physicochemical effects of carbon dioxide on coal char combustion in O2/CO2environments[J]. Combustion and Flame, 2016, 167: 52-59.

[12] MAKINO A, LAW C K. Quasi-steady and transient combustion of a carbon particle: theory and experimental comparisons[C]//Twenty-First Symposium (International on Combustion). Amsterdam, Nederland: Elsevier, 1988: 183-191.

[13] SHADDIX C R, MOLINA A. Particle imaging of ignition and devolatilization of pulverized coal during oxy-fuel combustion[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2091-2098.

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

国家自然科学基金资助项目(51276110, 51576128)

金旭东(1986-)，男，上海人，博士研究生，主要从事富氧煤粉燃烧方面的研究. 周月桂(通信作者)，男，教授，博士，电话(Tel.)：021-34207660；E-mail：ygzhou@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2016)12-0941-04

TK16

A 学科分类号：470.20