不同過氧系數下煤粉MILD－Oxyfuel燃燒的數值模擬

潘 聰， 張立麒， 毛志慧， 鄭楚光

（華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，武漢430074）

我國是一個以煤炭為主要一次能源的國家，2013年煤炭在一次能源消費中占67.5%，CO2排放量為9 524.3百萬噸，比2012年增加了4.2%，占世界CO2排放量的27.1%［1］.我國面臨著嚴峻的碳減排壓力.在眾多的碳減排技術中，富氧燃燒被認為是目前較易實現大規模CO2富集和減排的技術之一［2］.然而研究表明，由于燃燒氣氛中高濃度CO2氣體的存在，煤粉的富氧燃燒往往面臨著火延遲、燃燒不穩定等本質困難［3］.

MILD（Moderate or intense low oxygen dilution）燃燒被譽為21 世紀最有前景的燃燒模式之一，它最主要的特征就是在爐膛內部存在強烈的煙氣回流，高溫煙氣稀釋并預熱反應物，使反應物分布范圍更大更均勻，反應更加緩慢，從而降低局部高溫，使爐膛溫度趨于均勻，有利于穩定燃燒，同時可大幅降低NO 的生成量［4－5］.

針對煤粉富氧燃燒的本質困難和MILD 燃燒的特點，筆者提出了一種創新型的MILD－Oxyfuel燃燒方式［6］，該燃燒方式將煤粉MILD 燃燒與富氧燃燒相結合，優勢互補，以期捕獲CO2的同時又能達到穩定燃燒、提高效率、降低NO 生成量的目的.

煤粉MILD－Oxyfuel燃燒的本質仍是富氧燃燒，制氧成本仍然是制約該技術大規模商業應用的主要障礙之一.如一臺600 MW 的富氧燃燒煤粉鍋爐，每小時需要消耗純氧200多噸［7］.如能在保證不降低燃燒效率的前提下，盡量減小過氧系數，將大大降低制氧的初始投入成本和后期運行成本.由于MILD 燃燒本身具有低氧濃度燃燒的特征，符合減小過氧系數的預期目的.筆者以CFD 數值模擬為研究手段，研究不同過氧系數對煤粉MILD－Oxyfuel燃燒的影響，為這種新型燃燒方式的實際工業應用提供理論參考.

1 研究對象

模擬對象為華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室0.3 MW 豎直實驗爐.該實驗爐爐膛為豎直圓柱狀，內徑為600mm，壁厚為300mm，爐長為6 000 mm.實驗爐采用MILD 直流燃燒器，二次風兩側對稱布置.實驗爐爐膛及沿爐膛高度（z 軸）方向測點的布置見圖1，其中坐標軸原點位于爐膛頂部中央.實驗爐的設計煤種為煙煤，其煤質分析見表1.

圖1 實驗臺架和測點布置示意圖Fig.1 Photo of the experimental platform and arrangement of relevant measurement points

表1 煤質分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal samples %

2 模擬參數設置

2.1 網格的生成

采用Gambit進行三維網格的劃分，用六面體結構化網格來保證網格質量滿足計算精度的要求.因為模擬對象為對稱結構，為進一步提高計算精度及計算速度，筆者只模擬四分之一爐膛.考慮到MILD 燃燒的復雜性以及燃燒器區域流動、反應復雜，對燃燒器區域的網格進行了加密.最后生成的四分之一爐膛體網格數約為60萬.

2.2 計算模型

煤粉MILD 燃燒是一個涉及流動、反應、輻射等多個復雜物理化學的過程，不僅要考慮常規燃燒過程中揮發分的熱解、焦炭的燃燒，更要考慮湍流與化學反應之間的相互作用.MILD 燃燒較常規燃燒具有更大的燃燒區域，反應物濃度降低，反應速率降低，湍流混合強度增大，化學反應速率需與反應物湍流混合速率相匹配.已有研究證明，渦耗散概念（EDC）模型對MILD 燃燒過程的描述更加準確［8］，所以湍流與化學反應的相互作用采用EDC模型.采用標準κ－ε湍流模型模擬氣相流動，煤粉的脫揮發分過程采用雙速率競爭模型，煤粉顆粒采用多步表面反應模型.由于MILD 燃燒情況下焦炭顆粒表面附近氧濃度低，CO2和H2O 濃度較高，所以共考慮8步化學反應，即H2O.煤粉顆粒相采用隨機軌道模型，粒度大小按照Rosin－Rammler分布特性分布［9］.爐內的輻射傳熱模型采用DO 輻射模型［10］，該模型適用于廣泛的光學厚度，更加適合MILD 燃燒輻射特性.

