低NOx旋流燃燒器燃燒特性數值模擬

徐 啟, 邢嘉芯, 張夢竹, 戚 恒, 張 巖

(華北水利水電大學電力學院,鄭州 450011)

低NOx旋流燃燒器以其穩燃和低排的卓越性能,已在世界上各大電站鍋爐普遍投用。采用空氣分級或燃料分級的方法有效抑制燃料型NOx的生成。解以權[1]基于中心給粉旋流燃燒器的基本特點,分析了不同二次風配比對其基本燃燒性能的影響。崔凱等[2]基于Realizablek-ε和RSM(reynolds stress model)模型,對某旋流燃燒器實施了三維速度場模擬,并進一步對比了PIV(particle image velocimetry)方法的研究結論。杭慶均等[3]基于HT-NR3型旋流燃燒器對其燃燒時的火焰特性進行了模擬研究。Shen等[4]研究了直流射流形式下空氣分級燃燒的NOx排放情況,結果表明,與常規燃燒相比, 多級分級燃燒比單級燃燒能更有效地降低NOx排放.該試驗未對旋流結構的燃燒器作出討論。李翠超等[5]對防火實驗用油燃燒器火焰的射流傳熱特性進行了研究，根據傳熱分析和實測溫度探索了防火墻導熱的溫度變化規律。薛海鵬等[6]針對某1 000 MW機組旋流燃燒器，模擬不同超細煤粉再燃方案下爐內燃燒情況及NOx排放特性,結果表明超細粉再燃技術可有效降低大容量對沖燃燒鍋爐的NOx排放。白杰等[7]對NexGen型燃燒器進行了三維定常數值模擬,結果表明:采用Realizablek-ε模型計算得到的燃燒器出口下游101.6 mm處校準面上的溫度分布、七點平均溫度和平均熱流密度與實驗值吻合較好。何涇渭等[8]對一種新型強制鼓風式燃燒器在不同O2濃度下的燃燒特性進行了研究, 研究結果表明:隨著O2濃度的增加,測試爐膛內部火焰溫度升高,爐膛溫度分布均勻性變差,火焰最高溫度位置前移,火焰整體長度增加,NOx濃度相應升高。張海等[9]對低NOx旋流燃燒器的設計結構和NOx排放現狀進行了分析。解利方等[10]對濃淡燃燒式低氮燃燒器開展了模擬研究。

相較于先進國家,中國旋流燃燒器的研究起步較晚,且以燃用劣質煤為主,運行時普遍存在高溫腐蝕、水冷壁結焦、低負荷穩燃能力差等問題。盡管濃淡燃燒技術、雙調風技術和OFA(over fired air)綜合得到應用,但燃燒初期空氣與主火焰混合過早和過于強烈制約了NOx的進一步降低。進一步分離一次風和內二次風,減弱早期混合,是旋流燃燒器降低NOx排放的一個方向。許多學者對旋流燃燒器的氣固兩相流、熱態火焰、組分情況、高溫腐蝕及燃盡率等進行了大量的研究。但對DBC-OPCC型旋流燃燒器的研究報道較少。現使用Fluent軟件Reliablek-ε模型,對DBC-OPCC型低NOx燃燒器出口附近的空氣動力場與煤粉燃燒情況進行模擬并與冷態摸化實驗相結合,分析其溫度分布,煙氣組分分布、以及顆粒相分布,以便研究該燃燒器出口附近流場特性及燃燒性能。

1 模擬參數設置

1.1 燃燒器幾何模型及網格劃分

基于DBC-OPCC型低NOx燃燒器的原本結構及尺寸,采用Gambit軟件1∶1建模。圖1所示為DBC-OPCC型燃燒器結構圖,該燃燒器將其所用空氣分成了4個部分,即中心風、一次風、二次風、三次風。簡化模型僅保留二、三次風葉片部分、噴嘴及通流管道。燃燒器二次風、三次風葉片區域用非結構四面體網格，噴口區域為結構化網格,燃燒室采用六面體結構化網格。燃燒器噴口與燃燒室通過interface面連接。圖2所示為燃燒室模型和網格劃分。

圖1 DBC-OPCC型燃燒器結構圖Fig.1 The structure diagram of swirl pulverized coal burner of DBC-OPCC

