程 曉 磊

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

隨著大氣污染物排放的日益嚴(yán)格，幾乎所有燃煤電站鍋爐和大量工業(yè)鍋爐開(kāi)始執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)。低氮燃燒技術(shù)可以在燃燒過(guò)程中大幅減少NOx排放量，先進(jìn)的煤粉低氮燃燒技術(shù)可控制NOx初始排放至200 mg/m3以下。目前常用的低氮燃燒技術(shù)包括空氣分級(jí)技術(shù)、燃料分級(jí)技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)、無(wú)焰燃燒技術(shù)等抑制方法，以及旋流燃燒器、濃淡燃燒器、鈍體燃燒器等設(shè)備結(jié)構(gòu)形式。這些常用的低氮燃燒技術(shù)共同特點(diǎn)是，在燃燒初期采用低過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行反應(yīng)，形成還原性氣氛來(lái)抑制煤粉燃燒過(guò)程的NOx生成。部分學(xué)者研究表明，在還原性氣氛條件下煤粉的燃燒特性、NOx生成特性與常規(guī)燃燒過(guò)程有較大區(qū)別，需針對(duì)實(shí)際應(yīng)用條件進(jìn)行專門研究[1-3]。

對(duì)于煤粉燃燒過(guò)程的研究，由于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)具有成本低、周期快的特點(diǎn)，加之?dāng)?shù)值模擬模型的不斷發(fā)展，逐漸成為不可或缺的研究工具。其中，化學(xué)反應(yīng)模型的選取對(duì)數(shù)值模擬精度有重要影響，不同的化學(xué)反應(yīng)模型適用于不同的煤粉燃燒模擬過(guò)程。工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，不同學(xué)者常用的數(shù)值模擬模型主要包括EDM模型(Eddy disspation model)、PDF模型(Non-premixed model)和FR/ED模型(Finite rate/eddy dissiaption model)。在煤粉燃燒方面，王通[4]采用PDF模型模擬對(duì)比了2種旋流燃燒器的溫度分布NOx生成情況；朱天宇[5]使用EDM和PDF模型模擬煤粉摻燒污泥的過(guò)程，認(rèn)為EDM模型比PDF模型更好地模擬污泥摻混條件下的模擬；馬文明等[6]采用EDM模型模擬了工業(yè)鍋爐低氮燃燒器的燃燒特性；汪延鵬等[7]研究了EDM模型中反應(yīng)常數(shù)A對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響；陳登高等[8]采用EDM模型進(jìn)行了煤粉空氣分級(jí)條件下的數(shù)值模擬，認(rèn)為EDM模型未考慮焦炭氣化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致還原性氣體成分偏低，影響對(duì)NOx排放的模擬；張勇等[9]、段艷松等[10]分別使用FR/ED模型模擬了褐煤半焦和水煤漿MILD燃燒過(guò)程；劉敬樟等[11]通過(guò)與IFRF實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，認(rèn)為FR/ED模型在爐內(nèi)溫度、組分、火焰結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)均較準(zhǔn)確。在煤粉氣化的模擬方面，劉臻等[12]認(rèn)為EDM模型對(duì)合成氣組分的濃度分布預(yù)測(cè)誤差較大，PDF模型對(duì)噴嘴附近溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果不合理；李濤[13]使用FR/ED模型進(jìn)行了Shell氣化爐的模擬。對(duì)于還原性氣氛下的煤粉燃燒過(guò)程，介于傳統(tǒng)煤粉燃燒和粉煤氣化過(guò)程之間，需要綜合考慮模型對(duì)燃燒和氣化的適應(yīng)性。

本文以雙錐煤粉燃燒器為基礎(chǔ)，通過(guò)在不同反應(yīng)氣氛下對(duì)比EDM模型、PDF模型和FR/ED模型對(duì)燃燒器內(nèi)燃燒特性的模擬，為還原性氣氛條件下煤粉燃燒過(guò)程模擬的化學(xué)反應(yīng)模型選擇提供依據(jù)。

