基于EDM、PDF和FR/ED模型的煤粉燃燒過程適應性研究

程 曉 磊

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著大氣污染物排放的日益嚴格，幾乎所有燃煤電站鍋爐和大量工業鍋爐開始執行超低排放標準。低氮燃燒技術可以在燃燒過程中大幅減少NOx排放量，先進的煤粉低氮燃燒技術可控制NOx初始排放至200 mg/m3以下。目前常用的低氮燃燒技術包括空氣分級技術、燃料分級技術、煙氣再循環技術、無焰燃燒技術等抑制方法，以及旋流燃燒器、濃淡燃燒器、鈍體燃燒器等設備結構形式。這些常用的低氮燃燒技術共同特點是，在燃燒初期采用低過量空氣系數進行反應，形成還原性氣氛來抑制煤粉燃燒過程的NOx生成。部分學者研究表明，在還原性氣氛條件下煤粉的燃燒特性、NOx生成特性與常規燃燒過程有較大區別，需針對實際應用條件進行專門研究[1-3]。

對于煤粉燃燒過程的研究，由于計算流體力學(CFD)具有成本低、周期快的特點，加之數值模擬模型的不斷發展，逐漸成為不可或缺的研究工具。其中，化學反應模型的選取對數值模擬精度有重要影響，不同的化學反應模型適用于不同的煤粉燃燒模擬過程。工業應用過程中，不同學者常用的數值模擬模型主要包括EDM模型(Eddy disspation model)、PDF模型(Non-premixed model)和FR/ED模型(Finite rate/eddy dissiaption model)。在煤粉燃燒方面，王通[4]采用PDF模型模擬對比了2種旋流燃燒器的溫度分布NOx生成情況；朱天宇[5]使用EDM和PDF模型模擬煤粉摻燒污泥的過程，認為EDM模型比PDF模型更好地模擬污泥摻混條件下的模擬；馬文明等[6]采用EDM模型模擬了工業鍋爐低氮燃燒器的燃燒特性；汪延鵬等[7]研究了EDM模型中反應常數A對數值模擬結果的影響；陳登高等[8]采用EDM模型進行了煤粉空氣分級條件下的數值模擬，認為EDM模型未考慮焦炭氣化反應會導致還原性氣體成分偏低，影響對NOx排放的模擬；張勇等[9]、段艷松等[10]分別使用FR/ED模型模擬了褐煤半焦和水煤漿MILD燃燒過程；劉敬樟等[11]通過與IFRF實際試驗結果對比，認為FR/ED模型在爐內溫度、組分、火焰結構的預測均較準確。在煤粉氣化的模擬方面，劉臻等[12]認為EDM模型對合成氣組分的濃度分布預測誤差較大，PDF模型對噴嘴附近溫度場和濃度場的預測結果不合理；李濤[13]使用FR/ED模型進行了Shell氣化爐的模擬。對于還原性氣氛下的煤粉燃燒過程，介于傳統煤粉燃燒和粉煤氣化過程之間，需要綜合考慮模型對燃燒和氣化的適應性。

本文以雙錐煤粉燃燒器為基礎，通過在不同反應氣氛下對比EDM模型、PDF模型和FR/ED模型對燃燒器內燃燒特性的模擬，為還原性氣氛條件下煤粉燃燒過程模擬的化學反應模型選擇提供依據。

1 燃燒器結構及數值模擬模型

1.1 燃燒器結構

煤科院節能技術有限公司開發的中心逆噴雙錐燃燒器[14-15]具有獨特的燃料逆噴、煙氣回流和雙錐預燃室的特點，在煤粉著火、穩定燃燒方面有明顯優勢，目前單臺燃燒器功率涵蓋2.8～42 MW，已在煤粉工業鍋爐上有十多年的應用經驗。燃燒器配風分為一次風和二次風，其中一次風為直流風，在雙錐交接處逆向噴入燃燒器內，二次風經旋流葉片后進入燃燒器，逐步與一次風混合燃燒后從燃燒器出口噴出。隨著低氮燃燒技術的發展，燃燒器的工作條件逐漸由氧化氣氛轉變為還原性氣氛，需要進行還原氣氛下的數值模擬工作。本文的數值模擬在7 MW雙錐燃燒器上進行。中心逆噴雙錐燃燒器如圖1所示。

