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(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國電力投資集團(tuán)公司,北京 100032)
一種用于攜帶流反應(yīng)器試驗(yàn)臺的煤粉燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
楊建成1,吳江全1,胡亞民2,孫紹增1
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國電力投資集團(tuán)公司,北京 100032)
為了優(yōu)化一種用于攜帶流反應(yīng)器系統(tǒng)的煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù),降低氮氧化物排放,本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對該煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。結(jié)果表明,燃燒器一次風(fēng)噴口采用擴(kuò)口結(jié)構(gòu)以及對沖二次風(fēng)的引入均能有效的促進(jìn)二次風(fēng)與一次風(fēng)煤粉的混合,增強(qiáng)煤粉著火及燃燒的穩(wěn)定性。適當(dāng)增加二次風(fēng)噴口與一次風(fēng)噴口的間距可以加速煤粉的燃盡。采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得更低的氮氧化物排放,為基于攜帶流反應(yīng)器系統(tǒng)的燃煤污染物減排研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
燃燒器;NOx;攜帶流反應(yīng)器;優(yōu)化設(shè)計(jì);數(shù)值模擬;煤粉燃燒
攜帶流反應(yīng)器是研究煤粉燃燒及污染物減排最基本和最常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一。作者自主設(shè)計(jì)的多反應(yīng)控制段攜帶流反應(yīng)器[1]可以有效的模擬實(shí)際鍋爐燃燒沿垂直方向上的一維工況,研究如何通過爐內(nèi)空氣分級、燃料分級燃燒等方式降低NOx的排放。該試驗(yàn)臺最大的特點(diǎn)是燃燒器、取樣槍及燃盡風(fēng)噴口均可沿著爐膛方向軸向移動(dòng),這更有利于控制實(shí)驗(yàn)過程中停留時(shí)間的變化,擴(kuò)展了可研究的范圍;爐膛采用分段加熱的方法,可以模擬不同的燃燒區(qū)域的溫度水平。攜帶流反應(yīng)器爐膛結(jié)構(gòu)相對簡單,爐內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)對爐膛內(nèi)部的溫度場及流場的穩(wěn)定性有極高的依賴性。燃燒器是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,關(guān)系著爐內(nèi)燃燒是否穩(wěn)定以及最終燃燒效果的好壞,還影響著爐膛尾部氮氧化物的排放水平。燃燒器結(jié)構(gòu)將影響著爐膛整體的流場及燃燒穩(wěn)定性,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性發(fā)揮著極其重要的作用。本文通過模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對燃燒器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過優(yōu)化,可以使?fàn)t膛燃燒更為穩(wěn)定,著火提前,達(dá)到降低氮氧化物排放的目的。
攜帶流反應(yīng)器用煤粉燃燒器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾條原則[2]:
(1)正確選擇燃燒器型式,保證煤粉及時(shí)著火以及燃燒的穩(wěn)定性。通過考察攜帶流反應(yīng)器中相關(guān)氣體組分(O2,CO及CO2)的穩(wěn)定性,判斷反應(yīng)器燃燒是否穩(wěn)定。
