水煤漿在雙錐逆噴燃燒器內燃燒過程的數值分析

莫日根,王乃繼,程曉磊

(1.煤炭科學研究總院,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

水煤漿含有30%～40%水分,其燃燒過程比煤粉燃燒需要更長時間來完成水分蒸發。在這段時間內需要保持較高的溫度和氧化劑濃度[1]。水煤漿流化床鍋爐通過在爐膛內流化大量石英砂為水煤漿燃燒提供溫度場[2]。其點爐過程需要消耗大量的動力和燃油,耗時、耗資巨大,且鍋爐負荷可調范圍較小。直接配置在鍋爐前端的水煤漿旋流燃燒器,在空間較大的爐膛內無法有效組織燃燒,普遍存在點火困難和燃盡率低的問題。而設置了衛燃帶的水煤漿預燃室雖然解決了點火問題,但是燃燒組織已不在控制范圍內,導致預燃室內部結渣嚴重[3]。

煤炭科學研究總院自主研發的煤粉雙錐燃燒器是一種先進的煤炭燃燒利用技術體系[4]。經工程實踐驗證其具有熱效率高、與天然氣燃燒可比擬的低污染物排放、寬負荷調節、啟停時間短等優勢。這些特點應用于水煤漿燃燒,符合其技術發展方向,對污泥、污水的減量化、資源化處理具有積極意義[5]。

從燃燒組織分析,煤粉雙錐燃燒所采用的強化著火燃燒組織形式大幅降低點火功率[6],同時燃燒器內強旋流能夠提高燃料在高溫區的停留時間。基于以上設計原理有效地解決了水煤漿燃燒停留時間和溫度之間的矛盾,但是目前相關研究較欠缺。本文以14 MW雙錐燃燒器為研究對象進行數值模擬,采用組分輸運模型對燃用煤粉和水煤漿分別進行三維數值模擬,通過比較2種燃料的流場特點、溫度、組分分布特點,討論了水煤漿雙錐燃燒組織的特性。

1 網格劃分及模型假設

雙錐逆噴燃燒器的設計運行程序為：通過點火燃油將燃燒器內的溫度提升至300～500℃。一次風攜帶燃料經一次風管到達回流帽,并被強制回流進入燃燒室前錐;二次風通過旋流葉片以旋流形式進入燃燒室前錐,并在前錐中部與逆流的一次風和燃料相遇。在很短的時間內,燃料被加熱到點火溫度。著火后到的燃料隨二次風邊旋轉邊燃燒,并沿著二次風的流向繼續向前運動,經過后錐的加速后噴出燃燒器進入爐膛。

14 MW雙錐燃燒器的幾何拓撲結構為5層圓柱體和圓錐的嵌套(A～E),如圖1所示。由外至內通過創建5層O-block(O-1～5)描述拓撲結構,可解決圓弧形狀Block邊界處網格扭曲,并且在近壁面處生成較理想的邊界網格。燃燒器網格劃分及邊界條件如圖2所示。考慮到連續相入口為帶壓射流,離散相為顆粒射流,故將一次風和二次風的入口設置為質量入口邊界條件和反射離散相壁面;出口為壓力出口邊界條件和逃逸離散相壁面。該模型計算域采用結構化網格,網格節點數為55萬,2×2×2行列式檢查最小值為0.693,網格角度最小值為45°。

圖1 O-block嵌套與燃燒器的拓撲結構Fig.1 O-block and the topology of the burner

圖2 網格劃分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary conditions

為建立穩定可靠的計算模型,采用如下假設：①假定水煤漿以充分霧化的形式進入計算域,水煤漿液滴的運動過程不發生結團、黏壁等現象。②使用兩步總包反應原理描述燃燒反應過程;假定所述燃燒反應是快速化學反應,即混合時間尺度遠大于反應時間尺度;燃燒反應所處流域為完全湍流狀態,即高雷諾數。③模擬是穩態計算過程,燃料量、空氣量及燃燒器所有其他運行參數均不隨時間變化。不包含點火、熄火等動力學細節描述,不涉及混合與反應時間尺度相近的其他現象。

2 數學模型及計算步驟

2.1 基本模型

燃料和空氣分別視作離散相和連續相。整個計算域簡化為由顆粒離散相和氣體連續相組成的彌散多相流體系[7]。其中,連續相的數學描述采用歐拉方法,并求解體積平均N-S方程,包括連續性方程、動量方程和能量方程[8]。能量方程中包括熱流、外力、擴散黏性耗散等形式的能量平衡。分散相采用拉格朗日方法描述[9]。通過在連續相內對大量質點的追蹤和路徑積分運算得到顆粒的軌跡。分散相和離散相之間進行動量、質量和能量的交換,即雙向耦合求解。這一過程通過交替求解連續相控制方程和離散相控制方程實現。直到連續相和離散相各參數不在隨迭代的進行發生變化后,輸出結果。

