300 MW機組四角切圓煤粉爐 空氣與富氧燃燒對比模擬研究

李 寧，葛家楠，汪健生

（1.河北省特種設備監督檢驗研究院滄州分院，河北 滄州 061000； 2.天津大學機械工程學院（中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室），天津 300072）

煤粉燃燒會釋放大量的氮氧化物、硫氧化物、氰化物、溫室氣體及粉塵[1-2]。基于嚴峻的碳排放形勢，富氧燃燒技術應運而生。此技術應用的主要工質為O2和CO2，N2的含量可以忽略，因此氮氧化物的生成量顯著減少。即使有少量氮氧化物產生，也會重新進入爐膛被還原，從而有效抑制燃燒過程中產生的溫室氣體和污染物。

富氧燃燒技術[3]首先是利用空氣分離裝置制取氧氣，形成純度高達99%以上的純氧和煤粉混合，利用一次風將其輸送至爐膛燃燒。與此同時，為降低絕熱火焰溫度，將循環煙氣和純氧按照適當的比例混合，形成與空氣氣氛相似的O2/CO2燃燒氣氛，由此利用CO2代替了空氣中的N2。沒有經過循環的煙氣進入冷凝器、脫硫塔等設備除去水分和硫化物[4]，經過壓縮機逐級壓縮形成液態的CO2得以儲存。

在實驗方面，Berrin等人[5]研究了在循環流化床中，2種褐煤在空氣、富氧空氣和富氧燃料3種情況下爐膛內的燃燒特性，說明了一種燃燒模式切換到另一種燃燒模式是可行的。劉洪燁[6]在富氧條件下測試了無煙煤、煙煤、貧煤、褐煤的燃燒特性，研究表明隨著水蒸氣體積分數的增加，煙煤的燃燒特性（著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒速率、平均燃燒速率）和其他3種煤呈現出了不同的趨勢。在數值模擬方面，霍玉恒[7]針對四角切圓和墻式切圓2種不同的燃燒方式，模擬了超超臨界660 MW機組富氧煤粉鍋爐爐內流場、溫度場以及壁面熱負荷分布，發現墻式切圓煤粉和送風的混合更為均勻，煤粉顆粒在2種燃燒方式中的運動軌跡有很大不同。在工業實踐方面，郭軍軍等[8]總結了35 MW機組富氧燃燒在燃燒特性等方面的應用成果，發現當富氧燃燒的一次風保持O2體積分數約為21%時，可以實現穩定著火。

雖然已有工程實踐[9-10]將富氧燃燒應用于鍋爐改造，但存在若應用富氧運行便不再適應空氣氣氛下燃燒的問題，使得改造的成本大幅度增加。因此，研究O2/CO2燃燒和空氣氣氛下燃燒的鍋爐爐膛傳熱特性的差異變得非常關鍵。本文針對亞臨界300 MW機組四角切圓煤粉爐，研究對比空氣氣氛下和不同比例的O2/CO2工況，以及在相同比例O2/CO2不同一次風二次風速下的速度場、溫度場、組分場和煤顆粒軌跡，對富氧燃燒下煤粉爐的燃燒進行詳盡的分析，尋求空氣氣氛和富氧環境下爐膛內燃燒的共同點和不同點，從而有效地利用現有設備，降低改造成本，推廣富氧燃燒技術，降低污染物和溫室氣體的排放。

1 鍋爐參數

本文研究對象為某亞臨界300 MW機組四角切圓煤粉爐，鍋爐采用Π型布置、懸吊結構、一次中間再熱、固體排渣。由于鍋爐的實際結構復雜，因此對其進行了簡化，鍋爐的壁面設置為溫度恒定的無壁厚壁面。爐膛上部依次布置有分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器、末級再熱器、垂直低溫過熱器、立式低溫過熱器、水平低溫過熱器以及省煤器。制粉系統為直吹式，4臺磨煤機正常投運利用一次風將煤粉吹入爐膛，燃燒器布置在爐膛的四角處，燃燒器中心線和爐膛壁面的夾角為48°和42°，其中燃燒器噴嘴間距設置為0.5 m，鍋爐燃燒室切圓示意如圖1所示。

2 數值模擬和網格處理

本文數值模擬采用三維穩態方法，Realizablek-ε湍流模型，近壁面選用標準壁面函數，輻射傳熱采用P1模型。氣固兩相流為歐拉-拉格朗日方法隨機軌道模型。揮發分析出為兩步競爭反應速率模型。選取組分輸運模型，湍流化學反應為渦耗散（EDM）模型。對于焦炭的燃燒，煤顆粒符合Rosin-Rammlar規律，最大粒徑為10–5m，最小粒徑為2×10–4m。壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散方法為標準格式，動量離散方法先采用一階迎風格式，待計算達到收斂后再修改為二階迎風格式。

