阮志龍, 廖偉輝, 呂興城, 郭嘉威, 何曉燕, 馬 侖

(1. 廣東紅海灣發(fā)電有限公司, 廣東汕尾 516623;2. 華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074)

燃料梯級(jí)利用是煤炭清潔高效利用的重要途徑。煤熱解副產(chǎn)品半焦是低揮發(fā)份、高熱值燃料,其燃燒發(fā)電是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效梯級(jí)利用的重要方式。近年來,我國(guó)煤化工行業(yè)每年產(chǎn)生千萬噸級(jí)的低階煤熱解半焦,其堆放易造成二次污染和安全隱患[1]。如何實(shí)現(xiàn)半焦的清潔高效處理已成為制約我國(guó)煤炭清潔高效梯級(jí)利用產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》報(bào)告中指出,要重點(diǎn)研究低階煤熱解及熱解產(chǎn)物的清潔高效利用技術(shù)[2]。半焦的揮發(fā)分含量低,存在著火困難、燃盡率低、氮氧化物(NOx)排放高等問題[3-4]。目前,實(shí)現(xiàn)低階煤熱解半焦穩(wěn)定高效燃燒的主要途徑有單獨(dú)燃燒和摻燒這2種技術(shù)路線,其中,半焦與高揮發(fā)分含量的煤混合燃燒是實(shí)現(xiàn)半焦高效穩(wěn)定燃燒利用的有效方法之一[5-6]。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者開展了低階煤熱解半焦與高揮發(fā)分含量的煤摻燒的相關(guān)研究。HU L L等[7]通過熱重分析和沉降爐燃燒試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)煙煤摻燒半焦后會(huì)顯著改善半焦的燃燒特性、燃盡率和NOx的排放特性,建議半焦的摻混比例(文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))控制在40%以內(nèi)。WANG C A等[8]對(duì)煙煤半焦與煙煤在高溫沉降爐中混合燃燒過程的燃盡率和NOx排放特性開展了研究,并揭示了摻燒過程中氮的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制。WANG P Q等[9]基于300 MW燃煤鍋爐開展了煙煤半焦與煙煤摻燒的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模擬分析,發(fā)現(xiàn)提高半焦摻混比例會(huì)顯著影響NOx的排放和飛灰含碳量水平,建議在爐內(nèi)、外摻混方式下分別控制半焦摻混比例在50%和33%以下。ZHANG J等[10]在600 MW燃煤鍋爐上開展煙煤和半焦的摻燒試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)煙煤促進(jìn)半焦的燃燒,同時(shí)摻燒半焦可以降低NOx的排放水平。

筆者在某2.4 MW旋流煤粉燃燒爐上進(jìn)行煤粉與半焦混合燃燒的試驗(yàn),探究半焦摻燒比例對(duì)燃燒特性的影響,同時(shí)模擬分析燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)燃燒特性的影響,以期為煤粉和半焦在電站鍋爐中燃燒的優(yōu)化提供一定參考。

1 旋流煤粉燃燒爐簡(jiǎn)介

某2.4 MW旋流煤粉燃燒爐的結(jié)構(gòu)和尺寸見圖1[11]。燃燒爐前端為旋流燃燒器,燃燒器內(nèi)部環(huán)形區(qū)域?yàn)閿y帶煤粉的直流一次風(fēng),外側(cè)環(huán)形區(qū)域?yàn)橹嫉男鞫物L(fēng)。旋流二次風(fēng)卷吸高溫?zé)煔?使煤粉在燃燒器預(yù)燃室內(nèi)快速著火燃燒。煤粉和半焦的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 煤粉和半焦的工業(yè)分析及元素分析

圖1 2.4 MW旋流煤粉燃燒爐示意圖

2 計(jì)算方法

煤粉及半焦混合燃燒涉及一系列復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)過程?；贔LUENT 16.0軟件模擬分析煤粉與半焦的混合燃燒特性和NOx生成特性。旋流燃燒器的旋流強(qiáng)度大,采用旋流修正的Realizablek-ε湍流模型模擬氣相湍流的流動(dòng)過程;采用隨機(jī)軌道模型模擬煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)過程;采用雙方程競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉的揮發(fā)分析出過程;采用有限速率/渦耗散模型模擬氣相湍流的燃燒過程;采用動(dòng)力/擴(kuò)散反應(yīng)模型模擬焦炭燃燒過程;采用P1模型對(duì)燃燒過程中的輻射傳熱過程進(jìn)行計(jì)算;采用灰氣體加權(quán)和(WSGG)模型對(duì)氣體輻射特性進(jìn)行計(jì)算。更多的模型介紹可參考相關(guān)文獻(xiàn)[12-16]。

