O2和水蒸氣對煤粉MILD燃燒影響的數值模擬

祝鑫陽,張立麒,羅俊偉,汪文哲，楊文海

(1.武漢武鍋能源工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

MILD(moderate or intense low oxygen dilution)燃燒是一種快速發展的新型燃燒技術，與常規旋流燃燒相比，是一種低O2體積分數稀釋下的溫和燃燒，具有熱流分布均勻、峰值溫度低等特點[1]，可同時實現較低的NOx排放和較高的燃燒效率[2]。由于該燃燒的實現通常需要將空氣預熱到較高溫度，且燃燒時無明顯火焰，因此也常被稱為“高溫空氣燃燒”[3]或“無焰燃燒”[4]。

煤粉等固體燃料的流動性、可燃性較差，在爐膛稀釋的低氧區域，較難同時滿足溫和且完全的燃燒，無明顯火焰的燃燒難以形成，故實現煤粉MILD燃燒的困難大。Suda等[5]對煤粉的MILD燃燒進行試驗研究，發現將空氣的預熱溫度由623 K增加到1 073 K時，點火延遲顯著減少，NOx的排放大幅下降；Mei等[6]在IFRF試驗的基礎上，通過數值模擬研究了反應物流速對煤粉MILD燃燒的影響，發現增加一次風流速導致峰值溫度下降了180 K，NO的排放下降了200×10-6。Saha等[7]通過天然氣的燃燒加熱使爐內溫度高于煤的自燃點，并改變爐子結構強化二次風與煙氣的混合，實現了褐煤與煙煤的MILD燃燒。

通過增加預熱溫度、提高射流速度和改變爐膛結構3種方式可降低煤粉著火熱及增加反應物在爐內的停留時間，促進了煤粉MILD燃燒的實現，但亦有耗能高、受爐膛結構限制等缺點，因此，尋求更為經濟方便的手段來促進MILD燃燒十分必要。

研究表明，富氧氣氛下水蒸氣會增加煤粉的著火延遲[8]，有利于焦炭微孔的形成[9]，且在低氧條件下，水蒸氣氣化作用對煤焦燃燒影響顯著[10]。Zou等[11]通過熱重試驗研究了煤粉在O2/H2O和O2/N2氣氛下的著火和燃燒特性，結果表明，O2/H2O氣氛下煤粉著火延遲，燃燒速率下降。這是由于水具有高比熱容、強輻射能力且能與焦炭發生氣化反應等特點，加入水蒸氣能降低煤粉反應速率和爐內溫度，且其生成的CO和H2等物質有利于NO的還原作用，符合煤粉MILD燃燒的特性。因此，以水蒸氣來促進煤粉MILD燃燒理論上可行。此外，MILD燃燒的主燃區處于一個低O2體積分數稀釋下的回流區域，爐內O2體積分數分布對燃燒產生較大影響，并使煤的反應動力學和污染物排放特性呈現與傳統燃燒方式不同的特征，因此有必要深入研究在不同O2體積分數下的燃燒機理。本文通過分析比較不同水蒸氣下煤粉MILD燃燒過程中的流場、溫度分布、焦炭反應性以及NO排放，旨在探討水蒸氣的加入對MILD燃燒的影響及不同O2體積分數下水蒸氣對煤粉燃燒過程影響的差異。

1 模擬對象與方法

1.1 幾何結構

以Weber等[12]設計的IFRF(international flame research foundation)試驗爐為研究對象，其幾何結構和尺寸如圖1所示。爐長6.25 m，橫截面為2 m×2 m。煤粉經一次風由外側2個平行的一次風噴口輸送進入爐膛。二次風通過位于中心的二次風噴口進入爐內。一次風噴口和二次風噴口內徑分別為0.027 3 m和0.125 m。試驗數據的測點分布在圖1中7個不同位置的截面。

圖1 試驗爐幾何結構Fig.1 Geometry structure of the experimental furnace

1.2 模擬方法

根據爐子結構的對稱性，僅對1/4試驗爐進行建模和模擬。采用Gambit 2.4.6對爐子進行六面體網格化分，網格總數約為830 000。然后將畫好的網格導入CFD軟件fluent 13.0進行模擬計算。

