燃煤與半焦混合燃燒過程中燃盡風配風位置對燃燒特性影響的模擬研究

阮志龍, 廖偉輝, 呂興城, 郭嘉威, 何曉燕, 馬 侖

(1. 廣東紅海灣發電有限公司, 廣東汕尾 516623;2. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室, 武漢 430074)

燃料梯級利用是煤炭清潔高效利用的重要途徑。煤熱解副產品半焦是低揮發份、高熱值燃料,其燃燒發電是實現煤炭清潔高效梯級利用的重要方式。近年來,我國煤化工行業每年產生千萬噸級的低階煤熱解半焦,其堆放易造成二次污染和安全隱患[1]。如何實現半焦的清潔高效處理已成為制約我國煤炭清潔高效梯級利用產業化的關鍵技術瓶頸。國家發展改革委、國家能源局在《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》報告中指出,要重點研究低階煤熱解及熱解產物的清潔高效利用技術[2]。半焦的揮發分含量低,存在著火困難、燃盡率低、氮氧化物(NOx)排放高等問題[3-4]。目前,實現低階煤熱解半焦穩定高效燃燒的主要途徑有單獨燃燒和摻燒這2種技術路線,其中,半焦與高揮發分含量的煤混合燃燒是實現半焦高效穩定燃燒利用的有效方法之一[5-6]。

國內外已有許多學者開展了低階煤熱解半焦與高揮發分含量的煤摻燒的相關研究。HU L L等[7]通過熱重分析和沉降爐燃燒試驗,發現煙煤摻燒半焦后會顯著改善半焦的燃燒特性、燃盡率和NOx的排放特性,建議半焦的摻混比例(文中均為質量分數)控制在40%以內。WANG C A等[8]對煙煤半焦與煙煤在高溫沉降爐中混合燃燒過程的燃盡率和NOx排放特性開展了研究,并揭示了摻燒過程中氮的遷移轉化機制。WANG P Q等[9]基于300 MW燃煤鍋爐開展了煙煤半焦與煙煤摻燒的現場試驗和模擬分析,發現提高半焦摻混比例會顯著影響NOx的排放和飛灰含碳量水平,建議在爐內、外摻混方式下分別控制半焦摻混比例在50%和33%以下。ZHANG J等[10]在600 MW燃煤鍋爐上開展煙煤和半焦的摻燒試驗,發現煙煤促進半焦的燃燒,同時摻燒半焦可以降低NOx的排放水平。

筆者在某2.4 MW旋流煤粉燃燒爐上進行煤粉與半焦混合燃燒的試驗,探究半焦摻燒比例對燃燒特性的影響,同時模擬分析燃盡風配風位置對燃燒特性的影響,以期為煤粉和半焦在電站鍋爐中燃燒的優化提供一定參考。

1 旋流煤粉燃燒爐簡介

某2.4 MW旋流煤粉燃燒爐的結構和尺寸見圖1[11]。燃燒爐前端為旋流燃燒器,燃燒器內部環形區域為攜帶煤粉的直流一次風,外側環形區域為助燃的旋流二次風。旋流二次風卷吸高溫煙氣,使煤粉在燃燒器預燃室內快速著火燃燒。煤粉和半焦的工業分析及元素分析見表1。

表1 煤粉和半焦的工業分析及元素分析

圖1 2.4 MW旋流煤粉燃燒爐示意圖

2 計算方法

煤粉及半焦混合燃燒涉及一系列復雜的傳熱傳質、化學反應過程?；贔LUENT 16.0軟件模擬分析煤粉與半焦的混合燃燒特性和NOx生成特性。旋流燃燒器的旋流強度大,采用旋流修正的Realizablek-ε湍流模型模擬氣相湍流的流動過程;采用隨機軌道模型模擬煤粉顆粒的運動過程;采用雙方程競爭反應模型模擬煤粉的揮發分析出過程;采用有限速率/渦耗散模型模擬氣相湍流的燃燒過程;采用動力/擴散反應模型模擬焦炭燃燒過程;采用P1模型對燃燒過程中的輻射傳熱過程進行計算;采用灰氣體加權和(WSGG)模型對氣體輻射特性進行計算。更多的模型介紹可參考相關文獻[12-16]。

