低NOx旋流燃燒器燃燒特性數(shù)值模擬

徐 啟, 邢嘉芯, 張夢竹, 戚 恒, 張 巖

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,鄭州 450011)

低NOx旋流燃燒器以其穩(wěn)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(quán)[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(fēng)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(jìn)一步對比了PIV(particle image velocimetry)方法的研究結(jié)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(jìn)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(jié)果表明,與常規(guī)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了研究，根據(jù)傳熱分析和實測溫度探索了防火墻導(dǎo)熱的溫度變化規(guī)律。薛海鵬等[6]針對某1 000 MW機(jī)組旋流燃燒器，模擬不同超細(xì)煤粉再燃方案下爐內(nèi)燃燒情況及NOx排放特性,結(jié)果表明超細(xì)粉再燃技術(shù)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(jìn)行了三維定常數(shù)值模擬,結(jié)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(zhǔn)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(fēng)式燃燒器在不同O2濃度下的燃燒特性進(jìn)行了研究, 研究結(jié)果表明:隨著O2濃度的增加,測試爐膛內(nèi)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(yīng)升高。張海等[9]對低NOx旋流燃燒器的設(shè)計結(jié)構(gòu)和NOx排放現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)國家,中國旋流燃燒器的研究起步較晚,且以燃用劣質(zhì)煤為主,運行時普遍存在高溫腐蝕、水冷壁結(jié)焦、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力差等問題。盡管濃淡燃燒技術(shù)、雙調(diào)風(fēng)技術(shù)和OFA(over fired air)綜合得到應(yīng)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(jìn)一步降低。進(jìn)一步分離一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng),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(xué)者對旋流燃燒器的氣固兩相流、熱態(tài)火焰、組分情況、高溫腐蝕及燃盡率等進(jìn)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(xiàn)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(jìn)行模擬并與冷態(tài)摸化實驗相結(jié)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(shù)設(shè)置

1.1 燃燒器幾何模型及網(wǎng)格劃分

基于DBC-OPCC型低NOx燃燒器的原本結(jié)構(gòu)及尺寸,采用Gambit軟件1∶1建模。圖1所示為DBC-OPCC型燃燒器結(jié)構(gòu)圖,該燃燒器將其所用空氣分成了4個部分,即中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)。簡化模型僅保留二、三次風(fēng)葉片部分、噴嘴及通流管道。燃燒器二次風(fēng)、三次風(fēng)葉片區(qū)域用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，噴口區(qū)域為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,燃燒室采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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(wǎng)格劃分。

圖1 DBC-OPCC型燃燒器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of swirl pulverized coal burner of DBC-OPCC

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

1.2 模擬參數(shù)的設(shè)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(jìn)行,燃燒粒子的軌跡采用隨機(jī)追蹤模型開展。二次風(fēng)葉片開度為45°,具體參數(shù)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(shè)置為速度入口,出口設(shè)置為壓力出口，其值取-50 Pa；壁面為無滑移壁面。