本文模擬煤顆粒脫揮發分由單速率模型(a single rate model)控制，當煤中的揮發分析出后，煤粉顆粒中的焦炭會與周圍的氣體發生反應，故煤粉燃燒模型采用多表面反應模型，共包括3步碳表面反應機理和5步容積反應，具體參數設置見表1。(A為指前因子；Ea為活化能,kJ/mol)湍流模型采用標準k-ε模型，化學湍流的相互作用采用EDC模型，輻射換熱采用DO模型，爐膛各壁面輻射率取0.4～0.6，且氣體混合物的吸收系數為1.5 m-1，散射系數為0.2 m-1。為提高計算的準確性，采用SIMPLE算法求解壓力-速度的耦合，壓力采用PRESTO！算法，動量、湍流動能、湍流耗散率、組分輸運和能量均采用二階迎風格式。本文NO的形成途徑僅考慮熱力型NO和燃料型NO，且均用后處理的方法進行計算。考慮到湍流及溫度波動的影響，采用β-PDF函數，NO形成模型的具體細節可參考文獻[18]。

1.3 模型驗證

為驗證本文數值模擬方法的準確性，將模擬結果與試驗數據[19]進行了對比，所用煤粉的性質及送風的入射條件可參考文獻[19]。

圖2給出了4個位置(z=0.150、0.440、0.735、1.320 m)徑向上試驗和模擬的速度對比。結果顯示，整體上模擬數據和試驗值的吻合度較高，僅中心線速度高于試驗值。Schaffel等[18]研究結果也顯示，截面1、2處的中心速度比試驗值高20 m/s，Vascellari等[20]的研究結果則高出30 m/s。Orsino等[21]認為，這是由于少量煤粉顆粒被二次風卷吸到中央噴嘴附近的下游區域，導致試驗中激光多普勒風速計(LDA)在該地區的測量信號較差，造成測量不準確。

表1煤粉的燃燒機理
Table1Combustionmechanismofpulverizedcoal

項目方程反應AEa/(kJ·mol-1)出處(1)C(s)+0.5O2→CO5×10-37.4×107文獻[13]碳表面反應機理(2)C(s)+CO2→2CO6.35×10-31.62×108文獻[13](3)C(s)+H2O→CO+H21.92×10-31.47×108文獻[13](4)Volatiels+1.471O2→1.38CO+2.069H2O+0.041N22.119×10112.027×108(5)CO+0.5O2→CO21.30×10111.26×108文獻[14]容積燃燒反應機理(6)CO+H2O→CO2+H22.75×1098.4×107文獻[15](7)CO2+H2→CO+H2O6.81×10101.14×108文獻[16](8)H2+0.5O2→H2O3.9×10171.7×108文獻[17]

圖2 4個位置試驗和模擬的速度對比Fig.2 Speed comparison between experiments and simulation at four locatiuons

圖3給出了4個位置(z=0.150、0.440、0.735、1.320 m)徑向上試驗和模擬的溫度對比。本文模擬計算的峰值溫度為1 951 K，與 Vascellari等[20]模擬的峰值溫度超過2 000 K相比，更接近試驗值。整體上看，該模型預測和試驗測量值之間無顯著差異，僅在截面1、2的一次風噴口處，模擬數據與試驗值存在較大差異。Vascellari等[20]和Schaffel等[18]在此處的模擬結果也均與試驗值存在很大差別，前者認為這可能與模擬時所用脫揮發分模型導致的著火延遲有關。

1.4 模擬條件

為研究不同O2體積分數下水蒸氣體積分數對煤粉MILD燃燒的影響，選取12種工況(表2)。考慮到煤粉鍋爐可能采用純氧助燃、煙氣再循環和Oxy-Steam等燃燒技術，第1個技術的氧化劑中O2體積分數遠大于21%，而后2個技術中水蒸氣體積分數高達30%以上，故21%～35%的O2和0～45%水蒸氣為工程中常見的濃度范圍。模擬過程中，煤粉性質、煤粉質量流量均與IFRF的試驗條件一致。所有工況的O2質量流量均設定為178.4 kg/h，一次風、二次風占總氧化劑的體積分數分別為16.8%、83.2%，初始溫度分別為423、1 623 K。

