張 鑫，陳 隆

(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

煤粉燃燒器廣泛應(yīng)用于電站鍋爐中，在工業(yè)鍋爐中應(yīng)用也較為普遍，其作用是組織煤粉在爐膛內(nèi)點(diǎn)火、燃燒和燃盡，其常見(jiàn)的二次風(fēng)速度為30～50 m/s，溫度可達(dá)300 ℃以上[1-2]，本文定義該類型燃燒器為低速燃燒器。低速燃燒器在爐膛能組織好空氣動(dòng)力場(chǎng)，煤粉和旋流高溫空氣及時(shí)混合，適用于較大空間的爐膛。研究表明使用低速煤粉燃燒器的鍋爐存在爐膛結(jié)焦、局部高溫、低負(fù)荷穩(wěn)燃性能差等問(wèn)題[3-7]。高速燃燒器的概念見(jiàn)于氣體燃燒器中，學(xué)者結(jié)合航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)先進(jìn)燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)了高速氣體燃燒器，火焰速度100～200 m/s，爐內(nèi)被強(qiáng)化的對(duì)流換熱在綜合換熱中所占比重大大提高，故而爐內(nèi)溫度分布均勻[8-10]。高速煤粉燃燒器原理是將煤粉輸送進(jìn)入燃燒室，煤粉在燃燒室的狹小空間內(nèi)點(diǎn)火和穩(wěn)燃，高溫火焰攜帶未燃盡的焦炭和可燃?xì)怏w進(jìn)入爐膛繼續(xù)燃燒，火焰從噴口進(jìn)入到爐膛時(shí)速度可達(dá)60～200 m/s。高速煤粉燃燒器在爐內(nèi)的火焰較長(zhǎng)，爐內(nèi)溫度分布均勻，不易結(jié)焦，穩(wěn)燃性能優(yōu)良，最低負(fù)荷20%。文獻(xiàn)資料對(duì)高速煤粉燃燒器的報(bào)道不多，早期清華大學(xué)提出大速差煤粉燃燒器，通過(guò)高速射流形成回流，引燃煤粉，具有良好的煤粉穩(wěn)燃性能[11]；與高速煤粉燃燒器工作原理類似，汪小憨等[12]提出煤粉近壁燃燒技術(shù)，燃燒器內(nèi)煤粉碳轉(zhuǎn)化率高，熔融排渣，具有良好的低氮效果；侯冬盡[13]開(kāi)發(fā)了高溫低氮液態(tài)排渣煤粉燃燒器。由于液態(tài)排渣對(duì)技術(shù)和設(shè)備可靠性要求高，未見(jiàn)2種技術(shù)的后續(xù)工業(yè)化報(bào)道。本文采用數(shù)值模擬的辦法，以14 MW高速煤粉燃燒器作為研究對(duì)象，研究旋流強(qiáng)度、二次風(fēng)溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燃燒的影響，同時(shí)基于燃燒特點(diǎn)對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

煤粉燃燒包含物理、化學(xué)過(guò)程，涉及揮發(fā)分釋放、焦炭燃燒、輻射傳熱、顆粒運(yùn)動(dòng)和氣相流動(dòng)及湍流燃燒，與多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和燃燒等多個(gè)學(xué)科聯(lián)系緊密。利用ANSYS Fluent作為模擬工具，煤粉顆粒跟蹤采用隨機(jī)軌道(stochastic tracking)方法，煤粉顆粒沿著軌跡的揮發(fā)分熱解采用固定反應(yīng)速率模型，模型固定碳的異相反應(yīng)采用動(dòng)力燃燒與擴(kuò)散燃燒共同控制，輻射傳熱模型采用DO模型，壓力-速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE法求解，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型模擬氣相的流動(dòng)，用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)(mixture-fraction/PDF)模型模擬氣相湍流燃燒[14]。

1.2 計(jì)算條件

本文以14 MW高速煤粉燃燒作為研究對(duì)象，只研究燃燒器內(nèi)結(jié)構(gòu)，不考慮爐膛內(nèi)部燃燒情況，對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)壁面附近和煤粉噴口附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，經(jīng)過(guò)試算，網(wǎng)格數(shù)量45萬(wàn)左右比較合適。

