300 MW 四角切圆锅炉在O2/CO2气氛下的燃烧与传热特性数值模拟研究

李 宁，葛家楠，汪健生

（1.河北省特种设备监督检验研究院 沧州分院，河北 沧州，061000；2.天津大学 机械工程学院 中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津，300072）

0 概述

燃煤电厂是CO2气体排放的主要来源之一，针对碳减排的严峻形势，考虑采用富氧燃烧技术，将传统电厂锅炉改造和碳捕集与封存技术［1］相结合，回收利用液态CO2，从而缓解温室效应。与此同时，由于将空气中79%的N2替换为烟气再循环中的CO2和H2O，可以有效减少热力型NOx的生成［2］，有利于减少污染物的排放，因此富氧燃烧技术成为热力发电行业关注的重点。

现已有不少关于O2/CO2气氛下煤燃烧的研究。Horbaniuc 等人［3］计算评估了富氧环境对锅炉设计的影响，发现富氧气氛有利于提高低挥发分煤的燃烧，并且烟道和火焰的温度相对于空气气氛下更高，从而减少传热面积。韦耿等人［4］通过数值模拟的方法对比了200 MW 切圆锅炉和对冲锅炉的燃烧特性，模拟结果表明在炉膛温度均匀性方面，前者优于后者，而在避免结焦和水冷壁腐蚀方面，后者优于前者。龚正［5］采用实验的方法，研究了富氧气氛下30 kW 加压流化床对污染物排放的影响，实验结果表明，烟煤和无烟煤在富氧条件下NOx的排放量都有不同程度的减少，其影响因素可以归结为O2体积分数、压力以及床层温度。郭军军等人［6］对我国35 MW 煤粉富氧燃烧工业示范进行了调研，结果表明实现空气气氛和富氧气氛的改造是可行的。

虽然已有一些工程实践［7-8］将富氧燃烧用于锅炉改造，但都是一些中小吨级的应用。为了进一步在大型锅炉改造中推广富氧燃烧技术，使其既能适应空气气氛，又能在O2/CO2气氛下燃烧保持稳定，尽可能利用现有设备、降低改造成本，本文对300 MW 四角切圆煤粉炉进行了数值模拟研究。通过调整进入炉膛的循环烟气和O2的体积分数比例，对比空气气氛下和O2/CO2气氛下炉膛的燃烧特性和传热特性，使得改造后的锅炉能保持燃烧的稳定性。

1 数学模型

本文研究对象为300 MW 四角切圆煤粉炉，锅炉为π 型布置、悬吊结构。由于建模不可能将锅炉的具体细节一一实现，因此锅炉的壁面设置为无壁厚的恒温壁面。炉膛横截面（炉宽×炉深）尺寸为14 m×14 m。制粉系统采取直吹式，四台磨煤机正常工作将煤粉利用一次风吹入炉膛。燃烧器布置在炉膛的四角，燃烧器中心线和炉膛壁面的夹角为48°和42°。锅炉和燃烧器布置如图1 所示。其中，一、二、三次风在图1 中用A—H 表示，炉膛上方依次布置了分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器与再热器、垂直低温过热器、立式低温过热器、水平低温过热器与省煤器。

图1 锅炉和燃烧器布置Fig.1 Boiler and the arrangement of burners

网格划分方式采取非结构化方法，网格总数为157 万个，网格处理如图2 所示。煤种选用褐煤，其煤质分析如表1 所示。数值模拟采用三维稳态算法，带旋流修正的Realizablek-ε湍流模型，辐射模型选用P1。气固两相流为欧拉-拉格朗日方法随机轨道模型。对于燃烧而言，采取组分输运模型，湍流化学反应为涡耗散（EDM）模型。焦炭颗粒符合Rosin-Rammlar 规律，最小粒径为10−5m，最大粒径为2×10−4m。压力速度耦合方式为SIMPLE 算法，压力离散方式为Standard 格式。动量离散方式先在一阶迎风格式下达到收敛后，再修改为二阶迎风格式，进行精细计算。