設(shè)置過量空氣系數(shù)為1.22、一次風(fēng)溫度為343 K、二次風(fēng)溫度為573 K。煤粉粒徑滿足Rosin-Rammler分布,最小粒徑為1 μm,最大粒徑為300 μm,平均粒徑為45 μm,分布指數(shù)為1.36。為了保持模擬計(jì)算的一致性,使半焦的粒徑與煤粉保持一致。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,選擇幾何模型的四分之一作為計(jì)算模型,并且設(shè)置交界面邊界為周期性邊界。根據(jù)燃燒爐實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行精細(xì)化的建模和網(wǎng)格劃分,使用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分示意圖及網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試見圖2。在燃燒器出口區(qū)和主燃區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理;在不摻燒半焦時(shí)開展網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試(網(wǎng)格數(shù)量分別為42萬、58萬和91萬),對(duì)比燃燒爐中心線的沿程溫度發(fā)現(xiàn),3種網(wǎng)格線的溫度差異相對(duì)較小,其中58萬和91萬網(wǎng)格數(shù)量下的溫度曲線基本重合,因此最終選擇58萬網(wǎng)格數(shù)量開展模擬計(jì)算。計(jì)算過程中:設(shè)置一次風(fēng)、二次風(fēng)和燃盡風(fēng)入口為質(zhì)量入口邊界;設(shè)置爐體壁面為無滑移溫度邊界,發(fā)射率為0.7;設(shè)置燃燒爐出口為50 Pa壓力出口邊界;采用SIMPLE算法模擬壓力和速度場(chǎng)耦合,其余參數(shù)采用一階迎風(fēng)差分格式。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖及網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)不摻燒半焦時(shí)燃燒爐中心線上參數(shù)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果見圖3。由圖3可得:溫度、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)含量模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值基本一致。燃燒爐出口參數(shù)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3,試驗(yàn)測(cè)量值與模擬結(jié)果基本符合。以上結(jié)果證明所采用的模型較為合理,可以用來開展旋流燃燒爐燃燒特性的研究。

表3 燃燒爐出口參數(shù)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 煤粉燃燒特性

在僅燃燒煤工況下燃燒爐內(nèi)的氣流速度、溫度、O2體積分?jǐn)?shù)和焦炭燃燒速率云圖見圖4。從圖4中可以看出:在擴(kuò)口式燃燒室內(nèi),一次風(fēng)入口位置形成了明顯的卷吸回流區(qū)和低氧高溫區(qū),這有利于煤粉的著火和燃燒穩(wěn)定;在擴(kuò)口式燃燒室出口區(qū)域形成了第2個(gè)明顯的回流區(qū),這有利于煤粉焦炭的燃燒,從而提高煤粉的燃燒穩(wěn)定性和燃盡程度。

圖4 煤粉燃燒特性

3.3 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)燃燒特性的影響

3.3.1 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)溫度的影響

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的溫度分布見圖5,燃燒爐中心線的沿程平均溫度分布見圖6。

圖5 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下的溫度分布

圖6 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均溫度分布

在不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置和摻燒半焦的比例下,燃燒器擴(kuò)口區(qū)域內(nèi)的燃料都能快速穩(wěn)定著火。在相同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下,隨著半焦摻燒比例的增加,高溫火焰長(zhǎng)度逐漸縮短,主燃區(qū)的平均溫度輕微降低。半焦摻燒比例越高,易燃的煤粉含量越低,從而導(dǎo)致燃燒劇烈程度降低、高溫區(qū)域縮短。燃盡風(fēng)配風(fēng)位置距離燃燒器越遠(yuǎn),燃料在主燃區(qū)(低氧高溫區(qū))的停留時(shí)間越長(zhǎng),在燃盡區(qū)(高氧低溫區(qū))的停留時(shí)間越短。

3.3.2 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)O2含量的影響

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的O2含量分布見圖7,燃燒爐中心線的沿程平均O2含量分布見圖8。在相同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下,不同半焦摻燒比例工況的O2含量分布情況基本一致。主燃區(qū)的O2含量相對(duì)較低,隨著燃盡風(fēng)的送入,O2含量增加,未燃盡的燃料在燃盡區(qū)繼續(xù)燃燒。燃盡風(fēng)配風(fēng)位置距離燃燒器越遠(yuǎn),低氧主燃區(qū)的區(qū)域范圍越大,燃料在主燃區(qū)的停留時(shí)間越長(zhǎng);燃盡風(fēng)配風(fēng)位置距離燃燒器越近,燃盡區(qū)的區(qū)域范圍越大,有利于焦炭(尤其是半焦焦炭)的燃盡。

圖7 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下的O2含量分布

圖8 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均O2含量分布

3.3.3 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)焦炭燃燒速率的影響

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的焦炭燃燒速率分布見圖9。從圖9中可以看出:摻燒半焦后,焦炭的燃燒區(qū)域擴(kuò)大,這主要是因?yàn)榘虢菇固勘让悍劢固咳紵郎蟆?/p>