2 試驗結果和分析

2.1 溫度分布

為研究O2和H2O體積分數對爐內溫度場的影響，圖4為工況1～12的爐內峰值溫度分布，可以看出，當O2體積分數一定時，隨水蒸氣體積分數的增加，峰值溫度逐漸下降，這是由于H2O的比熱容和吸收率均比N2大，且焦炭與H2O的氣化反應也會吸收大量的熱；另一方面，當水蒸氣體積分數不變時，隨著O2體積分數的增加，峰值溫度上升，這是由于煤粉的燃燒速率隨O2體積分數的增加而大幅增大。O2體積分數為21%和28%時，隨著水蒸氣體積分數的增加，溫度峰值降幅更大，即較低O2體積分數下，水蒸氣對溫度峰值的抑制作用更明顯。這是由于在低O2體積分數下，氧化作用較弱，水蒸氣的氣化吸熱作用相對較強。

圖3 4個位置試驗和模擬溫度的對比Fig.3 Temperature comparison between experiments and simulation at four locatiuons

圖4 工況1～12的爐內峰值溫度分布Fig.4 Peak temperature distribution in furnace for Case1-Case12

圖5為工況1～4、工況7和11在x-z平面的溫度分布云圖。可以看出，O2體積分數28%時，隨著H2O體積分數的增加，主燃區大小和形狀基本沒有變化；而當H2O體積分數保持30%時，隨著O2體積分數的升高，主燃區形狀和大小也幾乎不變，但其峰值溫度和主燃區的溫度均明顯提高。

圖6為x-z平面上分別截取z=1.32 m的徑向溫度分布和x=0.18 m的軸向溫度分布。從圖6(a)可知，徑向溫度依次出現一個明顯的波峰和波谷，當O2體積分數為28%時，隨H2O體積分數的增加，峰值溫度下降，谷值溫度則差距不大；當H2O體積分數為30%時，隨著O2體積分數從21%增加到35%，峰值溫度從1 885 K增至2 011 K，上升幅度較大。從圖6(b)可知，當O2體積分數為28%時，隨H2O體積分數的增加，峰值溫度逐漸下降；當H2O體積分數為30%時，隨著O2體積分數從21%增加到35%，峰值溫度從1 817 K升至1 922 K，且位置略有右移，說明此時爐內的主燃區位置右移的同時，其整體溫度也有較大幅度的升高。

圖6 不同工況的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in furnace on different conditions

2.2 氣體組分分布

圖7為工況1的中間產物揮發分、H2、CO的分布云圖，由于爐膛后半段組分變化不大，因此云圖只截取x-z平面z<5 m的部分。從圖7可以看出，3種中間產物分布在爐膛的上半部分，且均產生于一次風噴口的附近。

圖7 工況1的 x-z平面揮發分、H2、CO的分布云圖Fig.7 Volatile、H2、CO distribution contour in the x-z plane for Case1

圖8為工況1～4、工況7和11的揮發分、H2、CO在一次風噴口x=0.28 m的軸向分布情況。從圖8(a)看出，O2體積分數為28%時，隨著H2O體積分數的增加，揮發分析出延遲，峰值下降且右移，說明H2O體積分數的增加使揮發分的析出速率減小。這是由于H2O的氣化反應是吸熱反應，降低了反應周圍溫度。從圖8(b)、(c)看出，O2體積分數為28%時，隨H2O體積分數的增加，H2體積分數上升速率和體積分數峰值大幅增大，CO上升速率和體積分數峰值逐漸下降，這是由于氣化反應(4)和(5)存在一定的競爭關系，出現此消彼長的現象。此外，增加O2體積分數會大幅提高揮發分、H2和CO的析出速率。

圖8 不同工況下一次風噴口x=0.28 m處的軸向組分分布Fig.8 Axial component distribution of primary air jet at x=0.28 m under different conditions

2.3 焦炭反應性

表3給出了爐內工況1～4、工況和11中反應(3)～(5)的積分反應速率，由于所有工況煤粉的質量流量均為178.4 kg/h，且所給煤粉固定碳的比例一定，因此反應(3)～(5)的積分反應速率之和均相等且為定值。從表3的工況1～4可以看出，O2體積分數為28%時，水蒸氣體積分數對氣化反應(5)有促進作用，而對氧化反應(3)和氣化反應(4)具有抑制作用。當水蒸氣體積分數為30%時，隨著O2體積分數的增加，氣化反應(4)和(5)的積分反應速率均增大，而氧化反應(3)的積分反應速率則降低。

表3不同工況下反應(3)～(5)的積分反應速率
Table3Reactionrateofreactions(3)to(5)underdifferentconditionsmol/s