煤粉燃燒時NO 的生成主要有3種途徑，即熱力型、快速型和燃料型，筆者考慮了三者以及中間產物N2O 途徑和NO 爐內還原途徑.熱力型NO 途徑和中間產物N2O 途徑均采用局部均衡假設，燃料型NO 途徑假設揮發分氮和焦炭氮均首先全部轉化為HCN，NO 爐內還原途徑主要考慮CmHn的還原作用［9，11］.

2.3 邊界條件的設置

入口條件設置為速度入口，參照文獻［12］和文獻［13］的設定，煤粉燃燒在二次風風溫1 500K，風速80m／s時，可以認為已達到MILD 燃燒，故工況2～工況9設置一次風風溫為343K，一次風風速為10m／s，二次風風溫為1 500 K，二次風風速為80 m／s；工況1為煤粉常規旋流燃燒（以下簡稱空氣常規）方式，一次風風速為20m／s，一次風風溫為343 K，二次風風速為35 m／s，二次風風溫為573K.工況1～工況9的給粉量均為36.4g／h.爐膛壁面采用定溫設置，溫度為1 200K，輻射率為0.6.出口設置為壓力出口.

2.4 各工況的過氧系數

總共計算9個工況，其中工況6～工況9 為煤粉MILD－Oxyfuel燃燒方式，一次風和二次風均由21%體積分數的O2和79%體積分數的CO2組成.為了對比分析，在不同工況下，通過改變二次風噴口橫截面積來改變過氧系數，以保證其余的參數不變.各工況過氧系數及燃燒方式見表2.

表2 各工況過氧系數及燃燒方式Tab.2 Excess oxygen coefficient and mode of combustion under different cases

3 計算結果與分析

3.1 計算結果與實驗驗證

為驗證模擬的準確性，對空氣氣氛下的煤粉MILD 燃燒進行了實驗研究，采用工況2的條件.圖2給出了爐膛中心線上軸向溫度模擬值與實驗值的對比.由圖2可以看出，燃燒器噴口到軸向z＝3m之間，軸向溫度模擬值與實驗值整體分布趨勢接近，大小吻合較好.爐膛軸向z＝3m 之后，由于鋪設有水冷壁以保護爐膛，實驗過程中大量冷水通過水冷壁帶走熱量，導致實驗值要比模擬值偏低.實驗中工況2 下爐膛出口NO 體積分數模擬值為1.8×10－4，實驗值為1.7×10－4，兩者的誤差僅為5.9%，屬于可接受范圍.圖3給出了工況2下爐膛中心線上CO 體積分數模擬值與實驗值的對比.由圖3可以看出，CO 體積分數實驗值與模擬值的整體分布相似，實驗值比模擬值整體偏高2×10－4左右，這可能與實驗過程中煤粉未完全燃盡有關.總體而言，通過模擬得到的溫度、爐膛出口NO 體積分數和爐膛中心線上CO 體積分數與對應實驗值的吻合度均較高，表明所采用的計算模型和模擬方法適用于煤粉MILD 燃燒.

圖2 爐膛中心線上軸向溫度模擬值與實驗值的對比Fig.2 Comparison of axial temperature along furnace center line between simulated and experimental data

圖3 爐膛中心線上CO 體積分數模擬值與實驗值的對比Fig.3 Comparison of CO volumetric concentration along furnace center line between simulated and experimental data

3.2 爐膛中心線上軸向溫度分布

圖4 給出了過氧系數均為1.20的工況1、工況2和工況6下爐膛中心線上的溫度分布.由圖4可知，3個工況下爐膛中心線上的最高溫度分別為1 750K、1 605K 和1 595K，其中最高溫度到尾部的溫度波動范圍分別為1 750～1 100 K、1 605～1 350K 和1 595～1 380K.可見工況2下爐膛中心線上的最高溫度要比工況1低145K 左右，爐膛軸向溫度分布變得均勻，溫度波動只有255K 左右，比工況1降低了近400K，這與文獻中研究結果［13－14］相似.而工況6下爐膛中心線上的最高溫度又比工況2低10K 左右，在軸向距離2m 之后，工況6下溫度略高于工況2，爐膛軸向溫度分布更加均勻，溫度波動僅為215K 左右.這是因為MILD 燃燒時，由于強烈的煙氣回流降低了局部高溫，使爐膛軸向溫度趨于均勻，而MILD－Oxyfuel燃燒方式下，因CO2比熱容較大，高濃度CO2的存在會使局部高溫進一步降低，同時高濃度CO2對燃燒反應具有抑制作用，使燃燒反應更加緩和，分布范圍更廣，熱量釋放的范圍更廣，導致爐膛軸向溫度分布更加均勻.此外，由模擬結果可知，工況1 下最高溫度橫截面在z＝0.20m處，工況2 和工況6 下最高溫度橫截面在z＝0.60m 處，可見MILD 燃燒高溫區域會向爐膛軸向推遲［15］，反應范圍更廣.