(2)正確選擇一、二次風(fēng)量及其比例,以及組織好它們之間的混合,對促進(jìn)煤粉氣流的穩(wěn)定燃燒有重要影響。從促進(jìn)著火的角度講,一次風(fēng)量的比例不宜過大,否則不利于一次風(fēng)煤粉穩(wěn)定著火;二次風(fēng)應(yīng)該在一次風(fēng)煤粉氣流已經(jīng)著火后混入,過早的將二次風(fēng)與一次風(fēng)混合等于增加一次風(fēng)量。但是從促進(jìn)混合的角度講,在著火前,一次風(fēng)與二次風(fēng)的風(fēng)溫較低,體積較小,在燃燒器出口附近氣流速度高,比較容易組織混合;而在著火以后,溫度升高,煙氣體積膨脹,粘度升高,這時(shí)氣流速度又已經(jīng)降低,二次風(fēng)和一次風(fēng)的混合比著火前困難得多。因此,只要不影響著火,使部分二次風(fēng)和一次風(fēng)在著火前混合也是有好處的[3]。針對干燥無灰基揮發(fā)分含量大于40%的煤種,可以考慮二次風(fēng)在一次風(fēng)著火前進(jìn)行混合。
(3)正確選擇爐膛出口過量空氣系數(shù),保證足夠的空氣量實(shí)現(xiàn)完全燃燒。如果過量空氣系數(shù)太低,則在燃盡區(qū)的氧濃度將很低,這將使燃盡過程拖得很長。但是,過量空氣系數(shù)也不能太大,因?yàn)殡S著過量空氣的增加,將使得燃燒溫度降低,從而使燃燒過程減慢。因此,通過控制一、二次風(fēng)量進(jìn)而控制過量空氣系數(shù)也會影響著爐膛的組織燃燒。
(4)合理布置一、二次風(fēng)位置,營造局部還原性氛圍,為低NOx燃燒器減排氮氧化物創(chuàng)造條件。
(5)合理組織燃燒,促進(jìn)一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合,保證爐膛出口較高的煤粉燃盡率。相比于旋流煤粉燃燒器等其他燃燒器,直流煤粉燃燒器一次風(fēng)射流剛性更強(qiáng),二次風(fēng)與一次風(fēng)煤粉的混合推遲,爐膛內(nèi)部局部溫度下降,在爐膛尺寸一定的條件下,炭燃盡率會下降[4]。因此,針對攜帶流反應(yīng)器而言,采用直流煤粉燃燒器必須適當(dāng)提高煤粉細(xì)度,改善煤粉顆粒分布均勻性,改善燃料與空氣的混合。對于低階煤,二次風(fēng)提前與一次風(fēng)的充分混合,有利于著火提前,延長煤粉著火后在爐膛內(nèi)部的停留時(shí)間,進(jìn)而改善煤粉的燃盡效果。
圖1 燃燒器噴口示意圖
本文所討論的燃燒器位于攜帶流反應(yīng)器頂部,其簡圖如圖1所示。燃燒器一次風(fēng)噴管由全長1.5 m,外徑為51 mm的不銹鋼管作為外套管,中心給粉管內(nèi)徑14 mm,噴口處采用擴(kuò)口設(shè)置,根據(jù)自由射流的特點(diǎn)[2,5],擴(kuò)口角度設(shè)置為30°,為保證燃燒器在爐膛內(nèi)安全運(yùn)行,采用了冷卻油對燃燒器進(jìn)行不間斷冷卻。二次風(fēng)呈對沖布置進(jìn)入爐膛,其噴口中心與一次風(fēng)噴口距離為lmm,二次風(fēng)噴口內(nèi)徑根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)了6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,14 mm等不同口徑的噴口,實(shí)驗(yàn)研究過程中再根據(jù)不同二次風(fēng)量,選擇不同口徑的二次風(fēng)噴口。本文未考慮分級燃燒等工況,且僅針對設(shè)計(jì)煤種,二次風(fēng)量較大,因此二次風(fēng)噴口內(nèi)徑取最大值,即14 mm。當(dāng)煤粉隨著一次風(fēng)噴入爐膛后,與對沖布置的二次風(fēng)迅速混合并著火。燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)參數(shù)見表1和表2。
表1 燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)
本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在數(shù)值模擬過程中,氣相湍流模型采用Realizablek-ε模型[6],氣固兩相流動(dòng)模型選用顆粒軌道模型法中的隨機(jī)軌道模型,輻射模型選用的是以熱流法為基礎(chǔ)的P-1輻射模型。煤燃燒模擬方法采用了非預(yù)混燃燒/PDF方法,揮發(fā)分的析出模型采用雙步反應(yīng)模型,焦炭燃燒模型選用動(dòng)力/擴(kuò)散模型。NOx的計(jì)算[7-8]主要考慮熱力型和燃料型NOx,對于揮發(fā)氮和焦炭氮的分配根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量確定,干燥無灰基Nchar/Nvol=54/46,揮發(fā)份中N的轉(zhuǎn)化主要考慮HCN和NH3,由實(shí)驗(yàn)的測量可知,對于元寶山褐煤HCN/NH3=86.36/13.64。焦炭的比表面積由實(shí)驗(yàn)測量得到,SBET=23 816 m2/kg。在模擬過程中,一、二次風(fēng)的入口邊界條件設(shè)定為質(zhì)量流量入口邊界條件,爐膛出口采用充分發(fā)展的壓力出口條件,爐膛壁面設(shè)定為恒溫條件。