1 燃燒器結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬模型

1.1 燃燒器結(jié)構(gòu)

煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的中心逆噴雙錐燃燒器[14-15]具有獨(dú)特的燃料逆噴、煙氣回流和雙錐預(yù)燃室的特點(diǎn)，在煤粉著火、穩(wěn)定燃燒方面有明顯優(yōu)勢(shì)，目前單臺(tái)燃燒器功率涵蓋2.8～42 MW，已在煤粉工業(yè)鍋爐上有十多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。燃燒器配風(fēng)分為一次風(fēng)和二次風(fēng)，其中一次風(fēng)為直流風(fēng)，在雙錐交接處逆向噴入燃燒器內(nèi)，二次風(fēng)經(jīng)旋流葉片后進(jìn)入燃燒器，逐步與一次風(fēng)混合燃燒后從燃燒器出口噴出。隨著低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展，燃燒器的工作條件逐漸由氧化氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性氣氛，需要進(jìn)行還原氣氛下的數(shù)值模擬工作。本文的數(shù)值模擬在7 MW雙錐燃燒器上進(jìn)行。中心逆噴雙錐燃燒器如圖1所示。

圖1 中心逆噴雙錐燃燒器Fig.1 Double cone combustor with centre reverse spraying

1.2 數(shù)值模擬方法

本文的數(shù)值模擬計(jì)算中，采用煤粉燃燒器實(shí)際運(yùn)行所用煤質(zhì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。湍流模型采用Realizablek-ε模型，該模型可相對(duì)準(zhǔn)確模擬湍流流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)射流問(wèn)題；燃燒器符合光學(xué)深度大于1的條件，輻射模型選用P1模型，具有較高的計(jì)算效率；煤粉的揮發(fā)分析出選用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，兩反應(yīng)在不同溫度范圍區(qū)間控制析出速率，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。氣固兩相流動(dòng)選用拉格朗日法的DPM離散相模型，該模型適用于離散相體積分?jǐn)?shù)小于10%的模型，DPM模型使用面源注入?；瘜W(xué)湍流相互作用模型分別選用EDM模型、PDF模型和FR/ED模型，其中FR/ED模型考慮氣化過(guò)程中涉及的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程及其反應(yīng)機(jī)理參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 燃用煤種的工業(yè)分析和元素分析

表2 雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表3 氣化過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[9-10]

對(duì)7 MW雙錐燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，分為一次風(fēng)進(jìn)口、二次風(fēng)進(jìn)口、出口、燃燒器壁面等，采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為23.3萬(wàn)。雙錐燃燒器網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 雙錐燃燒器網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of double cone combustor

2 模擬結(jié)果與分析

分別從常規(guī)氧化氣氛燃燒和還原氣氛燃燒2種工況下進(jìn)行不同模型模擬結(jié)果的對(duì)比。其中常規(guī)氧化氣氛燃燒條件下，所有助燃空氣均由一次風(fēng)和二次風(fēng)通入燃燒器，燃燒器內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)為1.2；還原氣氛下，僅有部分助燃空氣進(jìn)入燃燒器，燃燒器內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)為0.4。

2.1 氧化氣氛燃燒模擬對(duì)比

氧化氣氛的模擬工況為：7 MW燃燒器，供料量0.298 kg/s，一次風(fēng)0.25 kg/s，二次風(fēng)2.75 kg/s，燃燒器內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)為1.2。

氧化氣氛下3種模型模擬的燃燒器內(nèi)溫度分布如圖3所示。燃燒器內(nèi)高溫區(qū)集中在回流帽逆噴開(kāi)始區(qū)域和后錐區(qū)域。一次風(fēng)和煤粉經(jīng)回流帽噴口流出后，沿著一次風(fēng)管的逆向逐漸升溫至煤粉燃燒溫度，在一次風(fēng)與二次風(fēng)混合后速度為0處的燃燒溫度最高，此后氣態(tài)和固體顆粒隨著二次風(fēng)經(jīng)旋流進(jìn)入燃燒器前錐內(nèi)較大空間內(nèi)和后錐進(jìn)行燃燒反應(yīng)。燃燒器后錐和出口附近火焰集中于燃燒器中心，溫度分布呈中間高、壁面附近低的趨勢(shì)。