圖1 中心逆噴雙錐燃燒器Fig.1 Double cone combustor with centre reverse spraying

1.2 數值模擬方法

本文的數值模擬計算中，采用煤粉燃燒器實際運行所用煤質數據，見表1。湍流模型采用Realizablek-ε模型，該模型可相對準確模擬湍流流動中的旋轉射流問題；燃燒器符合光學深度大于1的條件，輻射模型選用P1模型，具有較高的計算效率；煤粉的揮發分析出選用雙競爭反應模型，兩反應在不同溫度范圍區間控制析出速率，其反應動力學參數見表2。氣固兩相流動選用拉格朗日法的DPM離散相模型，該模型適用于離散相體積分數小于10%的模型，DPM模型使用面源注入。化學湍流相互作用模型分別選用EDM模型、PDF模型和FR/ED模型，其中FR/ED模型考慮氣化過程中涉及的化學反應，反應方程及其反應機理參數見表3。

表1 燃用煤種的工業分析和元素分析

表2 雙競爭反應模型動力學參數

表3 氣化過程的化學反應及反應動力學機理[9-10]

對7 MW雙錐燃燒器結構進行簡化，分為一次風進口、二次風進口、出口、燃燒器壁面等，采用ICEM進行網格劃分，網格數量為23.3萬。雙錐燃燒器網格劃分如圖2所示。

圖2 雙錐燃燒器網格劃分Fig.2 Meshing of double cone combustor

2 模擬結果與分析

分別從常規氧化氣氛燃燒和還原氣氛燃燒2種工況下進行不同模型模擬結果的對比。其中常規氧化氣氛燃燒條件下，所有助燃空氣均由一次風和二次風通入燃燒器，燃燒器內過量空氣系數為1.2；還原氣氛下，僅有部分助燃空氣進入燃燒器，燃燒器內過量空氣系數為0.4。

2.1 氧化氣氛燃燒模擬對比

氧化氣氛的模擬工況為：7 MW燃燒器，供料量0.298 kg/s，一次風0.25 kg/s，二次風2.75 kg/s，燃燒器內過量空氣系數為1.2。

氧化氣氛下3種模型模擬的燃燒器內溫度分布如圖3所示。燃燒器內高溫區集中在回流帽逆噴開始區域和后錐區域。一次風和煤粉經回流帽噴口流出后，沿著一次風管的逆向逐漸升溫至煤粉燃燒溫度，在一次風與二次風混合后速度為0處的燃燒溫度最高，此后氣態和固體顆粒隨著二次風經旋流進入燃燒器前錐內較大空間內和后錐進行燃燒反應。燃燒器后錐和出口附近火焰集中于燃燒器中心，溫度分布呈中間高、壁面附近低的趨勢。

圖3 氧化氣氛下不同反應模型對溫度分布的影響Fig.3 Influence of different reaction models on temperature distribution under oxidation atmosphere

3種模型結果的區別主要在于煤粉著火的位置和逆噴傳播的距離。PDF模型的起火點更靠近逆噴的噴口，EDM模型的一次風噴出經過一段升溫過程后逐漸燃燒，FR/ED模型的一次風升溫過程更長，壁面的低溫區域持續接近前錐長度的一半。該燃燒器的熱態燃燒試驗結果表明[16]，一次風管從逆噴出口開始到葉片區域依次為煤粉噴射區、煤粉加熱區、煤粉著火區、焦炭燃燒區，著火區距離一次風管噴口的相對距離為20%～30%，從著火區域判斷，FR/ED模型更接近實際結果。煙氣和高溫向葉片方向傳播的能力由小到大排列為PDF模型、EDM模型和FR/ED模型。葉片附近屬于焦炭燃燒區，該位置緊貼一次風管附近，會出現不同程度局部高溫區，3種模型的模擬中也有不同程度局部高溫區出現。

對燃燒器沿火焰傳播方向上不同截面平均溫度變化趨勢進行對比，如圖4所示。FR/ED模型模擬結果平均溫度最高，EDM模型次之，PDF模型最低。在前錐部分EDM模型和FR/ED模型結果較接近，后錐處EDM和PDF模型結果更接近。其中FR/ED模型燃燒器出口平均溫度1 126 ℃，比EDM模型的879 ℃和PDF模型的876 ℃高約250 ℃。