表2 燃燒器設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)特性
為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性,將模擬結(jié)果與在多反應(yīng)控制段攜帶流反應(yīng)器試驗(yàn)臺測量的結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。
3.1 燃燒器結(jié)構(gòu)對湍流動(dòng)能的影響
湍流動(dòng)能是指單位質(zhì)量流體由于湍流脈動(dòng)所具有的動(dòng)能,通常定義湍流速度脈動(dòng)場的湍動(dòng)能[9]為
(1)
湍流動(dòng)能主要來源于湍動(dòng)脈動(dòng),湍流動(dòng)能增加即湍流發(fā)展,湍流擴(kuò)散能力增強(qiáng),湍流動(dòng)能減少使湍流衰退,湍流擴(kuò)散能力減弱。為了研究加入對沖二次風(fēng)結(jié)構(gòu)對整個(gè)爐膛流場的影響,計(jì)算了五種燃燒器結(jié)構(gòu)沿爐膛軸線方向的水平截面面平均湍動(dòng)能,其分布如圖2所示。
從圖2可以看出,在將一次風(fēng)噴口由直口改為擴(kuò)口,以及加裝二次風(fēng)對沖噴口后,湍流動(dòng)能在一次風(fēng)噴口附近較大,但同時(shí)衰減也很迅速。缺乏對沖二次風(fēng)的情況下,測點(diǎn)沿爐膛與燃燒器噴口軸向距離L≥0.4 m之后進(jìn)入流動(dòng)穩(wěn)定區(qū)域,即湍流動(dòng)能基本不變的區(qū)域;而加入對沖二次風(fēng)之后,不論二次風(fēng)噴口中心與一次風(fēng)的距離如何,均能夠及時(shí)地進(jìn)入流動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。這是因?yàn)槿绻惶砑訉_二次風(fēng),一次風(fēng)風(fēng)量較大,剛性強(qiáng),同時(shí)從燃燒器噴出后自由擴(kuò)散,耗散較慢,而加入對沖二次風(fēng)之后,由于互相沖擊的作用加速了動(dòng)能的耗散。而一次風(fēng)噴口采用擴(kuò)口結(jié)構(gòu)后一次風(fēng)剛性弱于直口結(jié)構(gòu)的一次風(fēng)剛性,也更利于流動(dòng)的加速穩(wěn)定。
圖2 不同燃燒器結(jié)構(gòu)爐膛截面平均湍流動(dòng)能分布
3.2 燃燒器結(jié)構(gòu)對爐膛氣氛及溫度的影響
從圖3中不難看出,該直流煤粉燃燒器沒有加裝對沖二次風(fēng)的情況(結(jié)構(gòu)1),由于一次風(fēng)剛性太強(qiáng),和周圍氣體混合較差,造成氧濃度下降緩慢,與加裝對沖二次風(fēng)的結(jié)構(gòu)2~5相比,CO2急劇升高及爐膛中心溫度快速達(dá)到峰值這一現(xiàn)象明顯延后,說明混合緩慢嚴(yán)重的延遲了煤粉燃燒反應(yīng),煤粉的著火延遲。隨著二次風(fēng)的加入,氧的消耗加快,截面氧氣濃度分布變得更均勻,著火提前。從圖3(b)中可知,結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)2相比,一次風(fēng)噴口由直口結(jié)構(gòu)改為擴(kuò)口結(jié)構(gòu),在著火區(qū)域CO2變化比較平滑,波動(dòng)較小,而結(jié)構(gòu)2在著火區(qū)域CO2波動(dòng)劇烈,說明一次風(fēng)噴口采用擴(kuò)口型式更利于燃燒著火的穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)3~5的對比分析表明,隨著二次風(fēng)噴入位置與一次風(fēng)噴口距離l的增加,會促進(jìn)氧量的加速消耗,加快燃燒反應(yīng),當(dāng)爐膛軸向氧氣濃度趨于穩(wěn)定后,可以認(rèn)為煤粉已經(jīng)燃盡,因此,從圖3(a)不難看出,距離l的適當(dāng)增加可以使得煤粉燃盡時(shí)間縮短;但是對著火時(shí)間的影響較弱,因?yàn)榕袛嗝悍壑鸬闹饕罁?jù)為爐膛中心溫度處于峰值,截面氧氣濃度急劇降低及CO2濃度急劇升高等三個(gè)指標(biāo)[10],結(jié)構(gòu)3~5的結(jié)果表明,距離L的增加,沒有顯著改變以上所提及的三個(gè)判斷指標(biāo)在爐膛軸向位置的明顯變化。當(dāng)采用結(jié)構(gòu)5時(shí),在距離燃燒器約0.6 m之后,氧氣濃度趨于穩(wěn)定,燃燒基本完成。