圖4 爐膛中心線上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution along furnace center line

3.3 爐膛各橫截面徑向溫度分布

為比較徑向溫度分布情況，圖5給出了工況1、工況2和工況6下爐膛最高溫度所在橫截面的徑向溫度分布.由圖5可以看出，工況1、工況2和工況6下徑向溫度波動范圍分別為1 000～2 000K、1 500～1 800K 和1 500～1 650K.MILD 燃燒和MILDOxyfuel燃燒均比空氣常規燃燒的最高溫度低，徑向溫度分布更加均勻，而MILD－Oxyfuel燃燒又比MILD 燃燒的最高溫度更低，徑向溫度分布也更加均勻.

圖5 最高溫度橫截面的徑向溫度分布Fig.5 Radial temperature distribution on the cross section with maximum temperatures

圖6 給出了MILD 燃燒各橫截面的溫度分布，其中7個橫截面z分別為0.58m、0.90m、1.24m、1.90m、2.90 m、3.90 m 和4.90 m.由圖6 可知，MILD 燃燒下，z＝0.58m 處，工況2～工況5下的最高溫度依次降低，其中工況2和工況3的溫度分布相似，工況4和工況5在距中心線0.15m 范圍內的溫度分布分別比工況2低40K 和80K，在距壁面0.15m 范圍內，分別比工況2高50K 和60K，可見工況4 和工況5 下的溫度分布更加均勻.在z＝0.90m、z＝1.24m 和z＝1.90m 處，工況2、工況3和工況5下的溫度分布相似，工況4下的溫度分布比其他3種工況都高.在z＝2.90m、z＝3.90 m 和z＝4.90m 處，4種工況下的溫度分布相似.由此可知，工況2和工況3下的溫度分布相似，工況4比工況2、工況3 下的溫度分布更均勻：在爐膛前部，工況4下的溫度要低于工況2；在爐膛中部，工況4下的溫度則更高；而到了爐膛尾部，工況4與工況2下的溫度分布相似.這是因為當過氧系數減小到1.10時，氧濃度降低，導致燃燒化學反應速率降低，而反應物湍流混合速率不變，從而化學反應速率與反應物湍流混合速率之間的差距縮小，反應物得以充分擴散，從而分布更加彌散，有利于MILD 燃燒.工況5比工況2下的爐膛整體溫度分布偏低，這是由于當過氧系數減小到1.05 時，由于氧濃度過低，燃燒不充分所致.

圖6 MILD燃燒各橫截面的溫度分布Fig.6 Temperature distribution on various cross sections in MILD combustion mode

圖7給出了MILD－Oxyfuel燃燒各橫截面的溫度分布.對比圖6與圖7可知，在各橫截面處，工況6～工況9下的溫度分布與工況2～工況5下的溫度分布相似，過氧系數對MILD－Oxyfuel燃燒方式和MILD 燃燒方式的影響相似.但是工況6～工況9下的整體溫度比工況2～工況5低，溫度波動范圍減小，可見MILD－Oxyfuel燃燒方式下的整體溫度要比MILD 燃燒方式更低，溫度分布更加均勻，這是因為MILD－Oxyfuel燃燒方式下CO2濃度較高，CO2為三原子氣體，熱輻射能力強，同時高溫下CO2的比熱容遠大于N2，吸收相同熱量時的溫升更小，同時高濃度CO2氣氛會使煤粉燃燒反應速率降低，有利于MILD 燃燒.