表1 設(shè)計工況具體參數(shù)Table 1 Specific parameters for design condition

表2 煤質(zhì)分析Table 2 Element analysis and industrial analysis of design coal

2 模擬結(jié)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(fēng)出口附近回流高溫?zé)煔饧訜嵋淮物L(fēng)并將其點燃形成部分高溫區(qū)。一、二次風(fēng)夾心筒的組合結(jié)構(gòu)對一、二次風(fēng)進(jìn)行適當(dāng)隔離,且強化環(huán)形回流區(qū)的形成。兩個環(huán)形回流區(qū)利用較強的卷吸力加強風(fēng)粉氣流的擾動與混摻，同時促使周圍高溫?zé)煔庀騼?nèi)集聚。隨著一、二次風(fēng)的逐步混摻,中心高溫區(qū)溫度高達(dá)1 700 K。后期,一、二次風(fēng)近乎混合完全,受輻射散射的影響,室內(nèi)溫度逐步降低。沿燃燒室的軸向方向,中央流域溫度沿遠(yuǎn)離噴口方向逐漸降低。沿燃燒器徑向方向,中央回流區(qū)溫度最高,隨著氣流向外圍擴(kuò)散,溫度逐步降低。即中間高兩邊低。對于一次風(fēng)噴口區(qū)域,風(fēng)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(qū)域溫度較低。燃燒器噴口附近的溫度取決于回流區(qū)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(fēng)噴口區(qū)域,受環(huán)形回流區(qū)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(cè)及中央高溫回流區(qū),氧氣含量較低,低達(dá)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(yuǎn)離噴口方向逐漸升高。沿燃燒室的徑向方向,從外二次風(fēng)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(yīng)區(qū)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(guān)。高溫區(qū)對應(yīng)低氧區(qū),低溫區(qū)對應(yīng)高氧區(qū),燃料密集區(qū)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(qū)域CO2含量較低，為0.14 mg/m3；中央與兩側(cè)環(huán)形回流區(qū),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(fēng)逐步混摻,CO被氧化形成CO2高濃度區(qū)。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(fēng)出口向中間靠攏,CO2含量分布表現(xiàn)為中間高兩邊低。通過與相應(yīng)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(guī)律相反,與溫度分布規(guī)律相近。即CO2含量較大的區(qū)域其溫度高、氧量低，CO2含量較小的區(qū)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(qū)域CO含量極高，約為0.27 mg/m3；中央回流區(qū)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(qū)燃料粒子劇烈且完全燃燒形成了CO2高濃度區(qū)。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(xiàn)為逐步下降的趨勢。沿燃燒室的徑向方向,從外二次風(fēng)出口向中間靠攏,CO含量逐步升高，在流域中心達(dá)到最高值,即中間高而兩邊低。與圖5對比,CO高濃度區(qū)對應(yīng)CO2低濃度區(qū)。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(guān)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(jù)NOx產(chǎn)生機(jī)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(qū)NO 含量相對較高約為2.684×10-4mg/nm3。燃燒器出口附近燃燒產(chǎn)生的NOx在濃厚的還原性氛圍中還原成N2。隨著一、二次風(fēng)的逐步混摻,燃料粒子在中央回流區(qū)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(qū)NOx含量較高。沿燃燒室的軸向方向,中央?yún)^(qū)域的NO含量整體趨勢表現(xiàn)為先升高后下降,在中央回流區(qū)附近最高。即在高溫區(qū)之前,燃料粒子隨著風(fēng)粉流的不斷混摻逐步燃燒,NO含量上升。在高溫區(qū)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(qū)域的中心軸線附近,從外二次風(fēng)出口向中間靠攏,流場區(qū)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(nèi)風(fēng)粉氣流混摻充分且溫度較高的區(qū)域NO濃度較高。整體上,CO含量較高的區(qū)域與NO濃度較低的區(qū)域相對應(yīng),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(fēng)夾心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分離一、二次風(fēng),減弱其早期混合,強化環(huán)形回流區(qū)的形成,從而強化加熱、揮發(fā)分析出、著火,噴口處形成了較重的還原性氛圍,使燃燒產(chǎn)生的NO含量整體偏低,能夠?qū)崿F(xiàn)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(fēng)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(nèi)淡的煤粉濃淡分布形態(tài)。一次風(fēng)噴口附近受環(huán)形回流區(qū)的強擾動作用，高濃度的燃料粒子可在燃燒室內(nèi)形成較好的充滿度。一次風(fēng)剛度適應(yīng)燃料需求。燃料粒子不會沖擊壁面,可顯著減輕爐膛結(jié)焦和腐蝕現(xiàn)象。噴口區(qū)域形成了高濃度煤粉,較高湍流度,低的氧量供應(yīng)的“三高一低”區(qū),此區(qū)域可強化加熱、揮發(fā)分析出、著火以及高溫火焰內(nèi)的NOx還原,從而有效降低了NOx的排放,實現(xiàn)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(jié)論

(1)溫度分布沿燃燒室的軸向方向,中央流域溫度沿遠(yuǎn)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(fēng)夾心筒的組合結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減弱燃燒初期空氣與主火焰的過早混合,強化環(huán)形回流區(qū)的形成,一次風(fēng)噴口區(qū)域溫度較低,該區(qū)域溫度取決于回流區(qū)的形狀、大小及煤粉顆粒分布。

(2 燃燒室內(nèi)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(yīng)溫度趨勢相反,CO2分布與溫度分布規(guī)律相近。高溫區(qū)與低氧區(qū)相對應(yīng),CO高濃度與CO2低濃度區(qū)相對應(yīng)。

(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(nèi)的充滿度較好,且沿直線運動,可防范水冷壁結(jié)焦與高溫腐蝕現(xiàn)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(yīng)的“三高一低”區(qū),此區(qū)域可有效降低NOx的排放。