根據煤粉燃燒的模擬與工業運行參數的對比研究,本文采用Realizablek-ζ模型對湍流模型進行封閉[10]。該模型對圓形射流的擴散現象和強壓力梯度邊界層的模擬效果較好。對于Boltzmann數＜10的煤顆粒燃燒,需要考慮輻射傳熱。Fluent定義光學厚度為特定長度路徑氣體對特定波長輻射的減弱能力,其值越大表示越強的輻射吸收能力。燃燒器內富含水蒸氣和CO2,均對輻射熱具有強烈的吸收作用[11],可以視作光學厚介質。據此,本文選定P1模型計算燃燒器內的輻射傳熱[12]。該模型被廣泛應用于顆粒燃燒的計算研究。

煤粉和水煤漿均經歷水分蒸發、揮發分析出、揮發分燃燒、焦炭異相反應等。采用基于質量分數的輸運模型進行描述(式(1));連續相反應使用渦耗散模型[13]計算反應速率(式(2)、(3)),反應速率受大渦混合時間尺度控制;離散相顆粒反應包括揮發分析出反應和焦炭的異相表面反應(式(4)),反應速率動力學方程見式(5),擴散作用控制方程見式(6)[14]。熱解反應方程設置為兩步總包反應：第1步反應是揮發分析出并氧化為CO、CO2和H2O;第2步反應為CO氧化為CO2?？偘磻獏禐?.5,即第1步反應CO和CO2的生成比例為1。

式中,Yi為i組分的質量分數,%;ρ為氣相混合物的密度,kg/m3;v為速度矢量,m/s;Ji為i組分的擴散通量,kg/(m2·s);Ri為i組分的化學反應生成速率,mol/(L·s);Si為i組分自定義源相生成速率和離散相生成速率,mol/(L·s)。

其中,Yp為任意產物質量分數,%;Mω,f為反應物的摩爾質量,kg/kmol;下標f表示反應物;下標j取值1～N,表示任意組分;minf為所有對反應物計算中的最小值;Yf為反應物質量分數,%;A和B為經驗常數,分別為4.0和0.5;ε和κ為封閉湍流方程的參數;v′i,r為反應r中反應物i的化學計量數;v″r為反應r中產物的化學計量數;Mω,i為i組分的的摩爾質量,kg/kmol。Ri,r值為上述2個方程計算結果中的較小值,mol/(L·s)。

式中,D0為擴散系數;C1為密度,kg/m3;Tp為水煤漿顆粒的溫度,K;T∞為混合物溫度,K;dp為水煤漿顆粒的直徑,m;k為動力學反應速率,mol/(L·s);CZ為指前因子;E為活化能,J/mol;Ap為水煤漿顆粒的表面積,m2;mp為水煤漿的質量,kg;pox為氧化劑在氣氛中的分壓,Pa;R為反應速率。

對于水煤漿的模擬計算,本文將包含水分的煤粉顆粒視為水煤漿顆粒。為了便于比較煤粉和水煤漿燃燒組織特性的區別,煤粉的計算工況設置為10 MW(表1)。水煤漿的計算工況采用同樣的煤種和煤消耗量,煤質數據見表2。

表1 計算工況Table 1 Operating condition of calculation

表2 煤質分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of coal

水煤漿濃度設定值為60%。水煤漿水分的25%為煤工業分析水分(受顆粒表面熱解規律支配),其他水分定義為射流液態水,受液滴汽化規律支配方程見式(7)、(8)[15]。

式中,kc為質量傳遞速率,mol/(m3·s);Yi,s和Yi,∞為i組分自定義源相的生成速率和離散相的生成速率,mol/(L·s)。

2.2 材料特性及邊界條件

如前假設,燃燒器點火不在討論的范圍,所以計算過程將煤的熱解溫度設定為空氣溫度,使煤粉顆粒進入計算域后,隨即發生熱解。混合物導熱系數、黏性系數按照氣體質量組成計算。對于氣相中含有顆粒的模型,由于介質吸收和散射導致的輻射強度在經過每單位長度介質后的改變不容忽視,所以計算過程定義混合物的吸收系數模型為灰氣體加權模型[16],散射系數設定為0.5。