圖4 不同反應模型對燃燒器內溫度分布的影響Fig.4 Influence of different reaction models on temperature distribution of combustor

氧化氣氛條件下不同反應模型對氧濃度分布的影響如圖5所示。可知不同模擬方法條件下燃燒過程的區別。PDF模型回流帽附近氧氣很快耗盡，EDM模型和FR/ED模型在逆噴的方向上均持續了一段距離后氧氣才耗盡。

圖5 氧化氣氛下不同反應模型對氧濃度分布的影響Fig.5 Influence of different reaction models on oxygen content distribution under oxidation atmosphere

氧化氣氛下不同反應模型對CO濃度分布的影響如圖6所示。對于CO含量的預測，3種模擬方法的差別較大，EDM模型中只考慮了揮發分與氧氣反應釋放的CO，且還有CO和O2的燃燒反應，燃燒器內基本無CO存在；PDF模型中，由于計算的是化學反應平衡狀態的參數，在一次風和煤粉逆噴進入燃燒器的燃燒初期缺氧的條件下，CO濃度較高，隨著O2和煤粉的逐漸混合，CO發生反應；FR/ED模型考慮了化學反應動力學參數，在一次風和煤粉混合物升溫的開始區域內無CO生成，在逆噴的末端區域有大量CO生成，在燃燒器的大部分區域內CO含量較高，基本與燃燒器的高溫區重合，燃燒器出口處CO含量較高。

圖7 不同反應模型對燃燒器內氣體組成分布的影響Fig.7 Influence of different reaction models on gas distribution of combustor

燃燒器不同區域截面平均氣體成分組成對比如圖7所示。FR/ED模型由于引入了焦炭與氧氣的氣化反應，燃燒器內焦炭含量和氧含量明顯低于EDM和PDF模型，燃燒器出口處氧含量為7.0%，比EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%低4%～5%。而FR/ED模型下燃燒器出口處CO含量為3.5%，明顯高于EDM(0)和PDF模型(0.8%)。

2.2 還原氣氛燃燒模擬對比

還原氣氛模擬工況為：7 MW燃燒器，供料量0.298 kg/s，一次風0.25 kg/s，二次風0.93 kg/s，燃燒器內過量空氣系數為0.5。

還原氣氛條件下不同反應模型對溫度分布的影響如圖8所示。在還原性氣氛下，煤粉的著火位置和逆噴傳播的距離仍是3種模擬模型的主要區別。PDF模型的起火點更靠近逆噴的噴口，EDM模型的一次風噴出后經過一段升溫過程后逐漸燃燒，FR/ED模型的一次風升溫過程更長，壁面的低溫區域持續接近前錐長度的一半。煙氣和高溫向葉片方向傳播的能力由小到大排列為PDF模型、EDM模型和FR/ED模型，EDM模型和FR/ED模型的煙氣高溫區域趨于燃燒器端蓋位置。

圖8 還原氣氛下不同反應模型對溫度分布的影響Fig.8 Influence of different reaction models on temperature distribution under reduction atmosphere

燃燒器的高溫區域模擬結果也不相同，EDM模型模擬的結果高溫區域集中在葉片附近和前后錐交接處較大的區域內；PDF模型的高溫區域集中在一次風逆噴的位置和燃燒器后錐及出口區域；FR/ED模型的高溫區域主要集中在前后錐交接處的壁面附近區域。

不同反應模型對燃燒器內溫度分布的影響如圖9所示。從燃燒器不同截面平均溫度分布對比來看，與氧化氣氛時結果類似，在前錐處EDM和FR/ED模型模擬結果接近，在后錐處EDM和PDF模型模擬結果接近。其主要原因是：PDF模型為化學反應平衡模型，部分煤粉在一次風噴口處即發生反應，前錐處反應進行程度比EDM和FR/ED模型小，反應溫度低；在燃燒器出口處，使用FR/ED模型時會發生生成CO的氣化反應，放熱量減少，其燃燒器出口溫度低于EDM和PDF模型。同時，與氧化氣氛的結果相反，FR/ED模型燃燒器出口平均溫度1 133 ℃，比EDM模型的1 307 ℃和PDF模型的1 390 ℃分別低174 ℃和257 ℃。