設置過量空氣系數為1.22、一次風溫度為343 K、二次風溫度為573 K。煤粉粒徑滿足Rosin-Rammler分布,最小粒徑為1 μm,最大粒徑為300 μm,平均粒徑為45 μm,分布指數為1.36。為了保持模擬計算的一致性,使半焦的粒徑與煤粉保持一致。

為了簡化計算,選擇幾何模型的四分之一作為計算模型,并且設置交界面邊界為周期性邊界。根據燃燒爐實際幾何結構尺寸進行精細化的建模和網格劃分,使用高質量的六面體網格進行分區網格劃分。網格劃分示意圖及網格無關性測試見圖2。在燃燒器出口區和主燃區進行網格加密處理;在不摻燒半焦時開展網格無關性測試(網格數量分別為42萬、58萬和91萬),對比燃燒爐中心線的沿程溫度發現,3種網格線的溫度差異相對較小,其中58萬和91萬網格數量下的溫度曲線基本重合,因此最終選擇58萬網格數量開展模擬計算。計算過程中:設置一次風、二次風和燃盡風入口為質量入口邊界;設置爐體壁面為無滑移溫度邊界,發射率為0.7;設置燃燒爐出口為50 Pa壓力出口邊界;采用SIMPLE算法模擬壓力和速度場耦合,其余參數采用一階迎風差分格式。

圖2 網格劃分示意圖及網格無關性測試

3 結果分析與討論

3.1 模擬結果驗證

對不摻燒半焦時燃燒爐中心線上參數的模擬結果與試驗結果進行了對比分析,結果見圖3。由圖3可得:溫度、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)含量模擬結果與試驗測量值基本一致。燃燒爐出口參數的模擬與試驗結果對比見表3,試驗測量值與模擬結果基本符合。以上結果證明所采用的模型較為合理,可以用來開展旋流燃燒爐燃燒特性的研究。

表3 燃燒爐出口參數的模擬與試驗結果對比

圖3 模擬結果與試驗結果對比

3.2 煤粉燃燒特性

在僅燃燒煤工況下燃燒爐內的氣流速度、溫度、O2體積分數和焦炭燃燒速率云圖見圖4。從圖4中可以看出:在擴口式燃燒室內,一次風入口位置形成了明顯的卷吸回流區和低氧高溫區,這有利于煤粉的著火和燃燒穩定;在擴口式燃燒室出口區域形成了第2個明顯的回流區,這有利于煤粉焦炭的燃燒,從而提高煤粉的燃燒穩定性和燃盡程度。

圖4 煤粉燃燒特性

3.3 燃盡風配風位置對燃燒特性的影響

3.3.1 燃盡風配風位置對溫度的影響

不同燃盡風配風位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的溫度分布見圖5,燃燒爐中心線的沿程平均溫度分布見圖6。

圖5 不同燃盡風配風位置下的溫度分布

圖6 不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均溫度分布

在不同燃盡風配風位置和摻燒半焦的比例下,燃燒器擴口區域內的燃料都能快速穩定著火。在相同燃盡風配風位置下,隨著半焦摻燒比例的增加,高溫火焰長度逐漸縮短,主燃區的平均溫度輕微降低。半焦摻燒比例越高,易燃的煤粉含量越低,從而導致燃燒劇烈程度降低、高溫區域縮短。燃盡風配風位置距離燃燒器越遠,燃料在主燃區(低氧高溫區)的停留時間越長,在燃盡區(高氧低溫區)的停留時間越短。

3.3.2 燃盡風配風位置對O2含量的影響

不同燃盡風配風位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的O2含量分布見圖7,燃燒爐中心線的沿程平均O2含量分布見圖8。在相同燃盡風配風位置下,不同半焦摻燒比例工況的O2含量分布情況基本一致。主燃區的O2含量相對較低,隨著燃盡風的送入,O2含量增加,未燃盡的燃料在燃盡區繼續燃燒。燃盡風配風位置距離燃燒器越遠,低氧主燃區的區域范圍越大,燃料在主燃區的停留時間越長;燃盡風配風位置距離燃燒器越近,燃盡區的區域范圍越大,有利于焦炭(尤其是半焦焦炭)的燃盡。

圖7 不同燃盡風配風位置下的O2含量分布

圖8 不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均O2含量分布

3.3.3 燃盡風配風位置對焦炭燃燒速率的影響

不同燃盡風配風位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的焦炭燃燒速率分布見圖9。從圖9中可以看出:摻燒半焦后,焦炭的燃燒區域擴大,這主要是因為半焦焦炭比煤粉焦炭燃燒滯后。

