烟气循环倍率对煤粉富氧燃烧影响数值模拟

王 鹏，郭军军，吴海波，柳朝晖，余学海，廖海燕



烟气循环倍率对煤粉富氧燃烧影响数值模拟

王 鹏1，郭军军2，吴海波1，柳朝晖2，余学海1，廖海燕1

（1.神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025； 2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

为了研究煤粉富氧燃烧方式下烟气循环倍率对燃烧和传热特性的影响，本文以某500 kW燃烧测试炉为研究对象，采用数值模拟方法对空气燃烧以及不同循环倍率下的富氧燃烧进行了研究；采用化学渗透脱挥发分（CPD）模型模拟煤粉的脱挥发分过程，挥发分成分考虑为多种轻质气体，挥发分的燃烧采用详细化学反应机理，介质辐射特性模型均针对富氧燃烧进行了修正。研究结果表明：虽然富氧燃烧下二次风与一次风的动量比较空气燃烧下降了50%以上，但采用相同的旋流燃烧器仍可实现与空气燃烧相似的炉内流场特性；煤粉燃烧温度和着火位置均受循环倍率的影响，富氧燃烧下循环倍率为72%时，炉内平均温度分布以及着火位置与空气燃烧下较为接近，随着循环倍率增加，辐射传热量降低。

煤粉燃烧；富氧燃烧；烟气循环；燃烧特性；循环倍率；辐射传热；数值模拟

中国是一次能源消耗大国，2007年中国超过美国成为世界上最大的CO2排放国家[1]，面临着巨大的碳减排压力。碳捕集利用与封存技术是降低我国碳排放的关键举措，而富氧燃烧作为一种最具前景的大规模碳捕集技术，近年来受到广泛关注[2-3]。

富氧燃烧是采用纯氧和循环烟气的混合物来代替空气作为助燃剂，使得炉内富含高浓度的CO2，便于CO2的捕集。循环烟气是富氧燃烧实际运行时的重要参数，循环倍率可以改变入炉氧分压以及入炉气体量，进一步影响炉内的燃烧和传热特性。Andersson等人[4]在查尔莫斯100 kW燃烧测试炉上的实验结果表明，在煤粉富氧燃烧工况下，随着烟气循环倍率的降低，炉内温度和总辐射强度增加。Woycenko等人[5]通过2.5 MW旋流燃烧炉上的富氧燃烧实验发现，当烟气循环倍率为0.58时，富氧燃烧的炉内温度与空气燃烧相似，但壁面辐射热流略有提高。Callide 30 MW富氧燃烧电厂的试验结果表明，当初始氧气体积分数为27%时，富氧燃烧的传热特性与空气燃烧相似[6]。

在3 MW试验台上的富氧燃烧试验和数值研究表明，初始氧分压为26%时，炉内峰值温度以及辐射传热较空气燃烧有所下降[7]。阎维平等[8]综合考虑炉膛火焰温度、燃尽率以及NO生成量，推荐在富氧燃烧中使用30%的初始氧气体积分数。不同的研究均表明，富氧燃烧下的炉内温度和传热可与空气燃烧相匹配，但匹配时所需的烟气循环倍率却各有不同，烟气循环对富氧燃烧煤粉炉内的燃烧和传热特性的定性影响尚不清楚。

计算流体力学（CFD）模拟能够获得燃烧过程中详细的炉内流动、燃烧、传热和污染物排放数据，近年来已被广泛应用于煤粉富氧燃烧的研究中[9]。本文借助CFD数值模拟方法，将数学子模型针对富氧燃烧进行修正，以500 kW燃烧测试炉为研究对象，对空气燃烧以及不同循环倍率下的富氧燃烧进行研究；对炉内的流场、温度分布、着火位置以及辐射传热进行分析，探究循环烟气与煤粉富氧燃烧的燃烧和传热特性的定量关联，旨在为新建或改造的燃煤富氧燃烧锅炉设计和机组运行提供参考。