圖1 燃燒器網(wǎng)格Fig.1 Combustor grid

模擬采用的煤種為三類煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1，煤粉粒徑符合R-R分布規(guī)律，為了提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確分析燃燒溫度，利用Aspen Plus中物性分析工具，擬合出煙氣導(dǎo)熱系數(shù)及黏度與溫度的線性關(guān)系，嵌入到Fluent煙氣物性數(shù)據(jù)庫(kù)之中。

表1 煙煤工業(yè)分析和元素分析

2 結(jié)果及討論

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。利用14 MW煤粉燃燒器全負(fù)荷下熱態(tài)試驗(yàn)噴口處溫度與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示(r′為測(cè)點(diǎn)位置，R為燃燒器噴口半徑)。實(shí)測(cè)值與模擬值雖有一定偏差，但在可接受范圍內(nèi)。故認(rèn)為本文模擬所采用的方法正確，作為后續(xù)研究和優(yōu)化的工具和方法。

圖2 模擬值與測(cè)量值對(duì)比Fig.2 Comparison between the simulated results and test results

2.2 旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒器內(nèi)回流區(qū)影響

典型的旋流煤粉燃燒器通過(guò)設(shè)置合理的二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，在燃燒器噴口附近營(yíng)造高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，回流區(qū)高溫?zé)煔馀c新鮮煤粉氣流之間對(duì)流換熱，保證煤粉氣流穩(wěn)定著火[15]。高速煤粉燃燒器的一次風(fēng)管伸入到燃燒器中，高壓一次風(fēng)攜帶煤粉從一次風(fēng)噴口射向旋流葉片所在的端部，一次風(fēng)行程軌跡與二次風(fēng)相反，宏觀上看一次風(fēng)在高速煤粉燃燒器內(nèi)營(yíng)造出主動(dòng)回流區(qū)[16-17]。旋流強(qiáng)度取旋流葉片與燃燒器所接觸的斷面作為旋流強(qiáng)度的計(jì)算面。旋流強(qiáng)度計(jì)算公式[18]為

(1)

式中，S為量綱，表示某一截面處二次風(fēng)旋流強(qiáng)度；r為氣流旋轉(zhuǎn)半徑，m；ρ為氣流密度，kg/m3；wr為截面上某點(diǎn)氣流切向速度，m/s；wz為截面上某點(diǎn)氣流軸向速度，m/s；P為氣流靜壓，MPa；L為定性尺寸，與燃燒器結(jié)構(gòu)有關(guān)，m。

圖3 煙氣流動(dòng)矢量圖Fig.3 Vector diagram of flue gas flow

圖4 回流區(qū)分布Fig.4 Recirculation zone distribution

一般認(rèn)為旋流強(qiáng)度大于0.6時(shí)為強(qiáng)旋流，旋流強(qiáng)度小于0.2時(shí)為弱旋流，本文討論的4種旋流強(qiáng)度均為強(qiáng)旋流。4種旋流強(qiáng)度S下燃燒器內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)矢量圖如圖3所示?？芍诟咚倜悍廴紵鞯那板F內(nèi)貼近一次風(fēng)管的周圍存在回流區(qū)，回流區(qū)的起點(diǎn)為一次風(fēng)噴口起點(diǎn)，回流區(qū)終點(diǎn)為旋流葉片端部平面位置?；亓鲄^(qū)分布如圖4所示?？芍亓鲄^(qū)在一次風(fēng)管附近的分布，4種旋流強(qiáng)度下回流區(qū)形狀變化不大，說(shuō)明回流區(qū)與一次風(fēng)相關(guān)性較強(qiáng)，這與傳統(tǒng)的電站鍋爐燃燒器通過(guò)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度組織爐內(nèi)回流區(qū)不同。