表1 煤质分析Tab.1 Analysis of coa

图2 网格划分Fig.2 Mesh division

气相的边界条件设置为，一次风的进口速度为27 m/s，一次风温为343 K，二次风速度为47 m/s，二次风温为634 K，三次风速为30 m/s，三次风温为412 K。颗粒相的总送煤量为41.88 kg/s，进口温度为一次风温。出口边界条件为压力出口，回流温度为603 K。其中为简化计算，锅炉的壁面都采用了第一类边界条件，其取值如表2 所示。为使改造后的锅炉能够在空气气氛和O2/CO2气氛中达到兼容，调节φ(O2)/φ(CO2)（O2和CO2的体积分数比）的值与空气进行对比，共模拟了空气，φ(O2)/φ(CO2)分别为21/79、25/75、29/71四种工况进行了分析讨论，其运行参数如表3 所示。锅炉的运行参数如表4 所示。

表2 壁面边界条件Tab.2 Wall boundary conditions

表3 工况设计Tab.3 Working conditions

表4 锅炉运行参数Tab.4 Boiler operating parameters

2 计算结果讨论

2.1 燃烧特性

为保证锅炉稳定运行，应避免火焰温度过高，由此生成氮氧化物、硫化物冲击水冷壁造成高温腐蚀。同时，应该使炉膛在空气和O2/CO2气氛中保持相似的流场和温度场，实现炉膛在两种模式之间的切换。如图3 所示，为炉膛横截面平均温度、O2体积分数以及颗粒燃尽率随炉膛高度的变化。对比工况1 和工况2，即在相同的O2体积分数下，富氧燃烧比在空气气氛下的平均温度低。工况2—工况4 在燃尽区的温度差别不大。在富氧条件下，O2均是在一次风C 进口处消耗最快，之后由其他进口补充，O2体积分数又有所回升。在空气气氛下，O2是在二次风F 进口处才有急剧的下降，表现出和O2/CO2气氛下不同的燃烧特性。对比工况1 和工况2 的颗粒燃尽率，可以发现N2被替换为CO2后，除在燃烧器底面测点，其余观测点处的燃尽速率变大了，这是CO2不对称的三原子结构的辐射特点决定的［9］。值得注意的是，在冷灰斗处，空气气氛下颗粒未被卷吸上升就已经开始燃烧。离开燃烧室后，仍有一定量的煤炭颗粒进行着燃烧反应，说明空气气氛下的燃烧相对富氧条件下较为缓慢。对比工况2—工况4，O2体积分数越大，在燃烧室内的反应越剧烈。观察工况4，颗粒的燃尽率在炉膛内梯度很大，甚至在未出燃烧室燃尽速率就已经变为0，这也说明增加氧浓度能使煤炭颗粒更快反应完全。

图3 横截面各参数随炉高变化的平均值Fig.3 The average value of cross section parameters varying with furnace height

表5 给出了四种工况下的炉膛出口参数。在相同的进口O2体积分数下，炉膛出口速度和烟温都有不同程度的升高。空气气氛下虽然进口O2体积分数相同，但以CO2代替N2使出口的O2体积浓度不尽相同。随着O2体积分数的不断提高，其出口速度和烟温逐渐减小。较大的排烟量和排烟温度会使排烟热损失增大。提高O2体积分数使排烟量和排烟温度同时降低意味着排烟热损失变小，这有利于提高锅炉热效率。对比工况1 与富氧燃烧下的三种工况，可以发现工况3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 时，能够达到和空气气氛下相似的出口烟气量及烟气温度。根据上文分析，工况3 的温度梯度也小于工况4，说明在研究的几种工况中，工况3 是最接近空气的场分布。同时，采用富氧燃烧，炉膛出口的CO2体积分数很高，在80%～90%之间，有利于后续回收液态的CO2，实现低碳排放。

表5 炉膛出口参数Tab.5 Outlet parameters of the furnace

图4 为工况1—工况4 煤炭颗粒在炉膛中的停留时间轨迹图。在四种工况下，煤炭颗粒均保持着旋流上升的趋势。在富氧环境中，煤颗粒在炉膛中的平均停留时间均比在空气气氛下的平均停留时间更长，这说明富氧条件是有利于煤粉充分燃烧的。四种工况下，煤粉颗粒的平均停留时长分别为11.0 s，14.3 s，11.1 s以及16.2 s。从燃烧的充分性方面来说，φ(O2)/φ(CO2)=29/71 时煤粉燃烧更完全。从与空气气氛的相似性方面来说，φ(O2)/φ(CO2)=25/75 时，煤粉颗粒分布与工况1 更接近。

图4 工况1—工况4 煤炭颗粒停留时间Fig.4 Coal particle residence time in working condition 1—condition 4

