CO2效應對煤焦顆粒增氧燃燒影響的數值研究

金旭東， 周月桂， 金圻燁， 鄭婷婷

(上海交通大學 機械與動力工程學院，熱能工程研究所，上海 200240)

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CO2效應對煤焦顆粒增氧燃燒影響的數值研究

金旭東， 周月桂， 金圻燁， 鄭婷婷

(上海交通大學 機械與動力工程學院，熱能工程研究所，上海 200240)

采用考慮炭粒表面氧化還原反應以及氣相CO-O2反應的連續膜模型，在增氧燃燒中添加一定量的CO2并采用Ar來調節煤焦顆粒表面溫度，分析O2濃度效應、CO2化學效應及熱效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響.結果表明：當增氧燃燒系統中O2體積分數從21%提高到26.5%時，煤焦顆粒表面溫度升高154 K，燃燒速率增大，且著火時間和燃盡時間均提前；在煤焦顆粒增氧燃燒過程中，O2濃度效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響占主導作用，其次是CO2化學效應，而熱效應的影響最低，三者影響的相對貢獻率分別為56.4%、25.7%和17.9%.

增氧燃燒； 煤焦燃燒； 連續膜模型； CO2效應

符號說明：

Bo——無量綱斯蒂芬玻耳茲曼常數

c——比熱容，J/(kg·K)

D——擴散系數，m2/s

Da——Damk?hler數

k——指前因子，m/s

m——燃燒速率，kg/s

Q——反應熱比值

r——徑向坐標，m

R——無量綱顆粒半徑

T——溫度，K

w——氣體質量分數

ρ——密度，kg/m3

υ——氣相反應的化學當量比

ε——黑度

τ——無量綱時間

θ——無量綱活化能

ω——反應速率，kg/ (m2·s)或kg/(m3·s)

E——活化能，kJ/mol

下標

g——氣體

F——CO

N——N2

O——O2

P——CO2

S——顆粒表面

∞——主氣流

0——初始

增氧燃燒(Oxygen Enhanced Combustion)是在傳統空氣燃料燃燒中加入一部分純氧將燃燒的氧氣體積分數從21%提高到26%以上，使得燃燒煙氣體積減小，燃燒溫度和煙氣中CO2、水蒸氣濃度提高，煙氣輻射能力增強.增氧燃燒作為一種高效節能的燃燒技術，在國內外玻璃、水泥、冶金和能源等行業的工業鍋爐和爐窯中得到廣泛應用[1].大量的工程實踐表明將傳統的空氣燃燒系統改造為增氧燃燒系統后，不僅提高了熱效率和產量，減少了煙氣量，還能夠提高燃燒溫度，增強火焰穩定性，強化傳熱，有效地降低NOx的排放[2-6].張家元等[7]在150 t/h電站煤粉鍋爐上采用局部富氧助氧燃燒技術后，飛灰可燃物含量降低，鍋爐效率提高，NOx的排放也降低.Du等[8]在氣體擴散火焰研究中發現添加一定量的CO2稀釋燃料能夠有效抑制炭黑的生成.Guo等[9-10]研究了再循環煙氣中添加CO2后產生的稀釋效應、熱效應以及化學效應對氣體擴散火焰和柴油機燃燒過程中碳煙生成的影響.Zhou等[11]采用連續膜模型研究了O2/CO2氣氛下不同效應對煤焦燃燒速率的影響，結果表明O2濃度效應占主導作用，其次是CO2化學效應，而熱效應最低，三者影響的相對重要性分別為82.1%、11.2%和6.7%.目前，關于增氧燃燒過程中煤粉或焦炭燃燒特性的研究較少.在增氧燃燒過程中，O2和CO2體積分數明顯提高，煙氣中CO2氣體會對煤粉燃燒產生不同的影響：CO2比熱容較大使得氣體溫度降低，即產生熱效應影響；同時CO2與焦炭發生氣化反應，即產生化學效應影響.因此，筆者采用半數值半解析的連續膜模型研究增氧燃燒過程中CO2化學效應對煤焦顆粒燃燒特性的影響，并定量分析O2濃度效應、CO2化學效應及熱效應三者對煤焦顆粒燃燒的重要性，為增氧煤粉燃燒器的開發和設計提供指導.

1 炭粒燃燒連續膜模型

1.1 連續膜模型

假設球形煤焦顆粒在無限大、靜態的環境中燃燒，忽略顆粒內部擴散，則根據炭粒表面溫度不同，炭粒與O2、CO2發生如下反應[12]：

(1)

(2)

而均相的總包反應則為

(3)

在準穩態條件下，氣相的質量、能量、組分守恒方程為

(4)

(5)

對式(5)及邊界條件[11-12]進行求解，可得到準穩態條件下炭粒燃燒半數值半解析的連續膜模型.

瞬態計算時顆粒表面溫度隨時間變化的方程為

(6)

顆粒半徑的變化為

(7)

這樣就得到瞬態炭粒燃燒連續膜模型，上述連續膜模型中使用的無量綱參數詳見文獻[11]和文獻[12].

1.2 O2/CO2氣氛下連續膜模型的驗證

圖1給出了Pittsburgh煙煤顆粒在環境溫度為1 700 K時，不同O2體積分數(12%～36%)、O2/CO2氣氛下顆粒表面溫度計算值與實驗值[13]的比較.計算中煤焦顆粒氧化反應、還原反應的指前因子和活化能分別為kO,S=4×106m/s，ES1=167.4 kJ/mol，kP,S=4×107m/s,ES2=251 kJ/mol.