圖3 燃燒器結(jié)構(gòu)對爐膛氣氛及溫度的影響
從圖3中可以看出,在L=0.05 m即二次風(fēng)混入初期,由于此時(shí)一次風(fēng)煤粉濃度很高,二次風(fēng)的混合還不是很充分,爐膛中心氧氣濃度較低,因此,必須通過及時(shí)引入二次風(fēng)對煤粉進(jìn)行強(qiáng)制混合以增強(qiáng)對流傳熱,達(dá)到提高煤粉氣流溫度,強(qiáng)化煤粉著火的目的;當(dāng)L=0.2 m時(shí),從圖中可以看出,爐膛徑向氧氣濃度分布與L=0.05 m截面已經(jīng)有很大區(qū)別,此時(shí)氧氣濃度分布不再呈現(xiàn)明顯不均勻性,而是逐漸趨于一個(gè)平衡,這也與二次風(fēng)的充分混入,強(qiáng)化對流傳熱,進(jìn)而促進(jìn)著火,加速了氧氣消耗有關(guān);隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,爐膛內(nèi)氧氣濃度沿著徑向方向逐漸拉平,即當(dāng)L=0.6 m之后,可以看出爐膛徑向氧氣濃度已經(jīng)接近平衡,且濃度值接近于燃燒完全后的爐膛出口設(shè)計(jì)值(2.75%),此時(shí)煤粉燃燒反應(yīng)已基本完成。從圖3(c)及圖3(d)可知,結(jié)構(gòu)5最高火焰溫度位于二次風(fēng)混入之后的強(qiáng)烈攪拌區(qū)域,在接近0.6 m(約0.9 s)處燃燒反應(yīng)就已基本完成,優(yōu)化后的燃燒器,數(shù)值模擬的CO以及氧氣濃度變化趨勢與實(shí)際測量值比較吻合,這說明采用數(shù)值模擬的方法來對不同燃燒器結(jié)構(gòu)的燃燒場進(jìn)行模擬,可以幫助我們深入認(rèn)識攜帶流反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過程,為燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
圖4 爐膛不同位置氧氣濃度分布
3.3 燃燒器結(jié)構(gòu)對氮氧化物排放的影響
從表3中可以看出,一次風(fēng)噴口為直口(結(jié)構(gòu)1)時(shí),氮氧化物排放最高,遠(yuǎn)高于常規(guī)煤粉鍋爐中的NOx排放值;而一次風(fēng)噴口改為擴(kuò)口后氮氧化物排放降低,且隨著l的增加而逐漸降低。該燃燒器二次風(fēng)采用對沖布置強(qiáng)制混合,由于試驗(yàn)臺爐膛內(nèi)徑較小,混合劇烈,可以認(rèn)為二次風(fēng)與一次風(fēng)瞬間即完成混合,其二次風(fēng)完全混入一次風(fēng)的時(shí)間與旋流煤粉燃燒中二次風(fēng)混入一次風(fēng)的時(shí)間相當(dāng)[11-13]或更快,遠(yuǎn)小于直流煤粉燃燒器鍋爐中二次風(fēng)開始混入一次風(fēng)的時(shí)間。正因?yàn)槎物L(fēng)混入較早(比實(shí)際鍋爐燃燒過程中要早得多),其氮氧化物排放仍然比常規(guī)四角切圓直流燃燒器煤粉鍋爐中的NOx排放值高一點(diǎn),接近甚至略高于旋流煤粉燃燒器鍋爐?;谝陨戏治觯绻^續(xù)延長二次風(fēng)噴口與一次風(fēng)的距離,爐膛尾部的氮氧化物排放會進(jìn)一步降低,但是對于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的攜帶流反應(yīng)器而言,受爐膛結(jié)構(gòu)所限,該直流燃燒器一次風(fēng)噴口缺乏強(qiáng)化混合的結(jié)構(gòu),而如果燃燒器本身的二次風(fēng)與燃燒器噴口距離過大,則會進(jìn)一步的延遲著火,增加完成反應(yīng)所需要的反應(yīng)管長度;同時(shí),由于在燃燒器出口附近一次風(fēng)氣流速度高,混合比較強(qiáng)烈,而當(dāng)l過大時(shí),氣流速度會降低,二次風(fēng)和一次風(fēng)的混合會困難得多,從而導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性變差,進(jìn)而影響該攜帶流反應(yīng)器尾部CO、O2及NOx排放的穩(wěn)定性,這對實(shí)驗(yàn)工況的判斷和結(jié)果的檢測是不利的。
表3 燃燒器優(yōu)化對爐膛尾部氮氧化物排放的影響
