O₂/CO₂條件下煤粉燃燒特性數值模擬研究

曾彩劍

摘 要：O2/CO2燃燒技術是燃燒后捕集和存儲CO2的有效方法之一，研究CO2氛圍的煤粉燃燒特性對于明確煤粉著火特性和鍋爐溫度場分布至關重要。本文運用FLUENT軟件非預混燃燒模型對O2/CO2氣氛下二維通道內煤粉燃燒過程進行數值模擬，針對兩種典型Ⅲ類煙煤撫順/水城煤種進行模擬，研究不同氧分壓下煤粉燃燒的溫度場分布，結果表明：在氧分壓2%到20%范圍內，隨著氧分壓的增加，由于有更多的O2與煤粉反應，溫度場分布高溫區域有逐漸減小的趨勢。在30%氧分壓下，溫度場分布高溫區域變大，這主要是火焰溫度過高，輻射區域較大的緣故。

關鍵詞：非預混燃燒模型；煤粉燃燒；數值模擬

1 引言

中國以煤為主的能源結構在短時期內難以轉變，煤炭的常規利用造成的環境污染和溫室氣體效應日趨嚴重，以CO2為主的溫室氣體減排成為世界各國關注的熱點問題。O2/CO2燃燒技術是一種新型的潔凈煤燃燒技術，不僅能有效收集煙氣中的CO2，還能減少NOx和SO2的排放[1-2]，與常規空氣燃燒相比，O2/CO2燃燒將循環煙氣與純氧混合從而替代空氣與煤粉在鍋爐中進行燃燒，進而提高排放煙氣中CO2濃度。常規空氣燃燒煙氣中CO2體積分數為10～14%，帶來CO2分離和補集能耗較大，而O2/CO2燃燒技術可將煙氣中CO2體積分數提高到90%以上，該技術有望實現大氣污染物的零排放，現在處于實驗室研究和示范工程階段[3]。煙氣中高濃度的CO2會對煤粉的燃燒特性產生顯著影響，進而影響鍋爐性能及溫度場分布，為此，闡明高濃度CO2氛圍下煤粉燃燒特性對于研究煤粉著火特性和鍋爐溫度場分布至關重要。

國內外學者針對O2/CO2燃燒技術進行了相關實驗研究。美國SANDIA國家實驗室的相關學者對煤粉顆粒的著火、脫揮發份以及煤焦燃燒動力學進行了相關研究[4]。在O2/CO2氣氛下煤粉燃燒受環境氣氛的影響較大，國內黃曉宏利用平面火焰曳帶流反應系統，對O2/CO2氣氛下的煤粉火焰進行實驗研究，結果表明：O2/CO2氣氛下CO2的存在、氧分壓的大小以及煤中的水分含量均對煤粉火焰有較大影響[5]。李慶釗在熱重分析儀上模擬空氣氣氛及不同O2/CO2氣氛下三種不同品質煤粉的燃燒特性試驗，結果表明：O2/CO2氣氛下煤粉的燃燒分布曲線與O2/N2氣氛下有明顯不同，相同O2濃度的條件下，O2/CO2氣氛下煤粉燃燒速率低，燃盡時間長，提高O2濃度可改善O2/CO2氣氛下煤粉的燃燒特性[6]。牛勝利在O2/N2及O2/CO2氣氛下，利用熱重法（TG）進行了3種煤粉的非等溫燃燒試驗，結果表明：O2濃度在40%的范圍內，隨著O2濃度的提高，煤粉著火點和失重峰溫度降低較為明顯，氣氛的改變并未引起化學反應機理的變化[7]。

以往的研究會受到實驗儀器和研究方法等方面的限制，而數值模擬具有研究成本低、周期短、無實驗儀器干擾等優點，本文通過FLUENT軟件模擬O2/CO2氣氛下煤粉燃燒特性，對不同O2/CO2比例條件下煤炭顆粒燃燒的特性進行研究。

2 模型建立

煤粉燃燒過程伴隨有多種熱傳遞現象，包括湍流氣固兩相流動，煤粉的湍流燃燒是一個極其復雜的物理化學過程，各種非線性現象如湍流輸運、有限速率化學反應、非均相燃燒、污染物生成和火焰輻射等效應強烈地耦合在一起[8]。湍流燃燒按其燃料和氧化劑的初始混合狀態可以分類為：湍流非預混燃燒、預混燃燒和部分預混燃燒。在湍流非預混燃燒中燃料和氧化劑事先是分離的，燃料和氧化劑一邊混合一邊燃燒。目前在FLUENT軟件里可以采用非預混燃燒模型對煤粉燃燒進行模擬。

