SBS-Ⅱ型富氧燃燒鍋爐數值模擬與優化

王　鵬，　柳朝暉，　廖海燕，　李延兵，　黃　軍，　陳寅彪

(1. 神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025；2. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室， 武漢 430074； 3. 神華集團國華電力公司， 北京 100025)

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SBS-Ⅱ型富氧燃燒鍋爐數值模擬與優化

王鵬1，柳朝暉2，廖海燕1，李延兵1，黃軍1，陳寅彪3

(1. 神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025；2. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室， 武漢 430074； 3. 神華集團國華電力公司， 北京 100025)

以SBS-Ⅱ型富氧燃燒中試鍋爐為研究對象，對燃燒過程的反應機理和物性參數進行了分析和修正，采用數值模擬方法對爐膛富氧燃燒的流場和溫度場進行了研究.結果表明：富氧燃燒下煤粉隨一次風氣流與二次風氣流混合后的燃燒更為劇烈，26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場分布與空氣燃燒下基本保持一致，能夠實現傳熱特性相匹配；隨著到燃燒器擴口距離的增加，中心回流量呈現先增大后減小的趨勢，最大回流量對應的位置基本一致，旋流強度為0.8時的回流量最大，穩燃效果明顯且煤粉燃盡率較高.

富氧燃燒； 中心內回流區； 旋流強度； 燃盡率； 總包反應

國家提出的“十二五”期間降低溫室氣體排放強度的主要目標為：到2015年，單位國內生產總值二氧化碳排放要比2010年降低17%.圍繞這一目標，國家鼓勵加快碳捕集、利用和封存的應用基礎研究和試驗示范工作[1].

富氧燃燒技術(Oxy-fuel Combustion Technology)能夠實現CO2富集以及SO2和NOx等污染物的一體化協同脫除[2-3].對于改造或新建的大型富氧燃燒電站，由于采用富氧循環燃燒不僅具有較好的技術兼容性，而且在運行的經濟成本上還有一定優勢，這種燃燒技術正逐漸成為一種具有發展潛力的碳減排技術[4-5].

由于具有復雜的、區別于常規空氣燃燒的物性參數、化學反應機理、湍流燃燒化學反應相互作用和輻射熱傳遞等問題[6]，富氧燃燒數值計算已經成為當前研究的熱點和難點[7].

筆者對空氣燃燒湍流模型、輻射熱傳遞方法、揮發分均相燃燒和焦炭非均相燃燒反應模型進行富氧燃燒的改進和物性參數修正，提高湍流燃燒化學反應相互作用模型的預測準確性.在二次風旋流強度運行范圍內，研究富氧燃燒火焰的形狀和穩定性、中心內回流以及煤粉燃盡率的變化規律.

1　數學模型和方法

1.1幾何模型和網格劃分

建立爐膛和燃燒器模型的三維全尺寸網格，網格均采用六面體結構.在靠近爐膛壁面處均考慮了網格加密，同時使從燃燒器出來的氣流方向盡量與網格線垂直，這樣能有效避免偽擴散的產生，同時考慮到燃燒器部分網格相對密集，爐膛部分網格相對比較稀疏，所以在擴口處進行了前密后疏的處理.爐膛和燃燒器的幾何模型和網格劃分如圖1所示.由圖1可知，網格的質量良好，網格總數為362 513，最大的扭曲率為0.75.

圖1SBS-Ⅱ型鍋爐的幾何模型和網格劃分

Fig.1Geometric model of the SBS-II boiler and its grid division

SBS-Ⅱ型鍋爐為1.8 MW富氧燃燒中試鍋爐，建立其計算幾何模型，高度沿y軸方向，高度為6.10 m；寬度沿z軸方向(右墻為正方向，左墻為負方向)，寬度為1.22 m；深度沿x軸方向(前墻為0，后墻為正方向)，深度為1.83 m.采用旋流燃燒器，即富氧模式下中心噴氧：內、外二次風環面積分別為1.03×10-2m2和1.49×10-2m2，一次風環面積為3.30×10-3m2，氧槍噴口面積為7.08×10-4m2.

1.2計算模型及參數

煤粉燃燒主要經歷3個階段：煤粉受熱脫除揮發分、揮發分受熱燃燒發生均相化學反應、焦炭受熱后顆粒表面與周圍氣體發生非均相燃燒反應.湍流流動過程計算采用雷諾應力模型(Reynolds Stress Model，RSM)，湍流燃燒模型采用有限速率-渦耗散模型(Finite-Rate and Eddy-Dissipation Model，FRED)，組分傳遞模型考慮7種氣體組分(如CxHyOz、CO2、CO、H2O、O2、H2和N2)和固體碳顆粒組分.