1 研究对象

1.1 炉膛与燃烧器

本文研究对象为英国RWEn 500 kW燃烧测试炉[10]，其结构如图1所示。该测试炉为卧式炉，横截面是边长为800 mm的正方形，长度为6 180 mm，壁面为耐火砖，炉膛外壁附有保温层。本研究选用小型试验炉为研究对象是为了减少计算网格，采用精度更高的数值子模型进行模拟，以保证计算结果的可靠性。

图1 500 kW燃烧测试炉结构 (mm)

炉膛左端安装一台空气分级旋流燃烧器，其结构如图2所示。燃烧器包括3个喷口：最外环是旋流二次风，通过旋转叶片产生旋转射流；其次是一次风，一次风采用直流射流并携带煤粉；中心风管为丙烷风管。燃烧器通过一个扩口与炉膛相连，扩口形状为三次曲线，有利于旋流气流的扩展以及中心内回流区的形成，燃烧器出口直径0为284 mm。

图2 旋流燃烧器结构（mm）

1.2 计算工况

本文研究选用俄罗斯烟煤，其工业分析和元素分析见表1。根据实验中测量的颗粒粒径分布，数值模拟时使用Rosin-Rammler方法模拟煤粉粒径分布，煤粉颗粒的平均直径为56 μm，分散度为1.4。

表1 煤粉的工业分析和元素分析

Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the pulverized coal

实验共分为空气、RR65（循环倍率65%）、RR68（循环倍率68%）、RR72（循环倍率72%）、RR75（循环倍率75%）5个工况，详细工况设计见表2。以空气燃烧工况为基准，对不同循环倍率的富氧燃烧工况进行对比分析。所有工况下热功率保持在500 kW，炉膛出口氧体积分数保证在3%左右。为了保证煤粉着火的稳定性以及煤粉输运的安全性，富氧燃烧下一次风中氧体积分数以及一次风速度与空气燃烧保持一致，氧体积分数为21%，一次风速为15 m/s。二次风的体积以及氧体积分数随循环倍率的变化而变化。富氧燃烧下，循环倍率在65%~75%之间，相应的二次风中氧体积分数在44%~29%之间。一次风和二次风的温度分别保持在70 ℃和270 ℃。对于所有工况，二次风的旋流度保持不变，旋流数为0.6。

表2 模拟工况（*N2质量流量）

Tab.2 The simulation conditions (*N2 mass flow)

2 数值模拟方法

2.1 湍流模型

本文采用SST模型[11]模拟气体湍流流动，SST模型与标准模型相似：

SST模型不需要使用壁面函数，相比于类模型能更好地处理近壁区的湍流。采用拉格朗日法对离散项进行计算，采用随机轨道模型来跟踪煤粉颗粒轨迹。

2.2 煤粉燃烧模拟

采用化学渗透脱挥发分（CPD）模型模拟煤粉的脱挥发分过程，相比于单步速率和双步竞争等经验模型，CPD模型基于煤粉物理和化学结构的快速加热方式来模拟煤粉的脱挥发分，预测精度明显提高。CPD模型的参数根据煤粉的工业分析和元素分析获得[12]，挥发分产物根据CPD计算程序获得。本文中挥发分产物为CO、CH4、H2、C2H4、C2H2，保证元素守恒和能量守恒。

采用涡耗散概念（EDC）模型处理湍流与化学反应之间的相互作用，EDC模型假设反应发生在小的湍流结构中，其可以考虑详细的化学反应机理，并可获得有限速率的化学反应效应。富氧燃烧下的高浓度CO2不仅改变了化学反应速度，也使得反应路径发生变化，基于快速化学反应假设的燃烧模型会带来较大的误差。

张延青等[30]通过A/0工艺研究了直接利用排放后的城市海水对污水处理厂中生物处理系统造成的影响。证明当海水含有的盐浓度过高时，生物处理体系严重受到高盐度水平的影响限制，并且生物的活性很难再次恢复到正常水平，氨氮和COD的减除效率显著降低很多，并且出水质量完全达不到城市污水厂二级出水排放水质的国家规定。