對于燃燒器壁面,假定外界平均溫度為300 K,爐內平均溫度為1 400 K,結合已有工業爐運行數據,考慮壁面沾污情況,計算得到雙錐的壁面熱通量為60 W/m2。壁面雙錐壁面均設置為離散相反彈邊界,內部發射率為0.8。

2.3 計算過程

如前所述,采用離散相模型來考慮顆粒相和連續相的相互作用,并通過隨機軌道模型追蹤顆粒運動。本文計算過程設置每次離散型注入計算域后連續相計算40步,并追蹤48 000條顆粒路徑粒徑以描述離散相的運動,計算過程如圖3所示。

圖3 模擬計算過程Fig.3 Simulation Calculation process

計算過程分為冷態計算和熱態計算。冷態計算中,關閉了能量方程和輻射方程,離散相和連續相為單向耦合。以一階差分格式開始計算,待計算穩定后改為二階差分格式。設置燃燒器出口速度為監控參數;以入口、出口質量差低于0.1%、速度殘差低于1%、連續性方程殘差低于10-3、其他控制方程殘差低于10-3作為判斷冷態計算收斂的指標。獲得冷態收斂解后,激活能量方程和輻射方程,并激活離散相和連續相的雙向耦合,計算直到獲得收斂解。熱態計算的收斂判定依據在冷態判定依據基礎上增加出口溫度變化監視,判定值為0.1%。

將模型應用于7 MW試驗平臺,結果見表3。燃燒器出口溫度誤差為3%,說明前述假定和簡化可確保數學模型的合理性和計算的可靠性。

表3 工業運行數據與模型預測值比較Table 3 Measurement data and prediction data

3 計算結果及分析

3.1 速度場及跡線分析

為便于區分,煤粉和水煤漿指代所研究的2種燃料,煤粉顆粒指代煤粉的單顆粒,水煤漿顆粒指代含水的煤粉的單顆粒。在僅描述顆粒行為時,對煤粉顆粒和水煤漿顆粒不作區分,統一用顆粒表述。

圖4 速度云圖Fig.4 Contours of velocity magnitude

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿在z=0平面的速度分布如圖4所示?？芍?前錐擴散角降低了二次風的速度,并提供了足夠的空間以實現動量的充分傳遞。一、二次風速度趨于一致后,經后錐收縮角的加速,形成高速射流從預燃室噴出,雙錐燃燒器這一特性對保持火焰剛性具有重要意義。一次風和二次風在前錐中部形成低速區,為煤粉或水煤漿的加熱和著火提供了時間,這對穩燃和點火十分關鍵。由于水煤漿中水分加速對系統動量的消耗,水煤漿的出口速度水煤漿比煤粉的低5%。但是2者的速度場形態類似,且在z=0平面的面積分平均速度均為47 m/s。說明,在相同的設計速度下若可以實現水煤漿的充分霧化,則煤粉的流場適用于水煤漿。

通過雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿的連續相跡線(圖5)可以看出,二次風的旋流產生了旋轉速度場使得一次風也形成了旋流,旋流在燃燒器內基本沒有衰減,并且在回流帽后方產生了強湍流區。結合離散相跡線分析可知,在雙旋流條件下,水煤漿或煤粉中較大顆粒獲得的切向速度更大,離心力也更大,從而與O2接觸的幾率變大。大顆粒進入到二次風旋流通道,在燃燒器內的行程增多,其燃盡效果將得到提升。較小的顆粒在回流帽后方的湍流區富集,及時為火炬核心提供燃料,維持其高溫。

圖5 連續相和離散相的跡線Fig.5 Path line of continuous phase and discrete phase

由于水煤漿中水分汽化為水蒸氣,使得燃燒器內的軸向阻力變大,因此在同樣的二次風入口旋流條件下,水煤漿連續相獲得了更大的旋流強度,這可以從離散相跡線積分出的顆粒停留時間看出。水煤漿的顆粒平均停留時間為0.33 s,而煤粉的顆粒停留時間為0.28 s。平均停留時間提高了18%,這可有效提高水煤漿在雙錐燃燒器內燃燒的穩定性。

3.2 溫度場分析

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿在z=0平面計算獲得的溫度場對比如圖6所示。在二次風旋流卷吸和后錐強制回流的共同作用下,部分高溫煙氣回流至前錐,在前錐形成高溫段,實現了燃料的加熱和點火。由于燃料和一次風的溫度較低,在回流帽出口處形成低溫區,低溫區左側是揮發分和煤粉顆粒著火形成的高溫區。該區域內煤粉顆粒溫度經過回流煙氣加熱達到著火溫度,并與旋流二次風充分混合接觸形成高溫、高燃料濃度的穩定點火區?；亓髅庇覀仁腔鹁娓邷貐^,煤粉或水煤漿和空氣在此范圍內速度趨于一致,形成具有一定剛性的火炬。