圖7 MILD－Oxyfuel燃燒各橫截面的溫度分布Fig.7 Temperature distribution on various cross sections in MILD－Oxyfuel combustion mode

3.4 CO 體積分數分布

圖8 給出了工況2～工況9 下爐膛中心線上CO 體積分數的對比.由圖8可以看出，工況6下的CO 體積分數峰值最大，約為1.4×10－3，工況9下的CO 體積分數峰值最小，約為9×10－4，這可能是因為工況6下爐內CO2體積分數大幅提高，C（s）＋氣化反應增強，導致CO 體積分數峰值增大，而工況9的局部高溫在工況2～工況9中最低，不利于CO 生成［16］.圖9給出了工況2～工況9下爐內CO 平均體積分數的對比.由圖9可以看出，相同過氧系數時，煤粉MILD－Oxyfuel燃燒方式下的爐內CO 平均體積分數比煤粉MILD 燃燒方式下略高；相同燃燒方式下，爐內CO 平均體積分數隨著過氧系數的減小而升高，在過氧系數為1.10時爐內CO 平均體積分數最低.這可能是因為相同過氧系數時，煤粉MILD－Oxyfuel燃燒方式下CO2體積分數大幅提高，氣化反應增強導致爐內CO 平均體積分數有所升高；相同燃燒方式下，隨過氧系數減小爐內氧體積分數降低，氧化反應減弱，氣化反應增強導致爐內CO 平均體積分數提高；而過氧系數為1.10時MILD 燃燒作用增強，爐內反應物混合更加均勻，彌散程度更高，氧分布更加均勻，從而導致CO氧化反應增強，氣化反應減弱，使爐內CO 平均體積分數降低.總體而言，CO 體積分數分布與前文溫度分布相符，進一步說明了過氧系數為1.10時有利于MILD 燃燒.

圖8 不同工況下爐膛中心線上CO 體積分數的對比Fig.8 Comparison of CO volumetric concentration along furnace center line among different working conditions

圖9 不同工況下爐內CO 平均體積分數的對比Fig.9 Comparison of average CO volumetric concentration in the furnace among different working conditions

3.5 NO 體積分數分布

圖10 給出了不同工況下爐膛中心線上的NO體積分數分布.由圖10可以看出，工況1下爐膛中心線上的NO 體積分數最高，接近2.6×10－4，工況2～工況4以及工況6～工況8下爐膛中心線上的NO 體積分數主要集中在（1.6～1.8）×10－4，由此可見MILD 燃燒方式下的NO 體積分數要比空氣常規燃燒方式下降低了近40%.這主要是因為MILD 燃燒降低了爐膛局部高溫，大大減小了熱力型NO 的生成量.MILD 燃燒和MILD－Oxyfuel燃燒產生的NO 體積分數接近，這2種燃燒方式下產生的NO 主要來源于燃料型NO，工況2～工況4以及工況6～工況8下的NO 體積分數相差不大，說明在貧燃料燃燒情況下，過氧系數的變化對NO 體積分數的影響不大.工況5和工況9的過氧系數均為1.05，NO 體積分數分別約為1.5×10－4和1.4×10－4，比其他工況下的NO 體積分數低，這可能是因為工況5和工況9的燃燒效率不高，有部分煤粉未完全燃燒，導致NO 生成量偏低.

圖10 不同工況下爐膛中心線上NO 體積分數分布Fig.10 Distribution of NO volumetric concentration along furnace center line under different working conditions

4 結 論

（1）煤粉MILD 燃燒的最高溫度比空氣常規燃燒低200K 左右，且溫度分布均勻，溫度的波動要比空氣常規燃燒低400K 左右，而MILD－Oxyfuel燃燒的最高溫度又比MILD 燃燒低，溫度分布更加均勻.

（2）過氧系數對煤粉MILD 燃燒的影響較大，過氧系數為1.20和1.15時，燃燒較為充分，溫度分布相似；當過氧系數減小為1.10時，CO 體積分數分布更加彌散，爐內CO 平均體積分數更低，溫度分布更加均勻，有利于MILD 燃燒；當過氧系數為1.05時，爐膛整體溫度偏低，燃燒不充分.

（3）MILD－Oxyfuel燃燒能降低40%的NO 體積分數，過氧系數從1.20減小到1.10對NO 體積分數的影響不大，過氧系數為1.05時，由于煤粉燃燒不完全，NO 體積分數有所降低.

（4）從利于煤粉穩定燃燒、提高效率、降低NO體積分數以及減少純氧消耗量的角度而言，MILDOxyfuel燃燒方式下可以將過氧系數減小到1.10～1.15，以保證煤粉的更充分燃燒，使反應物分布更加彌散，爐膛溫度分布更均勻，有利于燃燒穩定.

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