氣相的邊界條件設置為：一次風速27 m/s，一次風溫343 K；二次風速47 m/s，二次風溫634 K；三次風速30 m/s，三次風溫412 K。對于顆粒相，邊界條件設置為：總煤量41.88 kg/s，進口溫度343 K。出口邊界條件為壓力出口，平均靜壓為–5 kPa，回流溫度為603 K，即為省煤器出口煙氣溫度。鍋爐壁面采用恒壁溫條件，具體取值見表1。

采用非結構化的四面體網格，網格劃分方式如圖2所示。在空氣氣氛下，選取了3種數目的網格進行了網格獨立性驗證，具體見表2。以爐膛出口煙氣溫度和O2、CO2體積分數作為判別依據，從計算的準確性和經濟性方面考慮，最終選擇了M2，即網格總數為157萬。

表1 壁面邊界條件 單位：KTab.1 Wall boundary conditions

表2 網格獨立性驗證 Tab.2 Mesh independence test

模擬采用的煤種為褐煤，其元素分析和工業分析見表3。為詳細研究O2/CO2氣氛下的爐膛傳熱特性，設置了7種不同工況，具體工況設計見表4。工況1為空氣氣氛下的鍋爐爐膛燃燒，該工況為對照組；工況2—工況4為O2/CO2氣氛下，改變兩者之間的體積分數配比；工況5—工況7為O2/CO2氣氛下，改變一次風和二次風的速度，以此來研究鍋爐爐膛流場和傳熱特性。

表3 煤質分析 w/% Tab.3 Quality analysis of the coal

表4 工況設計 Tab.4 Working conditions

3 計算結果討論

3.1 爐膛流場分析

圖3為空氣氣氛下爐膛XY、YZ、ZX3個截面的速度場分布。從圖3a)和圖3b)可以看出：空氣攜帶煤粉進入爐膛后，在卷吸作用下在垂直方向沿壁面上升，在爐膛中心處出現速度較小的區域，同時在燃燒器區域出現切圓[11]；圖3c)—圖3e)切圓的直徑隨爐膛高度增加呈現先增大后減小的趨勢，在切圓中心和貼近爐膛壁面處的速度較低，在燃燒器頂部，煤粉顆粒在爐膛中受到的卷吸作用減弱，因此速度分布相較底部和中心處形成了較為均勻的圓；在分隔屏過熱器和后屏過熱器處，由于壁面阻礙，旋轉速度減小，不再形成切圓。

圖4為7種工況下爐膛中心XY面的速度場分布。從圖4可以看出：在工況1的空氣氣氛下，爐膛中的氣流能達到最高的速度，且最大速度出現在燃燒器進口處，隨著氣流旋轉上升，其速度也逐漸降低，但總體上在煙道的速度仍高于富氧條件下的速度（圖4a)）；在同樣的一次風速與二次風速下，隨著O2/CO2比例的變化所能達到的最大速度降低，但總體上與工況1保持著相似的趨勢，爐膛內的動力場呈現基本對稱的分布，改變O2/CO2比例對速度場的影響不大（圖4b)—圖4d)）；改變一次風速與二次風速，當入口速度較小時，在燃燒器上方中心區域的速度分布相較前4種工況更為均勻，但是速度較小會使燃燒的穩定性變差，燃燒的擾動變弱，更嚴重的情況是煤粉顆粒與一次風可能發生分離（圖4d)—圖4g)）。

另外，圖4e)與圖4f)和空氣氣氛下的爐膛內流場相比有較大差異，在一次風量較低的情況下，煤粉流的剛度變弱。

由于風量較小容易使煤粉在燃燒器進口處發生堆積，嚴重時會產生結焦，使爐膛內的動力場被破壞。因此，工況5與工況6的速度較低不符合爐膛內的動力特性。

3.2 爐膛溫度場分析

圖5為工況1的XY、YZ、ZX截面的溫度場分布。由圖5a)和圖5b)可以看出：煤粉顆粒被吹入爐膛后，在冷灰斗處溫度最低，在此處輻射換熱較弱；在靠近燃燒器壁面附近達到最高溫度1 866 K，此時燃燒強度最大，在此處需要控制煙氣溫度不能超過灰分的熔點，否則會導致熱負荷增大從而出現水冷壁結渣的現象，降低鍋爐的使用壽命。