均相化学反应机理采用基于USC Mech II详细化学反应机理简化的骨架机理，其包含22种组分和108步化学反应[13]，这些化学反应可以充分体现CO2带来的影响。富氧燃烧下，高浓度的CO2会 影响焦炭的氧化和气化，研究表明当入炉氧体积分数相同时，O2/CO2条件下的焦炭燃烧时间比O2/N2条件下的更长，且燃烧温度更低[14]，所以在数值 模拟时需要在焦炭燃烧模型中考虑CO2对焦炭燃烧的影响。

本文采用多步表面反应模拟焦炭燃烧，同时考虑了焦炭的氧化和气化，焦炭反应速率取决于外部质量扩散速率和表面反应动力学速率，其中动力学参数根据文献[15]获得。

2.3 辐射模型

辐射传热的求解依赖于炉内介质的热力学状态分布、介质辐射特性以及辐射传输方程的求解方法。灰体模型将气体吸收系数假设为常数，是最简单的辐射特性模型，但其计算误差较大；而详细模型，如逐线法和谱带模型，计算精度高，但计算量大不适合于CFD数值模拟；总包模型，如灰气体加权和（WSGG）模型，计算精度可靠且计算量小，应该是数值模拟中最好的选择之一。

富氧燃烧下高浓度的CO2和H2O使得炉内介质辐射特性较空气燃烧有很大的变化，烟气中CO2和H2O的摩尔比的变化范围大幅超出了传统的WSGG模型的适用范围，因此本文针对富氧燃烧对WSGG模型参数进行了修正[16]。对于颗粒辐射特性的计算，本文采用基于灰颗粒加权和模型[17]，该模型的精度较灰体模型有很大的提升。

辐射传输方程的求解采用离散坐标法（DOM），4π空间内的每个八分圆被离散为3×3个立体角。DOM的计算量比较大，但是适用的范围宽，从小光程到大光程均可适用，且对于带有非灰辐射特性和散射效应的情况具有很好的计算精度。

2.4 网格划分与边界条件

本文对燃烧器以及整个炉膛进行数值模拟。考虑到燃烧器以及炉膛的对称性，模拟中采用轴对称二维旋流模式，计算区域和网格划分如图3所示。

图3 网格示意

计算区域在轴方向为451 mm。采用四边形结构化网格，在燃烧器区域对网格进行加密，并沿轴向和径向方向疏密过度，保证良好的网格质量。网格总数约为3.7万，经过网格独立性测试，确保网格对计算结果无影响。

计算区域包括几个边界，例如质量入口、压力出口、壁面边界、对称轴。入口边界包括燃烧器一次风和二次风，不同燃烧情况下燃烧器的入口边界条件见表2。一次风和二次风的喷口面积分别为1.948 4×10–3m2和6.665 7×10–3m2。大约80%的总氧化剂通过二次风进入炉膛，其余通过一次风喷入炉膛。在本研究中，使用商业CFD工具Ansys Fluent v16.0求解三维控制方程，使用SIMPLE算法求解压力和速度的耦合，采用二阶迎风格式求解动量、能量以及组分等。数值子模型的修改采用用户自定义函数（UDF）实现。

3 结果与讨论

3.1 炉内流场

本文研究的500 kW燃烧测试炉配备一台空气分级旋流燃烧器，通过二次风的旋转射流在燃烧区出口区域形成内回流区，能够有效地保证煤粉的着火。在各工况下，一次风的速度保持在15 m/s，二次风的速度随着循环倍率的变化而变化，二次风的旋流数保持在0.6。空气燃烧工况下二次风的速度为38 m/s，工况RR65、RR68、RR72和RR75的二次风速度分别为17、19、23、27 m/s；空气燃烧工况与其他4个工况下的二次风与一次风的动量比分别为14.1、2.6、3.3、4.9、6.7。在富氧燃烧下，二次风的速度较空气燃烧明显降低，且随着循环倍率的降低，二次风与一次风动量比降低。动量比是射流混合的重要参数，动量比的降低会使得燃料与氧化剂的混合变差，影响煤粉的着火，但风速的降低又会使煤粉在炉内的停留时间增加，有助于煤粉的燃尽。