氣體間的均相化學反應由氣相反應機理R1～R5進行求解，固體非均相化學反應由固體表面非均相反應機理R6～R8進行解析，總包反應機理如表1所示.反應機理中CO2對H2的競爭反應過程由反應R2和R3求解[8]；反應R1[9]、R4和R5[10-11]用來解析煤粉著火化學反應過程；在富氧燃燒(特別是濕循環)條件下，焦炭會與CO2、H2O發生劇烈的氣化反應，因此富氧燃燒總包反應包括固體表面非均相反應R6和R7[12].

煤粉焦炭燃燒過程快慢和CO、CO2產物量的獲取由焦炭燃盡模型(Carbon Burnout Kinetics，CBK)R8進行解析[13]；煤粉顆粒脫除揮發分的過程采用化學滲透脫揮發分模型(Chemical Percolation Devolatilization，CPD)，根據美國Mahoning高揮發分煙煤的元素分析和工業分析(見表2)，通過計算獲得模型參數：煤粉網格結構中初始橋鍵分數為0.471，初始碳鍵分數為0，配位數為4.84，單體摩爾質量為404 g/mol，側鍵官能團摩爾質量為30.7 g/mol.

富氧燃燒時平均入爐氧分壓為26%，一次風風率為18%，空氣燃燒與富氧燃燒工況的運行條件見表3，其中OFA為燃盡風.

采用離散坐標輻射模型(Discrete Ordinate，DO)將輻射熱傳遞方程(Radiative Heat Transfer Equation，RTE)轉化為[14]

(1)

式中：I為譜線輻射強度，W/(m2·sr)；s為位置，m；Ω為輻射方向矢量，sr；a為吸收系數，m-1；σs為散射系數，m-1；nz為折射系數，m-1；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數，即5.672×10-8W/(m2·K4)；T為溫度，K；Φ為散射相函數.

表1　富氧燃燒均相與非均相反應機理

表2　煤的元素分析與工業分析

表3　空氣燃燒與富氧燃燒運行條件

立體角θ和空間角φ在離散化方向設定為6，富氧燃燒時，H2O和CO2總分壓從0.2增至0.9以上，H2O和CO2分壓比范圍約為[0.125，1.0]，得出富氧燃燒和空氣燃燒的氣相混合物吸收系數[15-16]分別為0.4～0.5 m-1和0.2～0.3 m-1.

三維穩態分析時采用Simplec算法進行壓力-速度耦合求解，采用標準離散方式求解壓力，組分、速度和動量等的求解均采用二階迎風方式.

2　結果與分析

旋流強度的變化對燃燒器燃燒形成的回流區大小、火焰火炬長度及點燃穩燃等因素會產生重要影響，因此旋流強度的變化對燃燒器在空氣燃燒和富氧燃燒下的燃燒特性分析和優化燃燒器運行參數有重要作用，該鍋爐旋流燃燒器的一次風不旋流、二次風旋流.

決定旋轉氣流旋轉強烈程度的特征參數為旋流強度n，它是氣流旋轉動量矩M與軸向動量矩N的比值.

(2)

(3)

N=KL

(4)

(5)

式中：ρ為氣流的密度，kg/m3；qV為氣流的體積流量，m3/s；wq為氣流的平均切向速度，m/s；wx為氣流的平均軸向速度，m/s；R為氣流旋轉半徑，m；L為定性尺寸，m；K為軸向動量.

根據不同的定性尺寸可以得到不同的旋流強度值，通常用燃燒器噴口直徑的倍數來表示.顯然，旋轉越強烈，旋流強度n就越大.

(6)

由式(5)可知，旋流強度是出口氣流平均切向速度wq與平均軸向速度wx比值的反映.如果取定性尺寸L=0.5d=R時，n就是平均切向速度和平均軸向速度的比值.

圖2給出了空氣燃燒與富氧燃燒下的溫度場分布.由圖2可知，2種工況下均能穩定燃燒，燃燒的高溫區沿爐膛寬度方向向外擴張并且充滿度較好.由于入爐氧分壓較高，富氧燃燒下煤粉隨一次風氣流與二次風氣流混合后的燃燒更為劇烈.26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場分布與空氣燃燒下基本保持一致.

圖3給出了空氣燃燒與富氧燃燒下的速度場分布.由圖3可以看出，2種工況下均能形成明顯的中心內回流區(Internal Recirculation Zone，IRZ)，以保證穩定燃燒.空氣燃燒下由于二次風質量流量較大，中心內回流的速度和區域相比富氧燃燒下較大.2種工況下的流場穩定，沒有出現沖墻和刷墻等不利于受熱面安全的現象.

圖4給出了二次風旋流強度對溫度場的影響.由圖4可以看出，隨著二次風旋流強度的增大，中心冷流射程逐漸縮短，最高溫度基本保持不變.數值模擬結果表明，當旋流強度為0.6時，正處于冷流逐漸縮短、火焰充分擴展的過渡階段，無法形成穩定的溫度場.當旋流強度進一步增大時，燃燒高溫區沿爐膛寬度方向向外擴張，燃燒器出口區域溫度升高，有利于煤粉著火和穩燃.