圖9 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下焦炭燃燒速率分布

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況燃燒爐中心線的沿程焦炭燃燒速率分布見圖10～12。

圖10 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均煤粉焦炭燃燒速率

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均煤粉焦炭燃燒速率見圖10。煤粉焦炭燃燒速率的沿程曲線呈現(xiàn)出2個(gè)峰值區(qū)域(0.5 m左右和2.0 m左右)。燃燒器出口區(qū)域的氧量充足、溫度較高,該區(qū)域是煤粉焦炭燃燒的主要區(qū)域,因此在0.5 m左右的區(qū)域呈現(xiàn)出高燃燒速率。隨著與旋流二次風(fēng)的充分混合,部分煤粉焦炭在燃燒器下游2.0 m左右的區(qū)域進(jìn)一步劇烈燃燒,煤粉燃燒速率在該區(qū)域呈現(xiàn)出峰值。不同摻燒比例下,煤粉焦炭燃燒速率在下游4.0 m左右的區(qū)域處于較低水平,表明煤粉焦炭的燃盡程度相對(duì)較高。在相同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,煤粉焦炭燃燒速率逐漸降低,這主要是因?yàn)槊悍圪|(zhì)量的減少。

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均半焦焦炭燃燒速率見圖11。半焦焦炭燃燒速率的沿程曲線與煤粉的相似,呈現(xiàn)出2個(gè)峰值區(qū)域(0.5 m左右和2.0 m左右),2個(gè)峰值相差較小,這主要是因?yàn)榘虢菇固康姆磻?yīng)性低于煤粉焦炭,其燃燒相對(duì)滯后。當(dāng)燃盡風(fēng)噴口位于距爐頭2.5 m處時(shí),由于燃盡風(fēng)的及時(shí)送入,處于高溫高氧環(huán)境的半焦焦炭進(jìn)一步劇烈燃燒,呈現(xiàn)高燃燒速率。當(dāng)燃盡風(fēng)噴口位于距爐頭3.5 m和4.5 m處時(shí),燃盡風(fēng)噴口區(qū)域沒有呈現(xiàn)出明顯的高反應(yīng)速率。因此,燃盡風(fēng)噴口靠近主燃區(qū)有利于半焦焦炭的燃燒和燃盡。在相同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,半焦焦炭燃燒速率逐漸提高。

圖11 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均半焦焦炭燃燒速率

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均總焦炭燃燒速率見圖12。總焦炭燃燒速率的沿程曲線呈現(xiàn)出2個(gè)峰值區(qū)域(0.5 m左右和2.0 m左右)。0.5 m左右的峰值顯著高于2.0 m左右的峰值,這主要是因?yàn)槿紵鞒隹趨^(qū)域的氧量充足、溫度較高,該區(qū)域是煤粉焦炭燃燒的主要區(qū)域,焦炭的燃燒速率高,因此在0.5 m左右區(qū)域呈現(xiàn)出第1個(gè)燃燒速率峰值。隨著燃料逐漸與旋流二次風(fēng)的充分混合,部分煤粉焦炭在燃燒器下游2.0 m左右區(qū)域進(jìn)一步劇烈燃燒,煤粉燃燒速率在該區(qū)域呈現(xiàn)出一定峰值。

圖12 不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下燃燒爐中心線的沿程平均總焦炭燃燒速率

3.3.4 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)半焦焦炭燃盡率的影響

不同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下煤粉摻燒半焦(摻燒半焦比例為0%、10%、20%、30%)工況的半焦焦炭燃盡率見圖13。在相同摻燒半焦比例下,隨著燃盡風(fēng)配風(fēng)位置遠(yuǎn)離燃燒器出口,半焦焦炭的燃盡率降低,這主要是因?yàn)槿急M風(fēng)越靠近燃燒下游,未燃盡半焦與燃盡風(fēng)混合后的反應(yīng)時(shí)間越短,越不利于其燃盡。在相同燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下,隨著摻燒半焦比例的增加,半焦燃盡率小幅度增加。幾種工況下的煤粉燃盡率均為100%。

圖13 半焦焦炭燃盡率

4 結(jié)語

以某2.4 MW旋流燃燒爐為研究對(duì)象,基于數(shù)值模擬研究煤粉與半焦混合燃燒過程中燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)燃燒特性的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)煤粉與半焦混合燃燒的著火特性影響較小,燃盡風(fēng)不同配風(fēng)位置下都可以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定著火燃燒。

(2) 燃盡風(fēng)配風(fēng)位置對(duì)燃盡特性有明顯的影響:燃盡風(fēng)配風(fēng)位置越靠近下游,燃料在主燃區(qū)的停留時(shí)間越長(zhǎng),在燃盡區(qū)的停留時(shí)間越短,未燃盡焦炭反應(yīng)越不充分,其燃盡程度越差。因此,在實(shí)際運(yùn)行或改造中,在確保NOx排放滿足要求的情況下,盡量使燃盡風(fēng)配風(fēng)位置靠近主燃區(qū),該方式有利于改善半焦的燃盡特性。