圖9 不同燃盡風配風位置下焦炭燃燒速率分布

不同燃盡風配風位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況燃燒爐中心線的沿程焦炭燃燒速率分布見圖10～12。

圖10 不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均煤粉焦炭燃燒速率

不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均煤粉焦炭燃燒速率見圖10。煤粉焦炭燃燒速率的沿程曲線呈現出2個峰值區域(0.5 m左右和2.0 m左右)。燃燒器出口區域的氧量充足、溫度較高,該區域是煤粉焦炭燃燒的主要區域,因此在0.5 m左右的區域呈現出高燃燒速率。隨著與旋流二次風的充分混合,部分煤粉焦炭在燃燒器下游2.0 m左右的區域進一步劇烈燃燒,煤粉燃燒速率在該區域呈現出峰值。不同摻燒比例下,煤粉焦炭燃燒速率在下游4.0 m左右的區域處于較低水平,表明煤粉焦炭的燃盡程度相對較高。在相同燃盡風配風位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,煤粉焦炭燃燒速率逐漸降低,這主要是因為煤粉質量的減少。

不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均半焦焦炭燃燒速率見圖11。半焦焦炭燃燒速率的沿程曲線與煤粉的相似,呈現出2個峰值區域(0.5 m左右和2.0 m左右),2個峰值相差較小,這主要是因為半焦焦炭的反應性低于煤粉焦炭,其燃燒相對滯后。當燃盡風噴口位于距爐頭2.5 m處時,由于燃盡風的及時送入,處于高溫高氧環境的半焦焦炭進一步劇烈燃燒,呈現高燃燒速率。當燃盡風噴口位于距爐頭3.5 m和4.5 m處時,燃盡風噴口區域沒有呈現出明顯的高反應速率。因此,燃盡風噴口靠近主燃區有利于半焦焦炭的燃燒和燃盡。在相同燃盡風配風位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,半焦焦炭燃燒速率逐漸提高。

圖11 不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均半焦焦炭燃燒速率

不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均總焦炭燃燒速率見圖12?？偨固咳紵俾实难爻糖€呈現出2個峰值區域(0.5 m左右和2.0 m左右)。0.5 m左右的峰值顯著高于2.0 m左右的峰值,這主要是因為燃燒器出口區域的氧量充足、溫度較高,該區域是煤粉焦炭燃燒的主要區域,焦炭的燃燒速率高,因此在0.5 m左右區域呈現出第1個燃燒速率峰值。隨著燃料逐漸與旋流二次風的充分混合,部分煤粉焦炭在燃燒器下游2.0 m左右區域進一步劇烈燃燒,煤粉燃燒速率在該區域呈現出一定峰值。

圖12 不同燃盡風配風位置下燃燒爐中心線的沿程平均總焦炭燃燒速率

3.3.4 燃盡風配風位置對半焦焦炭燃盡率的影響

不同燃盡風配風位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的半焦焦炭燃盡率見圖13。在相同摻燒半焦比例下,隨著燃盡風配風位置遠離燃燒器出口,半焦焦炭的燃盡率降低,這主要是因為燃盡風越靠近燃燒下游,未燃盡半焦與燃盡風混合后的反應時間越短,越不利于其燃盡。在相同燃盡風配風位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,半焦燃盡率小幅度增加。幾種工況下的煤粉燃盡率均為100%。

圖13 半焦焦炭燃盡率

4 結語

以某2.4 MW旋流燃燒爐為研究對象,基于數值模擬研究煤粉與半焦混合燃燒過程中燃盡風配風位置對燃燒特性的影響,得出以下結論:

(1) 燃盡風配風位置對煤粉與半焦混合燃燒的著火特性影響較小,燃盡風不同配風位置下都可以實現其穩定著火燃燒。

(2) 燃盡風配風位置對燃盡特性有明顯的影響:燃盡風配風位置越靠近下游,燃料在主燃區的停留時間越長,在燃盡區的停留時間越短,未燃盡焦炭反應越不充分,其燃盡程度越差。因此,在實際運行或改造中,在確保NOx排放滿足要求的情況下,盡量使燃盡風配風位置靠近主燃區,該方式有利于改善半焦的燃盡特性。