為了定量分析4種旋流強(qiáng)度下回流區(qū)煙氣流量的大小，以燃燒器長(zhǎng)度為H，于前錐內(nèi)沿軸向選取5組截面，以L/H表示截面的相對(duì)位置，考察截面上回流區(qū)煙氣量，如圖5所示。當(dāng)L/H越小，即截面距離一次風(fēng)噴口越遠(yuǎn)，煙氣回流質(zhì)量越低。L/H=0.5時(shí)，最大回流質(zhì)量在0.43～0.47 kg/s，在噴口附近；L/H=0.1時(shí)，最小回流質(zhì)量0.18～0.30 kg/s，位置靠近旋流葉片端部。L/H=0.10～0.35時(shí)，隨著旋流強(qiáng)度的增加，回流煙氣質(zhì)量增加，且這種增大程度在靠近旋流葉片的位置加大，說(shuō)明增大旋流強(qiáng)度有利于煤粉穩(wěn)定燃燒。

圖5 旋流強(qiáng)度對(duì)回流量的影響Fig.5 Effect of swirl intensity on flue ratio in recirculation zone

2.3 旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒器噴口組分影響

高速煤粉燃燒器將點(diǎn)火和燃燒2個(gè)功能放置于燃燒器內(nèi)。燃燒器的噴口作為連接燃燒器和爐膛的交界面，該處煙氣狀態(tài)對(duì)煤粉在后續(xù)爐膛內(nèi)的燃燒有重要影響，因此有必要對(duì)燃燒器噴口的燃燒狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。首先分析煙氣進(jìn)入到爐膛時(shí)的旋流強(qiáng)度。燃燒器噴口旋流強(qiáng)度如圖6所示。當(dāng)入口二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度提高，燃燒器噴口的火焰旋流強(qiáng)度從0.10提高到0.28左右，屬于中等旋流強(qiáng)度。旋流強(qiáng)度衰減的重要原因?yàn)闅饬髟谌紵鲀?nèi)高溫膨脹，后錐內(nèi)氣流逐步收縮的同時(shí)煙氣速度逐步增加，抵達(dá)噴口時(shí)軸向速度達(dá)到150～170 m/s，壁面附近逐步增加的煙氣速度能防止未燃盡的大顆粒煤粉黏壁，從而防止燃燒器內(nèi)結(jié)焦或積渣。

圖6 燃燒器噴口旋流強(qiáng)度Fig.6 Swirl intensity at the combustor nozzle

研究表明[19]，旋流會(huì)使得燃料向中心富集，造成燃料和氧氣之間分層分布。3種旋流強(qiáng)度下燃燒器噴口處組分分布如圖7所示?？傮w上，噴口處中心富燃貧氧，邊緣處富氧貧燃，燃料和氧氣呈現(xiàn)分層的現(xiàn)象。旋流強(qiáng)度越大，煤粉燃燒進(jìn)程越多，表現(xiàn)為可燃組分濃度降低，CO濃度從11%降低到10%，H2濃度從1.65%降低到1.40%，焦炭濃度從0.14%降低到0.11%，噴口邊緣O2濃度從13%降低到10%。旋流強(qiáng)度S=3.7和S=3.2時(shí)噴口組分相差不大，說(shuō)明提高旋流強(qiáng)度的燃燒影響減弱，但當(dāng)旋流強(qiáng)度降低到2.8時(shí)，濃度變化較大。燃燒器噴口可燃組分和氧氣分層現(xiàn)象使得焦炭和氧氣在爐膛內(nèi)混合推遲，火焰長(zhǎng)度增加，有利于NOx減排，但需注意爐膛設(shè)計(jì)防止飛灰含碳量過(guò)度增加。李高亮等[20]研究表明，在沒(méi)有空氣分級(jí)的條件下，配14 MW高速煤粉燃燒器的工業(yè)鍋爐NOx排放濃度290～370 mg/m3，CO排放濃度小于200 mg/m3。

圖7 噴口徑向可燃?xì)怏w與氧氣體積濃度Fig.7 Combustible gas and oxygen distribution at radial direction of the combustor nozzle