图4为不同工况下炉膛中心线上轴向速度变化曲线，/0表示炉膛轴向距离与燃烧器出口直径0的比值。轴向速度小于零的区域表示内回流区域。从图4可以看出：不同的燃烧模式下中心线上的速度分布规律基本一致，在富氧燃烧下，内回流区的速度以及轴向速度较空气燃烧都有很大的降低，这是富氧燃烧下二次风风量降低所致；各工况下回流区的长度约为燃烧区出口直径的两倍；在富氧燃烧下，内回流区域的长度较空气燃烧增加，且随着循环倍率的降低回流区长度增加，即轴线上速度越低，回流区长度越长；从数值模拟的结果统计中发现，内回流区的宽度变化不大，所以富氧燃烧下回流区的体积大于空气燃烧，但由于回流速度的降低，富氧燃烧下的回流烟气质量要低于空气燃烧。

图4 炉膛中心上轴向速度分布曲线

3.2 燃烧特性

图5为不同燃烧工况下炉膛中心线上温度以及沿轴向方向上炉膛平均温度分布曲线。从图5可以看出：在内回流区域（/0=0~2.0）范围内，空气燃烧下炉膛中心线上的温度明显高于富氧燃烧，这是因为空气燃烧下回流速度更大，对高温烟气的卷吸能力更强；富氧燃烧下峰值温度的降低受CO2物理和化学效应的影响，高浓度的CO2使得烟气的比热容明显高于空气燃烧，同时CO2参与化学反应，会影响化学反应路径和反应速率；随着循环倍率的增加，中心线上的温度增加得越快，但中心线上的峰值温度并非随着循环倍率单调变化；RR75工况下的中心线温度分布趋势与空气燃烧最为接近，而其他循环倍率下的富氧燃烧工况均出现了两段升温过程。

图5 炉膛中心上温度以及炉膛平均温度分布曲线

从图5还可以看出：不同燃烧模式下，炉内平均温度分布趋势保持一致；富氧燃烧下，平均温度随着循环倍率单调变化，循环倍率越低，则入炉氧分压越高，炉内平均温度越高，这是因为循环倍率降低，炉内烟气体积减小，相同的加热源能够产生更高的温度，同时烟气速度降低，停留时间也增加；当富氧燃烧循环倍率为72%时，炉内平均温度与空气燃烧基本保持一致；在炉膛下游，空气燃烧下的平均温度略高于富氧燃烧。

本文采用详细化学反应机理模拟均相化学反应，采用CPD模型模拟煤粉的脱挥发分行为，研究表明该方法能够有效地预测煤粉的着火过程。详细化学反应机理能够对各种微量组分进行预测，CH峰值体积浓度的一半可用于作为着火位置的判断标准[18]。图6为燃烧器出口区域CH体积分数的分布云图。从图6可以看出：在内外回流区的剪切层内出现了高浓度的CH，而在空气燃烧下，由于内回流区对高温烟气的强烈卷吸，内回流区内也出现高浓度的CH，其体积分数分布云图呈“7”字型；而富氧燃烧下，随着循环倍率的增加，剪切层内的CH体积分数分布逐渐缩短，而内回流区内逐渐出现CH；当循环倍率为75%时，CH体积分数分布与空气燃烧最为接近。这说明在循环倍率较低时，二次风中高的氧体积分数使得煤粉的燃烧发生在内外回流剪切层中，即燃料和氧化剂充分混合区域，而循环倍率的增加会导致煤粉燃烧位置的变化。