2.2 传热特性

图5 为工况1—工况4 壁面热负荷云图。由图5（a）可知，在空气气氛下，热流密度最大的区域在燃烧室中心，最大达到了−4.61×105W/m2。一次风将煤粉颗粒输运到燃烧室发生剧烈的化学反应，在燃烧室内基本已经燃烧完全，之后随着炉膛的升高，烟气与过热器、换热器以及水冷壁进行对流换热和辐射换热，其换热能力不及颗粒燃烧时的辐射能力，因此热流密度也逐渐降低。在富氧条件下，由于CO2的辐射能力比N2强，在燃烧室内就已经辐射了大量的热量，所以在离开燃烧室后的烟道中，工况2—工况4 的壁面热负荷均不及工况1。同时，对比工况1 与工况2，工况2 的火焰中心明显上移，此种现象会导致着火延迟，降低燃烧的稳定性。工况2—工况4 的最大热流密度分别为−4.23×105W/m2、−4.53×105W/m2和−4.93×105W/m2。随着氧浓度的逐渐增大，壁面热负荷随之增大，同时火焰中心也逐渐回落，说明提高氧浓度有利于换热并提高燃烧的安全性和稳定性。

图5 工况1—工况4 壁面热负荷Fig.5 Heat flux in working condition 1—condition 4

图6 为工况1—工况4 分隔屏过热器和后屏过热器的热流密度和辐射热流密度图。由图6（a）可知，在同样的高度上，后屏过热器吸收的热量明显小于分隔屏过热器。在不同的工况下辐射热流密度表现出和总热流密度相似的趋势，并且辐射热流占了总热流的60%～85%，辐射传热占主导地位。对比空气气氛与富氧环境下的热流分布，富氧环境中的热流梯度更小，说明了富氧条件下在燃烧室内的高温区就已经进行了强烈的热量交换，达到烟道后，辐射换热强度没有之前那么剧烈了。

图6 工况1—工况4 分隔屏过热器和后屏过热器的热流密度和辐射热流密度图Fig.6 Heat flux and radiant heat flux diagram of separated screen superheater and rear screen superheater from working condition 1—condition 4

如图7 所示，其定量化显示了烟道和各个过热器与再热器的传热量和辐射传热量。不论是在空气气氛还是在富氧条件下，烟道吸收了绝大部分的热量，其他过热器与再热器吸收热量的差距不大，并且辐射传热相对于对流传热来说，其在炉膛中是主要的传热方式。增大O2的入炉份额，过热器和再热器的传热份额略有减少。在燃尽区及之后的炉膛中，空气气氛下的换热强于富氧环境。在工况1 下，烟道的传热量和辐射传热量都比工况2—工况4 的传热量要大，这和图5 的云图显示一致。

图7 工况1—工况4 烟道和各过热器与再热器的传热量与辐射传热量Fig.7 Heat transfer and radiation transfer in flue and superheater and reheater in working condition 1—condition 4

3 结论

本文对300 MW 四角切圆燃烧亚临界煤粉炉进行了数值模拟。为使改造后的锅炉能在空气气氛和O2/CO2气氛下兼容，利用现有设备、节约了改造成本，对四种工况下的燃烧特性和传热特性进行了研究，得到如下结论：

（1）在保持相同的O2体积分数时，富氧条件下的炉膛横截面平均温度低于空气气氛下的平均温度。空气气氛下的横截面平均O2体积分数表现出和富氧条件下不同的趋势。从颗粒燃尽率方面来说，增大氧浓度使煤炭颗粒未离开燃烧室就已反应完全。

（2）从炉膛出口参数和煤炭颗粒在炉膛中的停留时间方面来说，工况3，即φ(O2)/φ(CO2)=25/75 时，能够达到和空气气氛下相近的出口烟气速度和出口烟气温度以及停留的时间。增加入炉O2的体积分数能使煤颗粒有更小的排烟热损失，进行更充分的燃烧。

（3）从热负荷角度来说，以CO2代替N2使得燃烧室内的火焰中心上移，这意味着着火的推迟和燃烧的不稳定。增大O2的体积分数可以使火焰中心回落，增强燃烧的安全性与稳定性。同时，以分隔屏过热器和后屏过热器为例，说明了辐射换热在换热过程中占主导。富氧燃烧在燃尽区之后的炉膛中，空气气氛下炉膛内的换热都强于富氧条件下的换热。