彭龍飛，趙星海，辛國(guó)華

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013)

電站鍋爐中，煤在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的污染物NOX、SO2、CO2以及粉塵等，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。CO2作為溫室氣體的主要成分，對(duì)生態(tài)環(huán)境有著惡劣的影響[1]。為了有效的控制電站鍋爐中CO2的排放，提出了一種新型節(jié)能環(huán)保燃燒技術(shù)——富氧燃燒技術(shù)，它是將O2與循環(huán)煙氣混合代替空氣作為介質(zhì)參與燃燒，使煙氣中CO2濃度升高至90%以上，從而可以有效、經(jīng)濟(jì)地從電站鍋爐的煙氣中捕集CO2，并且采用這種燃燒方式還能減少SO2和NOX的排放，實(shí)現(xiàn)燃煤污染物的綜合脫除[2]。本文以某電廠600 MW四角切圓燃燒鍋爐為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件為基礎(chǔ)，選取了合適的數(shù)學(xué)物理模型和幾何結(jié)構(gòu)模型，對(duì)不同工況下煤粉鍋爐爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱與燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氣相組分濃度場(chǎng)分布。

1 研究對(duì)象

某電廠600 MW機(jī)組鍋爐HG-2008/18.2-HM3型為哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)CE技術(shù)生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)、固態(tài)排渣汽包爐。采用四角切圓燃燒方式，雙切圓均為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖1所示。每個(gè)角燃燒器分為上下兩組，底層一次風(fēng)距爐底16 846 mm，如圖2所示。

圖1 燃燒器切圓示意圖(單位:mm)

圖2 燃燒器噴口布置圖(單位:mm)

每角燃燒器分為上下兩組，底層一次風(fēng)距爐底16 846 mm。鍋爐設(shè)計(jì)為平衡通風(fēng)，單爐膛倒U型布置。整個(gè)鍋爐高81 m，爐膛截面尺寸為20 052 mm×20 193 mm，設(shè)計(jì)煤種為褐煤，煤粉分析如表1所示，煤的收到基低位發(fā)熱量為13.207 MJ/kg。鍋爐最大連續(xù)出力(BMCR)和額定出力分別為2 008 t/h和1 815 t/h。鍋爐為單爐膛、四角布置擺動(dòng)燃燒器，并配有8臺(tái)MPS-255中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)供給同層4只燃燒器燃燒。燃燒器噴口布置如圖2所示。

表1 煤質(zhì)分析

2 建立模型

2．1 網(wǎng)格劃分

本文按照該電廠鍋爐實(shí)際尺寸在Gambit中建立模型，從冷灰斗到爐膛出口區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，對(duì)壁面采用無(wú)厚度的固定壁面并進(jìn)行簡(jiǎn)化。在四角切向燃燒鍋爐的爐內(nèi)流動(dòng)計(jì)算中，爐膛的4個(gè)角上燃燒器的風(fēng)口速度方向與直角坐標(biāo)的網(wǎng)格邊界的夾角約為45°，容易產(chǎn)生偽擴(kuò)散，從而影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)燃燒器區(qū)域橫截面采用Paving方法進(jìn)行非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格生成，以減少偽擴(kuò)散的影響?？紤]到燃燒器區(qū)域的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)比較劇烈，對(duì)燃燒器區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算的精度。燃燒器區(qū)域某截面上的網(wǎng)格及整體爐膛網(wǎng)格如圖3所示[3]。

圖3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

計(jì)算中的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和狀態(tài)方程。煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒是一個(gè)很復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，它包括揮發(fā)分的釋放、焦碳的燃燒、輻射傳熱、顆粒運(yùn)動(dòng)和氣相流動(dòng)及湍流燃燒，涉及到多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和燃燒等多個(gè)學(xué)科[4]。本文中氣相湍流采用可實(shí)現(xiàn)的 k-ε模型，氣固兩相采用隨機(jī)軌道模型(stochastic tracking model)，輻射換熱采用P-1輻射模型(P-1 radiation model)，揮發(fā)分的熱解采用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)熱解模型(the two competing rates model)，揮發(fā)分燃燒采用混合分?jǐn)?shù)PDF(mixture-fraction/PDF)，焦炭燃燒采用動(dòng)力-擴(kuò)散模型[5]。采用有限差分法來(lái)離散微分方程，對(duì)控制方程的求解采用SIMPLEC算法，在直角坐標(biāo)系下的非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)中求解。對(duì)于近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法[6-7]。

2．2 邊界條件的設(shè)定

對(duì)于空氣氣氛工況下的爐內(nèi)煤粉燃燒，以實(shí)際鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算;應(yīng)用富氧氣氛工況下的爐內(nèi)煤粉燃燒，改變其二次風(fēng)量，使其氧煤比與空氣氣氛下相同，其它參數(shù)保持不變。二次風(fēng)量的送入以爐膛折焰角處CO質(zhì)量濃度不超過(guò)0.002和O2質(zhì)量濃度不超過(guò)0.005為依據(jù)，以保證與空氣氣氛下折焰角處的CO和O2質(zhì)量濃度一致。煤質(zhì)分析如表1所示。計(jì)算選擇5個(gè)工況，詳細(xì)設(shè)定如表2所示。