圖1 O2/CO2氣氛下煙煤顆粒表面溫度計算值與實驗值的比較

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

由圖1可知，當O2體積分數為12%時，由于低O2體積分數下C-O2反應速率和CO-O2反應速率均較小，顆粒表面溫度較低，為1 850 K.而當O2體積分數提高到36%時，由于O2體積分數提高，C-O2反應速率和CO-O2反應速率均顯著增大，顆粒表面溫度提高到2 250 K，與此同時煙煤顆粒的著火時間和燃盡時間均提前.由圖1還可知，顆粒表面溫度的計算值與實驗值吻合較好，兩者最大相對誤差為2.3%.

2 結果分析與討論

相對于O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛擁有較大的比熱容、較小的O2擴散系數以及煤焦-CO2的氣化反應，因此CO2的存在對煤焦顆粒燃燒產生了不同的影響.為了區分O2濃度效應、CO2化學效應及熱效應對增氧燃燒過程中煤焦顆粒燃燒的影響，提出引入一定比例的Ar來調節煤焦顆粒表面溫度并保持相同的O2體積分數來分離不同效應的方法，這是因為c(Ar)

2.1 O2體積分數對煤焦顆粒燃燒的影響

圖2給出了環境溫度為1 200 K時不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面溫度隨時間的變化.由圖2可知，21%O2/79%N2(其中2個百分數分別為對應組分的體積分數，下同)氣氛下煤焦顆粒表面溫度在2 244 K左右，而在26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦顆粒表面溫度在2 398 K左右，比21%O2/79%N2氣氛下高154 K.與21%O2/79%N2氣氛下相比，26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦的著火時間和燃盡時間均提前.隨著O2體積分數的提高，C-O2反應速率增大，煤焦著火提前.當煤焦著火以后，顆粒表面溫度急速上升，燃燒速率更快，因此煤焦的燃盡時間縮短.

圖2 不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面溫度隨時間的變化

圖3給出了環境溫度為1 200 K時不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率隨時間的變化.隨著煤焦顆粒表面溫度逐漸升高，反應剛開始時在煤焦顆粒表面進行緩慢的氧化反應，隨后燃燒速率逐漸增大，當顆粒表面溫度達到某一溫度后，顆粒表面溫度急劇升高，燃燒速率迅速增大.當煤焦轉化率為0.5時，21%O2/79%N2氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率為4.5×10-9kg/s，而在26.5%O2/73.5%N2氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率為5.9×10-9kg/s，為前者的1.3倍.O2體積分數的提高不僅使顆粒燃燒溫度提高，而且加快了C-O2反應和CO-O2反應，加速了顆粒的燃燒，從而使其著火時間和燃盡時間均提前.

圖3 不同燃燒氣氛下煤焦顆粒表面燃燒速率隨時間的變化

2.2 不同效應對煤焦顆粒燃燒的影響

在21%O2/79%N2氣氛中添加一定量的CO2，并用Ar代替剩余的N2，使得 21%O2/79%N2氣氛與21%O2/11%CO2/68%Ar氣氛有相同的燃燒溫度和O2體積分數，兩者的燃燒速率差別僅反映了CO2與煤焦氣化反應對煤焦顆粒燃燒的影響.在21%O2/79%N2氣氛中添加11%CO2并提高O2體積分數，使得21%O2/79%N2氣氛與26.5%O2/11%CO2/62.5%N2氣氛有相同的燃燒溫度，兩者的燃燒速率差別反映了CO2化學效應和O2濃度效應對煤焦顆粒燃燒的影響.在21%O2/79%N2氣氛中添加11%CO2以提高O2體積分數，并用Ar代替剩余的N2，使得21%O2/79%N2氣氛與26.5%O2/11%CO2/62.5%Ar氣氛的燃燒溫度相差130 K，兩者的燃燒速率差別反映了CO2化學效應、O2濃度效應及熱效應對煤焦顆粒燃燒的綜合影響.圖4給出了環境溫度為1 200 K，煤焦轉化率為0.5時不同效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻率.由圖4可知，在O2體積分數從21%提高到26.5%的增氧燃燒條件下，O2濃度效應、CO2化學效應及熱效應的相對貢獻率分別為56.4%、25.7%和17.9%.在燃燒過程中，O2濃度效應占據著主導作用，這是因為O2體積分數的提高加速了C-O2反應，使得煤焦顆粒表面燃燒速率增大；而CO2化學效應則通過加速C-CO2反應來增大煤焦顆粒表面燃燒速率；熱效應則由于燃燒溫度升高了130 K而加快了C-O2反應速率和C-CO2反應速率.

圖4 不同效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻率

3 結 論

(1)在煤粉增氧燃燒過程中，當O2體積分數從21%提高到26.5%時，煤焦顆粒表面溫度升高154 K，同時燃燒速率增大為原來的1.3倍，且著火時間和燃盡時間均提前.

(2)在增氧燃燒中添加一定量的CO2并采用Ar來調節燃燒溫度，從而定量分析不同效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的相對貢獻率，其中O2濃度效應對煤焦顆粒表面燃燒速率的影響占主導作用，其次是CO2化學效應，而熱效應的影響最低，三者影響的相對貢獻率分別為56.4%、25.7%和17.9%.

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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

國家自然科學基金資助項目(51276110, 51576128)

金旭東(1986-)，男，上海人，博士研究生，主要從事富氧煤粉燃燒方面的研究. 周月桂(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.)：021-34207660；E-mail：ygzhou@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2016)12-0941-04

TK16

A 學科分類號：470.20