由圖5c)—圖5e)可知，在煙氣逐漸上升的過程中，靠近壁面的溫度開始逐漸降低，這是因為隨著煙氣旋流上升，不斷與周圍的水冷壁進行輻射換熱，因此在爐膛中央的溫度較高，而在四周壁面處溫度較低；在水平煙道中，過熱器和再熱器繼續與氣流交換熱量，但是煤粉已經燃盡，不如在燃燒器中的反應劇烈，所以在水平煙道內的溫度分布更為均勻。

圖6為工況1—工況7的爐膛XY中心截面的溫度場分布。由圖6可以看出，對比工況1和工況2，在相同O2體積分數下，火焰中心上移，爐膛可達到的局部最大溫度降低，為1 794 K，高溫區域在煙道中延伸的范圍減少，傳熱特性變差。這是因為CO2相對于空氣中的N2，比熱容較大，氣體升高1 K需要更多的熱量。同時，鍋爐爐膛中占主導地位的是輻射傳熱，CO2作為結構不對稱的三原子氣體，其輻射能力遠大于分子結構對稱的熱輻射的透明體N2[12]。因此，CO2能夠更快地將熱量傳遞給周圍的水冷壁，這也是工況2的高溫區域范圍在垂直煙道中小于工況1的原因所在。

對比工況2—工況4（圖6b)—圖6d)）可以看出：隨著O2/CO2比例的改變，O2體積分數增加，其最高溫度也相應升高，同時火焰中心逐漸下移，工 況3的局部最高溫度為1 898 K，其火焰中心有所上移，但還沒有恢復到空氣氣氛下的水平；工況4的局部最高溫度為1 992 K，其火焰中心基本與工況1相同。由此可見，增加O2體積分數能夠改善爐膛燃燒的穩定性[13]。這和Duygu等人的實驗結果一致[14]。

另外，對比工況4—工況7（圖6d)—圖6g)）可以看出：在同樣的O2/CO2體積分數下，工況6的最高溫度最高，達到2 045 K，比工況1高出近200 K；工況7局部最高溫度可達1 995 K，與工況4相差無幾，但是其高溫范圍小于工況4。可見，隨著進風速度的增加，局部最高溫度呈現出先增大后減小的趨勢。這是因為工況6的O2體積分數相比于工況4和工況7較低，氧氣消耗較快，容易達成局部高溫。工況7的一次風速和二次風速略小于工況4，因此，其局部高溫相近，但工況4的爐膛內O2體積分數略高于工況7，前者燃燒更為充分，因此，其高溫范圍更大。同時，工況5的高溫區域延伸范圍在垂直煙道中和工況1類似。這是因為此時一次風和二次風的速度相較于其他幾種工況較小，煤粉顆粒在燃燒器 中的停留時間較長，雖然減小進風速度有利于煤粉的充分燃燒，但是此時其最高溫度仍高達1 981 K，且工況5的高溫區域更為貼近壁面，煤粉氣流沖擊水冷壁，在較高的熱負荷下，可能會導致結渣現象的出現[15]。如對現有鍋爐進行改造，可以通過改變一次風、二次風送風位置，改變爐內溫度分布，使之溫度特性與空氣氛圍條件下相似。如受條件限制，無法改變一次風、二次風送風位置，實際運行時，也可采用改變送風參數的方法，適當改變一、二次風的速度分配，達到調整爐內溫度分布的目的。

圖7為工況1—工況4爐膛橫截面平均溫度隨爐膛高度變化。

由圖7可以看出：不論空氣氣氛下，還是富氧條件下，爐膛橫截面平均溫度都是在爐膛高度約 15 m處達到最高溫度；在爐膛高度0~15 m的范圍 內，富氧條件下的爐膛橫截面平均溫度都呈現出近似線性的變化，隨著O2體積分數的增加，橫截面最大平均溫度增加；在離開燃燒器后工況2—工況4的爐膛橫截面平均溫度差距不大，溫差在20 K之間，而空氣在離開燃燒器后的橫截面平均溫度明顯高于富氧燃燒下的溫度，原因仍為CO2的比熱容和氣體輻射影響。

3.3 爐膛組分場分析

圖8為空氣氣氛下爐膛XY中心截面處的O2、CO2、CO體積分數云圖。從圖8可以看出，O2體積分數最高的區域位于上部燃燒器，與之相對應的區域CO2和CO體積分數很低，此時煤粉顆粒被一次風送入爐膛還沒有開始燃燒。在點火后，爐膛溫度上升，煤粉中的水分蒸發，揮發分析出，進入燃燒階段，CO2和CO體積分數升高，隨后CO被進一步氧化生成CO2，因此在燃盡階段，CO的體積分數很低。