本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,得到以下結(jié)論:
(1)一次風(fēng)噴口采用擴(kuò)口結(jié)構(gòu),可以加速混合區(qū)域湍流動(dòng)能的衰減,促進(jìn)煤粉氣流噴入爐膛后流動(dòng)的加速穩(wěn)定。
(2)隨著對沖二次風(fēng)的加入,煤粉燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng),著火提前。隨著二次風(fēng)混入位置與一次風(fēng)噴口距離的增加,雖然對著火位置的影響不大,但會促進(jìn)氧量的加速消耗,使煤粉燃盡時(shí)間縮短。
(3)通過燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,氮氧化物排放降低,但因?yàn)槎物L(fēng)混入過早,仍然較常規(guī)四角切圓直流燃燒器煤粉鍋爐中的NOx排放值略高。
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OptimalDesignofaPulverizedCoalBurnerBasedonEntrainedFlowReactor
YANG Jian-cheng1, WU Jiang-quan1, HU Ya-min2, SUN Shao-zeng1
(1.National Engineering Laboratory for Reducing Emissions from Coal Combustion,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.China Power Investment Corporation,Beijing 100032,China)
The computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT, is employed to evaluate the optimization process of burner structure of the entrained flow reactor, and the contrast verification was compared with experimental results. The aim of the research is to get the optimized structure parameter and reduce NOx emissions with this burner. Results indicate that the flaring structure of primary air nozzle and the injection of the secondary air through the two opposed nozzles can enhance the mixing of the secondary air into the primary air, and obviously improve pulverized coal fire and combustion stability. The burnout of pulverized coal could be accelerated effectively by appropriately increasing the space of secondary air nozzles and primary nozzle. Lower NOx emissions can be obtained during the optimized structure of burner used, which has provided a solid foundation for NOx abatement technologies under entrained flow reactor.
burner;NOx;entrained flow reactor;optimal design;numerical simulation; pulverized coal combustion
2014-05-16修訂稿日期2014-07-29
高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20112302130001);創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51121004)
楊建成(1981~),男,博士研究生,研究方向?yàn)槿济何廴疚餃p排。
TK223.2
A
1002-6339 (2014) 05-0387-05