圖9 不同反應模型對燃燒器內溫度分布的影響Fig.9 Influence of different reaction models on temperature distribution of combustor

還原氣氛下不同反應模型對氧濃度分布的影響如圖10所示。可知PDF模型在回流帽附近一次風的氧氣很快耗盡，EDM模型和FR/ED模型在逆噴的方向上均持續了一段距離后氧氣才耗盡。由于處于還原性氣氛，燃燒器后錐前錐中心區域和后錐處氧含量基本為0。

圖10 還原氣氛條件下不同反應模型對氧濃度分布的影響Fig.10 Influence of different reaction models on oxygen content distribution under reduction atmosphere

還原氣氛下不同反應模型對CO濃度分布的影響如圖11所示。對于CO含量的預測，還原氣氛下3種模擬方法的差別依然較大，其規律基本類似于氧化氣氛條件，主要區別在CO的組分濃度上，PDF模型和EDM模型CO濃度最高均超過20%。EDM模型幾乎無CO存在；PDF模型中CO濃度在煤粉燃燒反應初期最高，出口處濃度逐漸降低；FR/ED模型則在燃燒器的大部分區域內CO含量較高，基本與燃燒器的高溫區重合。

圖11 還原氣氛下不同反應模型對CO濃度分布的影響Fig.11 Influence of different reaction models on CO content distribution under reduction atmosphere

不同反應模型對燃燒器內氣體組成分布的影響如圖12所示。由于燃燒過程處于還原性氣氛，燃燒器內氧含量分布隨燃燒的進行逐漸降低，EDM、PDF和FR/ED模型燃燒器出口氧含量分別為0.2%、0.8%和0；EDM模型對CO的生成模擬偏差較大，即使在強還原氣氛下，燃燒器出口CO含量仍只有0.05%，采用PDF和FR/ED模型時燃燒器出口CO含量分別為5.73%和10.7%。

圖12 不同反應模型對燃燒器內氣體組成分布的影響Fig.12 Influence of different reaction models on gas distribution of combustor

2.3 模擬結果與試驗數據對比

通過與試驗數據對比，確定不同模擬模型對雙錐燃燒器模擬的準確性。試驗數據與模擬結果的對比見表5，其中試驗數據來源于同尺寸7 MW燃燒器的實際測試結果[16]，α為燃燒器內過量空氣系數。在氧化氣氛下，主要發生煤粉的燃燒反應，EDM模型和PDF模型在溫度、CO含量上的預測較為準確，與試驗數據偏差較小，FR/ED模型偏差較大；在還原性氣氛下，EDM模型模擬的結果幾乎不生成CO和H2，說明該模型不適合還原性氣氛，PDF模型和FR/ED模型有較合理的還原性氣氛模擬結果，兩者的差別在于還原性氣體的生成位置，PDF模型噴口位置CO濃度較高，出口濃度偏低，FR/ED模型隨著煤粉反應流程的進行，CO濃度逐漸升高，出口濃度更接近試驗結果，從與實際結果的一致性上看，FR/ED模型更準確一些。

表5 燃燒器出口模擬結果與試驗數據對比

3 結 論

1)模擬方法原理不同造成模擬結果差別較大。使用EDM模型和PDF模型均未考慮化學反應速率的影響，模擬結果著火區域比較提前；FR/ED模型的著火區域模擬較為合理。

2)氧化氣氛下3種模型的溫度分布基本類似，均可適用，EDM和PDF模型對燃燒器出口溫度預測更準確；PDF模型和FR/ED模型模擬的CO、H2等還原性氣氛濃度較高，尤其是FR/ED模型的結果比實際要偏離較多。

3)EDM模型由于未考慮氣化反應，對煙氣中CO成分的模擬偏差較大，不適用于還原性氣氛條件下的燃燒模擬；PDF和FR/ED模型均可模擬還原性氣氛條件下CO的生成過程，FR/ED模型對組分的模擬結果更接近試驗數據。

4)綜合考慮，對于雙錐燃燒器的數值模擬，氧化氣氛適合采用EDM模型和PDF模型，還原氣氛適合采用FR/ED模型。