圖9為工況1—工況7爐膛橫截面平均O2、CO2、CO體積分數隨爐膛高度變化。由圖9a)和圖9b)可以看出，空氣氣氛下的橫截面O2平均體積分數和富氧條件下呈現出不同的趨勢。在富氧條件下，均是在爐膛高度約為15 m處達到最低，此處為第1層一次風進口，氧氣消耗較快，煤粉顆粒中的揮發分析出首先被氧化為CO。由圖9c)和圖9d)可以看出，在7種工況下，CO2的變化都不大，在10~15 m處有微小的下降，在15~30 m處又有回升。因為在此處CO生成的較多，導致CO2的微小變化，此處也是燃燒器內燃燒最為劇烈的區域。由圖9e)和圖9f)可以看出，不論在何種條件下，都是在爐膛高度為15 m處CO體積分數達到最高。隨著氧氣不斷從燃燒器其他進口補充，其體積分數又逐漸升高，伴隨著CO體積分數的急劇降低，CO被氧化為CO2。

另外，由圖9b)可以看出，當改變一次風與二次風風量時，在同一位置，O2體積分數隨一、二次風速度的增加而增加。這是因為，當速度較小時，煤粉氣流在爐膛內停留的時間較長，能夠進行更為充分的燃燒，因此最終爐膛內的O2體積分數保持在了較低的水平。同時，值得注意的一點是，工況5的CO2體積分數是在爐膛約15 m處達到了最低，而不同于其他幾種工況是在約20 m處達到最低。這是因為氣流速度較慢，不能使氧化生成的CO及時生成CO2，導致CO的堆積，因此此處CO2體積分數較低。

3.4 煤顆粒軌跡分析

圖10為工況1—工況7煤顆粒軌跡。從圖10可以看出：煤粉顆粒在爐膛中旋流上升，在燃燒器中揮發分質量分數較高，之后揮發分燃燒質量分數逐漸降低，直至燃盡；空氣氣氛下有少量揮發分會經過冷灰斗，而富氧條件下運動軌跡更為混亂（圖10a)），在工況7下氣流再次經過冷灰斗（圖10g)）。

對比圖10a)—圖10d)可以看出，當O2體積分數逐漸上升，在爐膛出口附近的揮發分越來越少，這是因為提高O2體積分數爐膛中揮發分燃盡的速度變快。同樣，對比圖10d)—圖10g)，降低一次風速與二次風速，煤粉卷吸上升的能力減弱，揮發分在燃燒器中推遲著火，熱穩定性變差，而且當燃燒離水冷壁太近時，會縮短鍋爐的使用壽命。

4 結 論

本文采用數值模擬方法對300 MW機組四角切圓燃燒亞臨界煤粉爐空氣及富氧燃燒條件的燃燒與溫度特性進行了研究，為現有鍋爐適應富氧燃燒條件改造提供了依據。數值模擬中，通過改變O2/CO2比例、一次風二次風的風量，研究了7種工況條件下，鍋爐內的流場、溫度場、組分場及煤顆粒的運動軌跡，得到如下結論：

1）相比空氣氣氛，富氧燃燒條件下，爐膛中的煙氣速度有一定程度的下降。而當改變O2/CO2比例時，對速度場的影響很小。輸送煤粉的一次風量不應過小，否則會導致煤粉與空氣相互分離，使爐膛中煤粉燃燒的擾動變弱，并降低燃燒穩定性。

2）將空氣中N2替換為CO2后，由于CO2的比熱容和氣體輻射影響，會造成爐膛局部最高溫度降低，火焰中心下移，由此導致爐膛內煤炭顆粒著火延遲，燃燒特性變差，但可通過增加O2體積分數改善這種情況。當O2體積分數為29%時，與空氣氣氛下的燃燒特性相似。

3）不同工況爐膛的組分場表明，工質為空氣的橫截面平均O2體積分數在爐膛內呈現出與富氧條件下不同的特點。當O2體積分數為29%，一次風速為17 m/s，二次風速為35 m/s時，由于CO不能及時氧化為CO2，CO2在爐膛中出現了急劇變化。

4）空氣氣氛下的揮發分軌跡較富氧條件下更為有序，說明提高O2體積分數有利于爐膛中的揮發分充分燃燒。而當風速降低時，會導致煤粉顆粒卷升能力下降，不利于揮發分燃燒。