2.1 數學模型

2.1.1氣相湍流模型

氣相湍流模型采用標準k-ε模型，該模型具有較好的穩定性、經濟性和較高的計算精度，是湍流模型中應用范圍最廣、最為人熟知的一個模型[9]。標準k-ε模型通過求解湍流動能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程得到k和ε的解，然后由此計算湍流粘度，最終利用Boussinesq假設得到雷諾應力。k和ε方程的表達式如下[10]：

k方程

ε方程

方程中，ui為時均速度，μ為分子粘性系數，μt為渦粘性系數，Gk是由平均速度梯度而產生的湍流動能，μk=1.0，με=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Sk、Sε分別為k方程、ε方程的自定義源項。

2.1.2 離散相模型

采用顆粒軌道模型來計算煤粉顆粒受到的作用力并確定其運動軌跡，連續相與離散相發生質量、動量和能量的耦合，湍流的脈動速度對離散相粒子軌跡的影響采用隨機跟蹤模型。

2.1.3 燃燒模型

燃燒反應采用非預混燃燒模型，在一定的假設條件下，熱化學可被減少成為單一的參數——混合分數。混合分數根據原子質量分數寫為：

式中，Zi為元素i的元素質量分數，下標OX表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。所有熱化學標量，包括組分質量分數、密度和溫度等均唯一與混合分數有關，這種聯系由平衡化學反應吉布斯最小自由能原則來確定。

2.1.4 輻射模型

考慮氣體與顆粒之間的輻射換熱，采用離散坐標P-1輻射模型來描述窯內的輻射傳熱過程。

2.2 幾何模型

本文中采用的煤燃燒系統為一簡單的10 m×1 m的二維管道，如圖1所示。因該二維管道是對稱的，故只模擬寬度方向上的一半區域。

選取煤粒平均停留時間作為指標分別對1000，2200，3500個網格數進行相關性檢驗，結果見表1。

網格增至3500個時，煤粒平均停留時間相對誤差僅為0.3%，故選取2200網格數進行計算。

邊界條件

二維管道的進口氣流分為兩股流動，管道中心附近的高速流速度為50 m/s，寬度為0.125 m；另一股流的速度為15 m/s，寬度為0.375 m。兩股流動都為1760 K的O2/CO2混合氣體，煤粒在高速流的附近以0.1 kg/s（爐膛中的總流量為0.2 kg/s）的質量流量進入爐膛，管壁的溫度為常數1200K。見表2。

3 模型計算及求解

用 prePDF 預處理程序定義煤粉燃料，運用FLUNET軟件非預混燃燒模型，輸入條件，定義煤粒的非連續相，選擇計算模型后進行參數設置。輸入工況參數，運行程序進行計算，分別模擬了了水城煤在1760 K下2%、10%、20%和30%氧分壓下的燃燒和撫順煙煤在1760 K下20%和30%氧分壓下的燃燒。見表3。

4 結果分析

為了研究O2/CO2條件下不同氧分壓下煤粉燃燒的溫度場分布特性，利用水城煤在O2/CO2為1760 K下，分別在氧分壓為2%、10%、20%和30%的工況下進行數值模擬實驗，模擬所得溫度場分布如圖3所示。在1760 K條件下，隨著氧分壓的增大，高溫分布區域逐漸減少，同時隨著氧分壓的增大，有更多的氧氣與煤粉反應，造成煤粉的燃燒速率增加，燃盡時間縮短。因此隨著氧分壓的增大，高溫溫度區域分布逐漸減少趨勢。由圖可以看到，20%與30%氧分壓下，溫度場分布非常相近，但30%氧分壓下高溫溫度區域高于20%條件下，其原因可能是在30%氧分壓下，煤粉燃燒更加劇烈，火焰溫度更高，煤粉燃盡后的灰顆粒溫度較高，使得高溫溫度分布區域較大。

本次模擬所選兩種煤溫度場分布基本相近（見圖4和圖5），可能是由于煤種水分差別不是很大且為同一煤種[5]。

5 結論

本文以Fluent 6.1軟件為基礎，選用非預混燃燒模型，可較好地分析在不同O2/CO2氣氛下二維通道煤粉燃的燒溫度場分布和不同煤種在相同O2/CO2氛圍下燃燒溫度場分布。

（1） O2/CO2氣氛下，氧分壓為2%到20%范圍內，隨著氧分壓的增加，由于有更多的O2與煤粉反應，溫度場分布高溫區域呈逐漸減小趨勢；在30%氧分壓下，溫度場分布高溫區域變大，這可能是由于輻射區域較大的緣故。

（2） O2/CO2氣氛下，撫順與水城煤呈現基本相同溫度分布，這可能是因為撫順與水城煤水分含量相差不大所致，后續需進一步研究。

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