圖3 氧化氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)溫度分布的影響Fig.3 Influence of different reaction models on temperature distribution under oxidation atmosphere

3種模型結(jié)果的區(qū)別主要在于煤粉著火的位置和逆噴傳播的距離。PDF模型的起火點(diǎn)更靠近逆噴的噴口，EDM模型的一次風(fēng)噴出經(jīng)過(guò)一段升溫過(guò)程后逐漸燃燒，F(xiàn)R/ED模型的一次風(fēng)升溫過(guò)程更長(zhǎng)，壁面的低溫區(qū)域持續(xù)接近前錐長(zhǎng)度的一半。該燃燒器的熱態(tài)燃燒試驗(yàn)結(jié)果表明[16]，一次風(fēng)管從逆噴出口開(kāi)始到葉片區(qū)域依次為煤粉噴射區(qū)、煤粉加熱區(qū)、煤粉著火區(qū)、焦炭燃燒區(qū)，著火區(qū)距離一次風(fēng)管噴口的相對(duì)距離為20%～30%，從著火區(qū)域判斷，F(xiàn)R/ED模型更接近實(shí)際結(jié)果。煙氣和高溫向葉片方向傳播的能力由小到大排列為PDF模型、EDM模型和FR/ED模型。葉片附近屬于焦炭燃燒區(qū)，該位置緊貼一次風(fēng)管附近，會(huì)出現(xiàn)不同程度局部高溫區(qū)，3種模型的模擬中也有不同程度局部高溫區(qū)出現(xiàn)。

對(duì)燃燒器沿火焰?zhèn)鞑シ较蛏喜煌孛嫫骄鶞囟茸兓厔?shì)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。FR/ED模型模擬結(jié)果平均溫度最高，EDM模型次之，PDF模型最低。在前錐部分EDM模型和FR/ED模型結(jié)果較接近，后錐處EDM和PDF模型結(jié)果更接近。其中FR/ED模型燃燒器出口平均溫度1 126 ℃，比EDM模型的879 ℃和PDF模型的876 ℃高約250 ℃。

圖4 不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)溫度分布的影響Fig.4 Influence of different reaction models on temperature distribution of combustor

氧化氣氛條件下不同反應(yīng)模型對(duì)氧濃度分布的影響如圖5所示?？芍煌M方法條件下燃燒過(guò)程的區(qū)別。PDF模型回流帽附近氧氣很快耗盡，EDM模型和FR/ED模型在逆噴的方向上均持續(xù)了一段距離后氧氣才耗盡。

圖5 氧化氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)氧濃度分布的影響Fig.5 Influence of different reaction models on oxygen content distribution under oxidation atmosphere

氧化氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)CO濃度分布的影響如圖6所示。對(duì)于CO含量的預(yù)測(cè)，3種模擬方法的差別較大，EDM模型中只考慮了揮發(fā)分與氧氣反應(yīng)釋放的CO，且還有CO和O2的燃燒反應(yīng)，燃燒器內(nèi)基本無(wú)CO存在；PDF模型中，由于計(jì)算的是化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)的參數(shù)，在一次風(fēng)和煤粉逆噴進(jìn)入燃燒器的燃燒初期缺氧的條件下，CO濃度較高，隨著O2和煤粉的逐漸混合，CO發(fā)生反應(yīng)；FR/ED模型考慮了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在一次風(fēng)和煤粉混合物升溫的開(kāi)始區(qū)域內(nèi)無(wú)CO生成，在逆噴的末端區(qū)域有大量CO生成，在燃燒器的大部分區(qū)域內(nèi)CO含量較高，基本與燃燒器的高溫區(qū)重合，燃燒器出口處CO含量較高。