圖2 燃燒室模型和網格劃分Fig.2 The model and mesh of combustion chamber

1.2 模擬參數的設置

對于DBC-OPCC型燃燒器出口流域動力場模擬,其湍流流動基于Relizable 兩方程模型進行,燃燒粒子的軌跡采用隨機追蹤模型開展。二次風葉片開度為45°,具體參數如表1所示。所用燃料為趙莊煤,煤種分析如表2所示。入口設置為速度入口,出口設置為壓力出口，其值取-50 Pa；壁面為無滑移壁面。

表1 設計工況具體參數Table 1 Specific parameters for design condition

表2 煤質分析Table 2 Element analysis and industrial analysis of design coal

2 模擬結果分析

2.1 溫度場分析

圖3所示為燃燒器y=0切面的溫度分布。由圖3可知在二次風出口附近回流高溫煙氣加熱一次風并將其點燃形成部分高溫區。一、二次風夾心筒的組合結構對一、二次風進行適當隔離,且強化環形回流區的形成。兩個環形回流區利用較強的卷吸力加強風粉氣流的擾動與混摻，同時促使周圍高溫煙氣向內集聚。隨著一、二次風的逐步混摻,中心高溫區溫度高達1 700 K。后期,一、二次風近乎混合完全,受輻射散射的影響,室內溫度逐步降低。沿燃燒室的軸向方向,中央流域溫度沿遠離噴口方向逐漸降低。沿燃燒器徑向方向,中央回流區溫度最高,隨著氣流向外圍擴散,溫度逐步降低。即中間高兩邊低。對于一次風噴口區域,風粉氣流噴入速度較快，高溫回流熱煙氣首先加熱高濃度煤粉,并保持高的湍流度,氧含量低,不利于燃料粒子著火燃燒,從而該區域溫度較低。燃燒器噴口附近的溫度取決于回流區的形狀、大小以及煤粉顆粒的分布。通常,氧量充足、顆粒密集,其溫度相對較高。

圖3 y=0截面溫度場分布Fig.3 The temperature distribution of y=0 section

2.2 組分場分析

2.2.1 氧量分布

圖4所示為燃燒器y=0截面氧量分布。由圖4可知:燃燒器一次風噴口區域,受環形回流區強擾動力與卷吸作用,燃料粒子燃燒劇烈、氧氣消耗多,使出口兩側及中央高溫回流區,氧氣含量較低,低達0.000 4 mg/m3。沿燃燒室的軸向方向,中心流域的氧氣含量沿遠離噴口方向逐漸升高。沿燃燒室的徑向方向,從外二次風口向中間靠攏,氧含量逐步降低,即中央低兩邊高。與圖3對比,燃燒室的軸向或徑向的溫度變化趨勢與對應區域的氧量變化趨勢相反。即燃燒器噴口附近的氧量分布與溫度分布和顆粒濃度分布密切相關。高溫區對應低氧區,低溫區對應高氧區,燃料密集區氧氣含量相對較低。

圖4 y=0截面氧量分布Fig.4 The oxygen content distribution of y=0 section

2.2.2 CO2分布

圖5所示為燃燒器y=0截面CO2含量分布。由圖5可以看出，燃燒器噴口區域CO2含量較低，為0.14 mg/m3；中央與兩側環形回流區,CO2含量較高，為0.2 mg/m3。由于燃燒器出口附近燃料粒子密度大、氧量低,燃料不完全燃燒主要生成CO。隨著一、二次風逐步混摻,CO被氧化形成CO2高濃度區。沿燃燒室的軸向方向,中央流域的CO2含量整體趨勢為先升高又下降,沿燃燒室的徑向方向,從外二次風出口向中間靠攏,CO2含量分布表現為中間高兩邊低。通過與相應的溫度、氧量分布對比,出口流域軸向或徑向的CO2含量變化趨勢與氧量分布規律相反,與溫度分布規律相近。即CO2含量較大的區域其溫度高、氧量低，CO2含量較小的區域其溫度低、氧量高。

圖5 y=0截面CO2含量分布Fig.5 The CO2 content distribution of y=0 section

2.2.3 CO分布

圖6所示為燃燒器y=0截面CO含量分布。由圖6可以看出，在燃燒器噴口區域CO含量極高，約為0.27 mg/m3；中央回流區CO含量較低。由于噴口處燃料的不完全燃燒使CO濃度較高。在中心回流區燃料粒子劇烈且完全燃燒形成了CO2高濃度區。沿燃燒室的軸向方向,隨著煤粉氣流逐步混摻,燃燒室中心的CO含量表現為逐步下降的趨勢。沿燃燒室的徑向方向,從外二次風出口向中間靠攏,CO含量逐步升高，在流域中心達到最高值,即中間高而兩邊低。與圖5對比,CO高濃度區對應CO2低濃度區。整體上,CO的分布較為廣泛,且基本沿出口流域的中軸線呈對稱分布。由于顆粒的不完全燃燒,使噴口處還原性氛圍濃厚是燃燒器降低NOx生成量的關鍵所在。