(a) 空氣燃燒

(b) 26%氧分壓富氧燃燒

圖4二次風旋流強度對溫度場的影響

Fig.4Influence of secondary air swirl number on the temperature field

富氧燃燒下低熱擴散性和CO2較大動力黏度的共同作用會使中心內回流區湍流層的剪切力增大.旋流強度的作用是產生高強度中心內回流區，影響再循環煙氣與煤粉顆粒混合、焦炭燃燒和非預混湍流旋轉燃燒火焰結構.而較大的中心內回流旋流強度能夠改善煤粉顆粒在回流區內的停留時間，有效地縮短了富氧燃燒煤粉著火時間、提高火焰穩定性和燃盡率，尤其是對于低揮發分、高灰分劣質煤.

(7)

由于二次風的旋流強度太小，過低的卷吸能力使得中心內回流區的形成能力較弱，導致一次風穿透火焰，使煤粉燃盡率降低、污染物排放量增加.圖5給出了不同旋流強度下的回流量變化.由圖5可以看出，隨著到燃燒器擴口距離的增加，3種旋流強度下的回流量均呈現先增大后減小的趨勢，而且最大回流量對應的位置基本一致，n=0.8時的回流量最大，穩燃效果明顯.

圖5　不同旋流強度下的回流量變化

燃盡率是考核鍋爐燃燒效率的重要指標，它反映了鍋爐的燃燒性能，通過數值計算得到了不同二次風旋流強度下煤粉的燃盡率(見圖6).由圖6可以明顯看出，當旋流強度為0.6時，溫度場分布發生突變，燃燒溫度場極不穩定，無法形成均勻的溫度場，造成煤粉的燃盡率較小.

圖6　不同二次風旋流強度下煤粉的燃盡率

當二次風旋流強度為0.78時，煤粉燃盡率達到最高值；繼續增大旋流強度，風機能耗增加，煤粉燃盡率下降，且容易造成氣流“飛邊”.綜上所述，當二次風旋流強度為0.7～0.8時，燃燒器的經濟性較高，能夠提高鍋爐燃燒效率.

3　結　論

(1) 富氧燃燒過程中，點火化學反應、焦炭氣化反應和非均相碳素溶解損失反應等化學反應機理、富氧燃燒下低熱擴散性以及O2和揮發分的低質量擴散性和吸收等物性參數需要進行修正.

(2) 富氧燃燒下煤粉隨一次風氣流與二次風氣流混合后的燃燒更為劇烈，26%氧分壓富氧燃燒下的火焰形狀和溫度場分布與空氣燃燒下基本保持一致，能夠實現傳熱特性相匹配.

(3) 隨著到燃燒器擴口距離的增加，中心回流量呈現先增大后減小的趨勢，而且最大回流量對應的位置基本一致，旋流強度為0.8時的回流量最大，穩燃效果明顯且煤粉燃盡率較高.

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Numerical Simulation and Optimization of an SBS-II Oxy-fuel Combustion Boiler

WANGPeng1,LIUZhaohui2,LIAOHaiyan1,LIYanbing1,HUANGJun1,CHENYinbiao3

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China;2. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong Univeristy of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 3. Shenhua Guohua Power Company, Beijing 100025, China)

Taking a pilot-scale SBS-II oxy-fuel combustion boiler as an object of study, the kinetic mechanisms and physical parameters of the combustion process were analyzed and modified, while the in-furnace flow and temperature field were studied under oxy-fuel conditions by numerical simulation. Results show that the combustion of pulverized coal becomes quite intensified after mixing with primary and secondary air under oxy-fuel conditions, and both the flame shape and temperature distribution under 26% oxygen concentration are basically the same as under air combustion conditions, matching with the heat-transfer requirements. With the rise of distance to the burner opening, the internal recirculation zone (IRZ) enlarges first and reduces later on, but the location corresponding to the maximum value remains unchanged. The recirculation flow reaches the maximum under the swirl number of 0.8, in which case, obviously stabilized flame and high burnout rate are obtained.

oxy-fuel combustion; internal recirculation zone; swirl number; burnout rate; overall reaction

A學科分類號：470.30

2013-12-03

2014-03-07

神華集團科技創新資助項目(中國神華科[2011]368號)；國家國際科技合作專項基金資助項目(2012DFB60100)

王鵬(1981-)，男，河北平山人，工程師，博士，主要從事電站鍋爐富氧燃燒理論與技術方面的研究.

電話(Tel.)：010-65553275；E-mail:wangpeng56401126@126.com.

1674-7607(2015)01-0008-05

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