圖7 不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)氣體組成分布的影響Fig.7 Influence of different reaction models on gas distribution of combustor

燃燒器不同區(qū)域截面平均氣體成分組成對(duì)比如圖7所示。FR/ED模型由于引入了焦炭與氧氣的氣化反應(yīng)，燃燒器內(nèi)焦炭含量和氧含量明顯低于EDM和PDF模型，燃燒器出口處氧含量為7.0%，比EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%低4%～5%。而FR/ED模型下燃燒器出口處CO含量為3.5%，明顯高于EDM(0)和PDF模型(0.8%)。

2.2 還原氣氛燃燒模擬對(duì)比

還原氣氛模擬工況為：7 MW燃燒器，供料量0.298 kg/s，一次風(fēng)0.25 kg/s，二次風(fēng)0.93 kg/s，燃燒器內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)為0.5。

還原氣氛條件下不同反應(yīng)模型對(duì)溫度分布的影響如圖8所示。在還原性氣氛下，煤粉的著火位置和逆噴傳播的距離仍是3種模擬模型的主要區(qū)別。PDF模型的起火點(diǎn)更靠近逆噴的噴口，EDM模型的一次風(fēng)噴出后經(jīng)過(guò)一段升溫過(guò)程后逐漸燃燒，F(xiàn)R/ED模型的一次風(fēng)升溫過(guò)程更長(zhǎng)，壁面的低溫區(qū)域持續(xù)接近前錐長(zhǎng)度的一半。煙氣和高溫向葉片方向傳播的能力由小到大排列為PDF模型、EDM模型和FR/ED模型，EDM模型和FR/ED模型的煙氣高溫區(qū)域趨于燃燒器端蓋位置。

圖8 還原氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)溫度分布的影響Fig.8 Influence of different reaction models on temperature distribution under reduction atmosphere

燃燒器的高溫區(qū)域模擬結(jié)果也不相同，EDM模型模擬的結(jié)果高溫區(qū)域集中在葉片附近和前后錐交接處較大的區(qū)域內(nèi)；PDF模型的高溫區(qū)域集中在一次風(fēng)逆噴的位置和燃燒器后錐及出口區(qū)域；FR/ED模型的高溫區(qū)域主要集中在前后錐交接處的壁面附近區(qū)域。

不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)溫度分布的影響如圖9所示。從燃燒器不同截面平均溫度分布對(duì)比來(lái)看，與氧化氣氛時(shí)結(jié)果類似，在前錐處EDM和FR/ED模型模擬結(jié)果接近，在后錐處EDM和PDF模型模擬結(jié)果接近。其主要原因是：PDF模型為化學(xué)反應(yīng)平衡模型，部分煤粉在一次風(fēng)噴口處即發(fā)生反應(yīng)，前錐處反應(yīng)進(jìn)行程度比EDM和FR/ED模型小，反應(yīng)溫度低；在燃燒器出口處，使用FR/ED模型時(shí)會(huì)發(fā)生生成CO的氣化反應(yīng)，放熱量減少，其燃燒器出口溫度低于EDM和PDF模型。同時(shí)，與氧化氣氛的結(jié)果相反，F(xiàn)R/ED模型燃燒器出口平均溫度1 133 ℃，比EDM模型的1 307 ℃和PDF模型的1 390 ℃分別低174 ℃和257 ℃。

圖9 不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)溫度分布的影響Fig.9 Influence of different reaction models on temperature distribution of combustor

還原氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)氧濃度分布的影響如圖10所示?？芍狿DF模型在回流帽附近一次風(fēng)的氧氣很快耗盡，EDM模型和FR/ED模型在逆噴的方向上均持續(xù)了一段距離后氧氣才耗盡。由于處于還原性氣氛，燃燒器后錐前錐中心區(qū)域和后錐處氧含量基本為0。