圖6 y=0截面CO含量分布Fig.6 The CO content distribution of y=0 section

2.3 NOx分析

根據NOx產生機理可知,NOx分為熱力型、燃料型和快速型。鑒于快速型NOx生成量少,重點考慮熱力型NOx和燃料型NOx。由于NOx中NO的份額約占90%,因此可用NO的分布代表NOx的分布。

圖7所示為燃燒器y=0截面NO含量分布。由圖7可知:燃燒器出口附近NO含量較低，中央回流區NO 含量相對較高約為2.684×10-4mg/nm3。燃燒器出口附近燃燒產生的NOx在濃厚的還原性氛圍中還原成N2。隨著一、二次風的逐步混摻,燃料粒子在中央回流區激烈且完全燃燒,生成大量的NOx和少量CO,形成較重的氧化性氛圍,因此該區NOx含量較高。沿燃燒室的軸向方向,中央區域的NO含量整體趨勢表現為先升高后下降,在中央回流區附近最高。即在高溫區之前,燃料粒子隨著風粉流的不斷混摻逐步燃燒,NO含量上升。在高溫區后,可燃粒子減少,NO含量逐步降低。沿燃燒室的徑向方向,NO主要分布在燃燒器流場區域的中心軸線附近,從外二次風出口向中間靠攏,流場區域的NO含量逐步升高,最高值在流域中心處,即中間高兩邊低。因此,在燃燒室內風粉氣流混摻充分且溫度較高的區域NO濃度較高。整體上,CO含量較高的區域與NO濃度較低的區域相對應,說明CO對于削減NOx的排量具有非常積極的作用。該燃燒器一、二次風夾心筒結構進一步分離一、二次風,減弱其早期混合,強化環形回流區的形成,從而強化加熱、揮發分析出、著火,噴口處形成了較重的還原性氛圍,使燃燒產生的NO含量整體偏低,能夠實現低氮燃燒的目的。

圖7 y=0截面NO含量分布Fig.7 The NO content distribution of y=0 section

2.4 顆粒軌跡分析

由圖8可知,具有較強剛度的一次風攜帶燃料顆粒充滿這個燃燒室且沿直線運動。煤粉在燃燒器徑向方向上形成外濃內淡的煤粉濃淡分布形態。一次風噴口附近受環形回流區的強擾動作用，高濃度的燃料粒子可在燃燒室內形成較好的充滿度。一次風剛度適應燃料需求。燃料粒子不會沖擊壁面,可顯著減輕爐膛結焦和腐蝕現象。噴口區域形成了高濃度煤粉,較高湍流度,低的氧量供應的“三高一低”區,此區域可強化加熱、揮發分析出、著火以及高溫火焰內的NOx還原,從而有效降低了NOx的排放,實現低NOx潔凈燃燒的目的。

圖8 煤粉顆粒軌跡Fig.8 Particle trajectories of pulverized coal

3 結論

(1)溫度分布沿燃燒室的軸向方向,中央流域溫度沿遠離噴口方向逐漸降低。沿徑向方向為中央高兩邊低。一、二次風夾心筒的組合結構可進一步減弱燃燒初期空氣與主火焰的過早混合,強化環形回流區的形成,一次風噴口區域溫度較低,該區域溫度取決于回流區的形狀、大小及煤粉顆粒分布。

(2 燃燒室內氧量、CO2、CO分布沿出口流域中軸線對稱分布,其中氧量及CO分布與對應溫度趨勢相反,CO2分布與溫度分布規律相近。高溫區與低氧區相對應,CO高濃度與CO2低濃度區相對應。

(3)NOx分布整體沿燃燒室軸向方向為先增大后減小,徑向方向為中間高兩邊低,NOx受噴口強還原性氛圍影響濃度較低。

(4)出口氣流剛度較強,在燃燒室內的充滿度較好,且沿直線運動,可防范水冷壁結焦與高溫腐蝕現象。燃燒器噴口處形成了高濃度煤粉,較高湍流度,低的氧量供應的“三高一低”區,此區域可有效降低NOx的排放。