工況組分k3k4k5128%O20.128 500.068 130.026 17228%O2+15%H2O0.114 240.056 940.051 61328%O2+30%H2O0.110 280.046 310.066 22428%O2+45%H2O0.098 310.042 220.082 27721%O2+30%H2O0.137 690.030 270.054 841135%O2+30%H2O0.090 510.059 820.072 46

注:k3、k4、k5分別為表2中反應(3)～(5)的積分反應速率。

圖9為3個碳表面反應對應的碳消耗比例，可以看出:當O2體積分數為28%時，隨著H2O體積分數的增加，C+H2O反應比例逐漸上升，C+O2反應和C+CO2反應比例逐漸下降，說明增加H2O對反應(3)起促進作用，對反應(1)、(2)起抑制作用，但總體來說，H2O體積分數的增加可促進氣化比例。當H2O體積分數為30%時，隨著O2體積分數的增加，2個氣化反應C+CO2和C+H2O的比例均逐漸上升，C+O2反應比例則有較大幅度下降，這是由于增加O2體積分數使燃燒速率增大并釋放出大量的熱，使爐內溫度快速上升，從而促進了氣化反應。

圖9 3個碳表面反應對應的碳消耗比例Fig.9 Carbon consumption rate corresponding to three carbon surface reactions

2.4 NO排放

圖10為工況1～12在爐膛尾部NO的排放量。可知，21% O2時熱力型NO生成量較小，最高僅為22×10-6，而當O2體積分數為28%和35%時，熱力型NO生成量較大，在35%O2、無H2O工況下可高達798 ×10-6。這是由于21% O2時的爐內溫度較低，而隨著O2體積分數的升高，爐內峰值及整體溫度大幅升高，使熱力型NO快速增加。此外，在21%、28%、35% O2體積分數下，熱力型NO均隨著H2O體積分數的增加而降低，且O2體積分數越高，下降幅度越大。說明加入H2O降低了爐內溫度，抑制了熱力型NO的生成，且在高體積分數O2下，H2O體積分數對熱力型NO的作用更為明顯。

圖10 不同工況下爐膛尾部煙氣的NO排放量Fig.10 NO emissions in the furnace tail for different conditions

在O2體積分數21%、28%、35%下，燃料型NO均隨H2O體積分數的增加而下降，但下降幅度較熱力型NO小，即不同O2體積分數下，燃料型NO受H2O體積分數影響不大。這是由于熱力型NO的生成受溫度影響較小，而與O2體積分數及還原性物質關系較大。由表3可知，H2O的加入使氧化反應被削弱，還原作用增強，且促進了還原性物質H2的生成，抑制了熱型NO的形成。

此外，H2O體積分數不變時，隨著O2體積分數的升高，熱力型NO增加，燃料型NO減少。同樣，熱力型NO增加是由于較高O2體積分數下的爐膛溫度較高，而燃料型NO下降則是由于O2體積分數的增加降低了反應(3)的比例，即氧化反應相對削弱，還原作用增強。

3 結 論

1)O2體積分數為28%時，隨H2O體積分數增加，爐內峰值溫下降近200 K，溫度分布更均勻，燃燒速率減小，符合煤粉MILD燃燒的特點；且O2體積分數較低時，增加H2O使溫度峰值降幅更大。

2)O2體積分數為28%時，增加H2O體積分數使焦炭氧化反應的比例降低了13.6%，同時也使熱力型和燃料型NO的排放分別減少了192×10-6和13×10-6，因此從氣化反應比例及NO排放來看，H2O的加入有利于煤粉的MILD燃燒；且O2體積分數較高時，提高H2O體積分數對NO的抑制作用更明顯。

3)H2O體積分數為30%時，隨O2體積分數升高，爐內溫度峰值及整體溫度均明顯上升，揮發分、H2和CO的析出速率及峰值大幅增加。較高爐溫雖導致大量熱力型NO的生成，但也極大促進了氣化反應，并對燃料型NO的生成起一定的抑制作用。

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國家之強弱，視教育發達與否為標準。東西各國規定義務教育，凡學齡兒童已達就學之期，非有不得已事故不得廢學，否則罪其父母，此教育之所以溥及而國乃以強盛。方今民國初定，百端待理，顧尤以普及教育為根本之要圖。而謀普及教育，須從調查學齡兒童入手，某地應添設學校幾所，某地應需經費若干，種種設施，皆恃是以為準則。而以學齡兒童之人數比較就學差數之多少，尤足覘各地文化之遲速。[13]

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