圖10 還原氣氛條件下不同反應(yīng)模型對(duì)氧濃度分布的影響Fig.10 Influence of different reaction models on oxygen content distribution under reduction atmosphere

還原氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)CO濃度分布的影響如圖11所示。對(duì)于CO含量的預(yù)測(cè)，還原氣氛下3種模擬方法的差別依然較大，其規(guī)律基本類似于氧化氣氛條件，主要區(qū)別在CO的組分濃度上，PDF模型和EDM模型CO濃度最高均超過(guò)20%。EDM模型幾乎無(wú)CO存在；PDF模型中CO濃度在煤粉燃燒反應(yīng)初期最高，出口處濃度逐漸降低；FR/ED模型則在燃燒器的大部分區(qū)域內(nèi)CO含量較高，基本與燃燒器的高溫區(qū)重合。

圖11 還原氣氛下不同反應(yīng)模型對(duì)CO濃度分布的影響Fig.11 Influence of different reaction models on CO content distribution under reduction atmosphere

不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)氣體組成分布的影響如圖12所示。由于燃燒過(guò)程處于還原性氣氛，燃燒器內(nèi)氧含量分布隨燃燒的進(jìn)行逐漸降低，EDM、PDF和FR/ED模型燃燒器出口氧含量分別為0.2%、0.8%和0；EDM模型對(duì)CO的生成模擬偏差較大，即使在強(qiáng)還原氣氛下，燃燒器出口CO含量仍只有0.05%，采用PDF和FR/ED模型時(shí)燃燒器出口CO含量分別為5.73%和10.7%。

圖12 不同反應(yīng)模型對(duì)燃燒器內(nèi)氣體組成分布的影響Fig.12 Influence of different reaction models on gas distribution of combustor

2.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，確定不同模擬模型對(duì)雙錐燃燒器模擬的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表5，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于同尺寸7 MW燃燒器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果[16]，α為燃燒器內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)。在氧化氣氛下，主要發(fā)生煤粉的燃燒反應(yīng)，EDM模型和PDF模型在溫度、CO含量上的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較小，F(xiàn)R/ED模型偏差較大；在還原性氣氛下，EDM模型模擬的結(jié)果幾乎不生成CO和H2，說(shuō)明該模型不適合還原性氣氛，PDF模型和FR/ED模型有較合理的還原性氣氛模擬結(jié)果，兩者的差別在于還原性氣體的生成位置，PDF模型噴口位置CO濃度較高，出口濃度偏低，F(xiàn)R/ED模型隨著煤粉反應(yīng)流程的進(jìn)行，CO濃度逐漸升高，出口濃度更接近試驗(yàn)結(jié)果，從與實(shí)際結(jié)果的一致性上看，F(xiàn)R/ED模型更準(zhǔn)確一些。

表5 燃燒器出口模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 論

1)模擬方法原理不同造成模擬結(jié)果差別較大。使用EDM模型和PDF模型均未考慮化學(xué)反應(yīng)速率的影響，模擬結(jié)果著火區(qū)域比較提前；FR/ED模型的著火區(qū)域模擬較為合理。

2)氧化氣氛下3種模型的溫度分布基本類似，均可適用，EDM和PDF模型對(duì)燃燒器出口溫度預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確；PDF模型和FR/ED模型模擬的CO、H2等還原性氣氛濃度較高，尤其是FR/ED模型的結(jié)果比實(shí)際要偏離較多。

3)EDM模型由于未考慮氣化反應(yīng)，對(duì)煙氣中CO成分的模擬偏差較大，不適用于還原性氣氛條件下的燃燒模擬；PDF和FR/ED模型均可模擬還原性氣氛條件下CO的生成過(guò)程，F(xiàn)R/ED模型對(duì)組分的模擬結(jié)果更接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4)綜合考慮，對(duì)于雙錐燃燒器的數(shù)值模擬，氧化氣氛適合采用EDM模型和PDF模型，還原氣氛適合采用FR/ED模型。