表2 邊界條件的設(shè)定

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3．1 爐膛溫度分布和熱負(fù)荷分布

圖3為工況1空氣氣氛下?tīng)t膛中心縱截面溫度場(chǎng)分布圖。由圖3可知，爐膛冷灰斗區(qū)域溫度最低，隨著爐膛高度的增加，爐內(nèi)溫度逐漸升高。爐內(nèi)高溫區(qū)主要集中在燃燒器區(qū)域，煤粉氣流在爐膛中央形成旋轉(zhuǎn)的漩渦，爐膛內(nèi)氣流螺旋上升。計(jì)算得到的空氣氣氛下?tīng)t內(nèi)最高溫度為1 902.50 K，出口煙氣質(zhì)量流量為734.23 kg/s，實(shí)際運(yùn)行鍋爐約為747.33 kg/s，這些數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行鍋爐參數(shù)相吻合，驗(yàn)證了計(jì)算模型選擇的合理性。圖4為工況1空氣氣氛下?tīng)t膛的壁面熱負(fù)荷情況，爐膛內(nèi)的傳熱絕大部分為輻射換熱，爐膛底部與頂部以及煙道處的熱負(fù)荷較低，燃燒器區(qū)域的熱負(fù)荷較高，這主要是由于燃燒器區(qū)域煙氣溫度水平較高，對(duì)靠近它的水冷壁有較強(qiáng)的輻射，而爐膛底部與頂部及煙道附近的換熱面附近氣體溫度較低，而且距離氣體高溫區(qū)較遠(yuǎn)，所受輻射較低。壁面熱負(fù)荷最大值出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域附近壁面上，沿爐膛向上、向下逐漸降低，體現(xiàn)了熱負(fù)荷的不均勻性，同時(shí)熱負(fù)荷最大的區(qū)域出現(xiàn)在換熱墻的中心位置，這與爐膛內(nèi)的氣體動(dòng)力場(chǎng)有關(guān)，可能會(huì)引起此處水冷壁結(jié)渣。

圖3 爐膛中心截面溫度分布

圖4 爐膛壁面熱負(fù)荷分布

3．2 富氧氣氛下?tīng)t內(nèi)溫度場(chǎng)和壁面熱負(fù)荷的分布特征

富氧氣氛下工況2—工況5爐膛中心縱截面溫度分布與熱負(fù)荷分布如圖5所示。工況2中O2/CO2體積比為21/79，其送入爐膛的氧氣量以及生成的煙氣量與工況1相同。工況2中爐膛溫度大大降低，火焰中心和高溫區(qū)域明顯減少，燃燒呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。這主要原因是由于CO2具有較大的比熱，使?fàn)t膛內(nèi)煙氣的蓄熱增加，導(dǎo)致總體溫度水平下降。隨著富氧氣氛下氧氣濃度的升高，爐膛內(nèi)整體溫度水平呈上升趨勢(shì)，其在氧氣體積濃度約為29%時(shí)爐內(nèi)最高溫度與空氣氣氛下接近。隨著氧氣濃度的升高，火焰中心逐漸下移，燃燒器上層高溫火焰貼近爐膛壁面，容易造成水冷壁結(jié)渣;爐內(nèi)CO2及總煙氣量逐漸減少，爐內(nèi)煙氣的蓄熱量隨之減少，爐內(nèi)總體溫度水平提高。

圖5 富氧氣氛下工況2—工況5爐膛中心截面溫度分布與熱負(fù)荷分布

圖6、圖7和圖8分別為爐膛橫截面CO2、CO和O2濃度沿爐膛高度的變化規(guī)律。由圖可知:各個(gè)工況下高溫燃燒器區(qū)域所對(duì)應(yīng)的CO濃度較高，而CO2、O2濃度卻相對(duì)下降。這是因?yàn)樵谌紵鲄^(qū)域溫度較高，煤粉發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，需要大量的氧氣參與燃燒反應(yīng)，從而造成燃燒器區(qū)域氧氣量降低。氧氣量不足導(dǎo)致煤粉不能完全燃燒而生成較多CO，CO在隨著煙氣上升的過(guò)程中逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)。隨著爐膛高度的增加，O2和CO濃度不斷降低，CO2濃度不斷提高，在爐膛出口處CO達(dá)到完全燃燒。在O2/CO2氣氛下，爐膛出口煙氣中CO2的濃度均可達(dá)到90%左右。

圖6 爐膛橫截面平均CO2濃度沿爐膛高度變化

4 結(jié)論

1)富氧氣氛O2/CO2=21/79的工況下，爐內(nèi)溫度較空氣氣氛下降200K左右，煤粉著火推遲，火焰中心上移，燃燒不穩(wěn)定，換熱能力變差。

2)O2/CO2氣氛下，隨著氧氣濃度的提高，煤粉的燃燒得到強(qiáng)化，爐內(nèi)溫度升高，爐內(nèi)高溫區(qū)變大，火焰中心逐漸下移，對(duì)煤粉的著火和燃燒有利。

3)爐內(nèi)的煙氣輻射與煙氣成分和氣象溫度有很大關(guān)系，富氧氣氛下?tīng)t膛出口煙氣中CO2氣體濃度達(dá)到90%左右，使得煙氣的密度增大，比熱容增高，爐內(nèi)三原子氣體CO2的增加和爐膛溫度的升高導(dǎo)致輻射能力的加強(qiáng)。

4)O2/CO2氣氛下，CO2及水蒸氣的濃度較之空氣氣氛下增加很多，在相同的氧煤比下，隨著氧氣濃度的提高，煙氣量逐漸下降，從而增加了煙氣的密度和熱容，鍋爐內(nèi)的對(duì)流換熱段的換熱效率將會(huì)增加。

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