水煤漿比相同含碳量的煤粉增加了40%的水分,這部分水蒸發消耗的熱量使水煤漿著火比煤粉延遲且溫度降低[17]。相同入口速度下,水煤漿低溫區的徑向尺寸比煤粉增大300 mm,軸向脫火距離增大110 mm。煤粉燃燒和水煤漿燃燒在z=0平面的面積分平均溫度分別為1 151 K和989 K;煤粉和水煤漿的出口面積分平均溫度分別為1 457 K和1 258 K。此外,煤粉火炬對后錐的充滿度較水煤漿火炬要好,這是單位能量密度大的表現[18]。

3.3 水分分布

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿燃燒工況下水蒸汽體積分數如圖7所示。在前文所述低溫區內,水蒸汽濃度最大。在雙錐逆噴燃燒器中煤粉的水分高濃度區呈現為三角形;而水煤漿的則為紡錘形,且偏向前錐。該現象主要是2者水分含量上的區別在動量傳遞上的體現。結合溫度的對比分析可知,低溫區大小與水分含量一致,水分濃度梯度最大的地方也是溫度梯度最大的位置。逆噴的煤粉或水煤漿中的顆粒經過加熱,水分汽化為蒸汽。由于水蒸汽和煤粉密度上的差異,兩者沿軸向前進的距離不同,因而顆?？梢耘cO2充分接觸。雙錐燃燒器速度場的這一特點同樣適用于煤粉和水煤漿,這也是影響點火和穩燃的關鍵因素之一。

圖6 溫度云圖Fig.6 Contours of static temperature

圖7 水分分布云圖Fig.7 Contours of H2O

3.4 基于組分分布的火炬特性分析

CO2和O2體積分數可以反映水煤漿或煤粉燃燒過程中火炬特性。由雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿燃燒工況下O2體積分數如圖8所示?？梢钥闯?水煤漿的火炬鋒發散較小,搖曳閃爍較小,火炬更加堅挺。

圖8 組分云圖Fig.8 Contours of species

水煤漿火炬燃燒最劇烈的位置較煤粉提前了438 mm。但其衰減速度也更快,在燃燒器出口位置火炬截面衰減了近50%。結合圖6可知,水煤漿火炬核心溫度低于煤粉火炬約150℃。由CO體積分數分布可知(圖8),水煤漿火炬中CO高濃度區明顯較煤粉大。這說明由于水煤漿水分含量高,氧含量相對降低,點火后第1步反應進行較充分,第2步反應明顯較煤粉燃燒的情況滯后,所以生成了更多的CO等可燃氣體,氣體的燃燒速率快于焦炭顆粒。這也說明了水煤漿火炬核心區較煤粉火炬提前且衰減速度更快的原因。通過以上分析可以發現,雙錐燃燒器對水煤漿的穩燃效果同樣明顯。與此同時,火炬核心溫度降低和低空氣密度的特性對燃燒過程的低NOx排放具有積極意義。

4 結 論

1)水煤漿的燃燒特性處于逆噴雙錐燃燒組織控制的有效范圍,證明該燃燒組織原理是解決水煤漿燃燒過程中,溫度與效率矛盾的有效方法之一。

2)水煤漿和煤粉的速度場類似。水煤漿中水分汽化增大了燃燒器的阻力,使離散相顆粒在燃燒器內的停留時間增加。由于水分含量高,水煤漿著火位置較煤粉延后110 mm。燃用水煤漿的燃燒器內平均溫度和出口溫度分別比燃用煤粉低162 K和199 K,水煤漿火炬的核心溫度區比煤粉提前438 mm,且火炬剛性強于煤粉火炬,但其衰減速度快于煤粉火炬。這是由于水分的增加,氧含量相對降低,使第1步反應生成的可燃氣體富集所致。

對此，蘇碧輝也表示不認同，他告訴本刊記者，開庭當天，法院有問老伴是繳納復植補種保證金還是自己復植，老伴也明確答復愿意自己復植。而福建鼎力司法鑒定中心的鑒定結論也表明，該林地只是原有植被被毀壞，但種植條件的破壞相對較輕微，稍微改良土地就可以恢復種植條件，直接種植。然而，由于今年當地干旱嚴重，政府、學校及居民用水都無法供應，學校還因缺水而停過課，因此暫時不具備種植條件，而且當時已經過了植樹的季節，所以暫未復植。

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