2.4 二次風(fēng)溫度對(duì)高速煤粉燃燒影響

電站鍋爐二次風(fēng)溫較高，往往需要多級(jí)加熱，煤粉工業(yè)鍋爐工藝流程簡(jiǎn)單，空氣預(yù)熱器安裝在省煤器后，設(shè)計(jì)時(shí)有必要分析二次風(fēng)溫度對(duì)高速燃燒器內(nèi)燃燒的影響。羅偉等[21]采用Aspen Plus研究空氣溫度在常溫下的變化對(duì)燃燒的影響，空氣溫度5～30 ℃，煙氣溫度和換熱量逐漸增加。本文分別比較0、100及200 ℃三種情況下二次風(fēng)溫對(duì)燃燒的影響，旋流強(qiáng)度選擇2.8，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)二次風(fēng)溫度升高，空氣體積膨脹，煤粉在燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間有所降低，但燃燒器內(nèi)的碳轉(zhuǎn)化率升高顯著：二次風(fēng)溫度200 ℃時(shí)比0 ℃時(shí)碳轉(zhuǎn)化率提高20%，達(dá)到了65%。

2.5 高速煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)前述研究，認(rèn)為高速煤粉燃燒器的穩(wěn)燃性能良好，能夠保證煤粉穩(wěn)定點(diǎn)火，但燃燒器噴口存在可燃組分和氧氣分層的現(xiàn)象，這種情況與平行射流燃?xì)馊紵黝愃?，不利于提高燃燒效率[22]，所以在進(jìn)行高速煤粉燃燒器爐膛設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到火焰較長(zhǎng)的實(shí)際情況。對(duì)于已經(jīng)建成運(yùn)行的鍋爐，可以優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)來(lái)提高煤粉整體燃燒效率。文獻(xiàn)[23-24]介紹了一種夾心風(fēng)直流煤粉燃燒器的原理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在直流煤粉燃燒器的一次風(fēng)管中增加一根中心風(fēng)管，利用中心風(fēng)對(duì)火焰進(jìn)行擾動(dòng)和補(bǔ)氧，以利于氧氣擴(kuò)散到煤粉顆粒表面，從而強(qiáng)化燃燒。本文按照該原理對(duì)高速煤粉燃燒器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一次風(fēng)管中增加中心風(fēng)管，風(fēng)管設(shè)計(jì)內(nèi)徑為50 mm，設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s，二次風(fēng)旋流強(qiáng)度為2.2，討論了中心風(fēng)采用旋流和直流2種形式的結(jié)構(gòu)，其中中心風(fēng)旋流強(qiáng)度為0.3。

圖8 二次風(fēng)溫對(duì)燃燒的影響Fig.8 Effect of secondary air temperature on combustion

中心風(fēng)對(duì)噴口可燃組分影響如圖9所示?？芍捎弥行娘L(fēng)后，可燃組分在r≤75 mm含量降低，氧氣濃度升高；r>75 mm中心射流的作用減弱。同時(shí)對(duì)比中心風(fēng)直流和旋流2種情況可以看出，采用旋流后中心區(qū)的焦炭濃度降低顯著，氧氣濃度則表現(xiàn)為采用直流時(shí)中心區(qū)濃度最高，采用旋流時(shí)濃度最低。這是由于射流的剛性較好，氣流穿過(guò)高溫黏性煙氣的能力強(qiáng)于旋流，但從混合效果看，旋流優(yōu)于射流。

圖9 中心風(fēng)對(duì)噴口可燃組分影響Fig.9 Effect of central air on the combustible gas at the combustor nozzle

3 結(jié) 論

1)高速煤粉燃燒器旋流強(qiáng)度在2.2～3.7時(shí)，回流區(qū)形狀大小相差不大，回流量則隨旋流強(qiáng)度的增加而增加，有利于煤粉穩(wěn)定燃燒；噴口處煙氣旋流強(qiáng)度0.10～0.28，噴口速度可達(dá)150～170 m/s。

2)高速煤粉燃燒器噴口存在可燃組分和氧氣分層分布的現(xiàn)象，旋流強(qiáng)度增大，燃燒器噴口處可燃組分濃度越低，但旋流強(qiáng)度從3.2提高到3.7后濃度變化不大。

3)二次風(fēng)溫度從0提高到200 ℃，燃燒器內(nèi)固定碳轉(zhuǎn)化率提高20%，達(dá)到了65%。

4)增加中心風(fēng)，燃燒器噴口處可燃組分濃度在r≤75 mm圓形區(qū)域內(nèi)降低；采用旋流中心風(fēng)對(duì)可燃組分濃度降低的影響比直流大，效果好。