图6 燃烧器出口区域CH体积分数分布

3.3 传热特性

循环烟气是实际富氧燃烧锅炉运行的重要参数之一，循环烟气的变化会改变炉内烟气温度分布以及烟气成分，同时对炉内煤粉颗粒的质量浓度也有一定的影响，这些都会对炉内的辐射传热带来影响。在本研究中，炉膛壁面设置有保温层，所以在不同燃烧工况下壁面温度略有不同，壁面温度会随着炉膛温度的增加而增加。根据壁面温度的统计结果可知，RR65工况的壁面温度最高，RR72工况下壁面温度与空气燃烧相当。统计的壁面入射辐射是半球空间内火焰辐射和热壁面辐射的累积。Yang等人[19]的研究表明，在带有保温层的炉膛内，火焰辐射约占壁面总入射辐射的45%左右。

图7为不同燃烧模式下的壁面辐射换热量。从图7可以看出，富氧燃烧下的辐射传热量要高于空气燃烧。辐射传热与介质温度以及介质辐射特性相关。图4的研究结果表明，RR72工况下的烟气平均温度与空气燃烧下相似，而且其壁面温度与空气工况下相当，但RR72工况下的辐射传热量要明显大于空气燃烧。这主要是由于RR72工况下炉内介质辐射特性增强，对于气体辐射特性，富氧燃烧下辐射参与性气体（CO2和H2O）浓度增加，则气体发射率增加；同时，富氧燃烧下入炉氧分压增加使得炉内烟气量降低，颗粒质量浓度增加，则颗粒发射率也会增加。因此，富氧燃烧下炉内介质的总体发射率更强，使得辐射传热量增加。

图7 不同工况下炉膛壁面辐射换热量

4 结 论

1）富氧燃烧下由于入炉氧分压的提高，二次风与一次风的动量比较空气燃烧下降了50%以上，采用相同的旋流燃烧器依然可以实现与空气燃烧相似的炉内流场特性，保证富氧燃烧的火焰稳定。

2）富氧燃烧下炉内的平均温度随着循环倍率的增加而下降，当循环倍率为72%时，炉内平均温度分布与空气燃烧下较为接近。

3）循环倍率对辐射传热有很大的影响，随着循环倍率增加，辐射传热量降低。富氧燃烧下炉内介质的总体发射率更强，使得辐射传热量增加。

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Numerical simulation on influence of flue gas recirculation ratio on oxy-coal combustion

WANG Peng1, GUO Junjun2, WU Haibo1, LIU Zhaohui2, YU Xuehai1, LIAO Haiyan1

(1. Shenhua Guohua Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To study the effects of flue gas recirculation ratio on combustion and heat transfer characteristics in oxy-coal combustion, numerical investigation on air combustion and oxy-fuel combustion of pulverized coal was carried out in a 500 kW combustion test facility. Moreover, the chemical permeation devolatilization (CPD) model was used to describe the devolatilization behavior of pulverized coal. The volatile components are considered as a variety of light gases. The detailed reaction mechanism was applied for volatiles combustion, and the radiative property models were modified for oxy-fuel combustion. The results show that, although the momentum ratio of the secondary air to the primary air is reduced by more than 50% in oxy-fuel combustion, employing the same swirl burner can still obtain the in-furnace flow characteristics which is similar to the air combustion. Both the combustion temperature and the ignition position of the pulverized coal are affected by the circulation rate. In oxy-fuel combustion with recirculation ratio of 72%, the distribution of the average temperature in the furnace and the ignition position are similar to those in air combustion. As the increase of recirculation ratio, the radiative heat transfer decreases.

pulverized coal combustion, oxy-fuel combustion, flue gas recirculation, combustion characteristics, recirculation ratio, radiative heat transfer, numerical simulation

National Key Research and Development Program of China (2018YFB0605304)

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201809181

王鹏, 郭军军, 吴海波, 等. 烟气循环倍率对煤粉富氧燃烧影响数值模拟[J]. 热力发电, 2019, 48(4): 90-95. WANG Peng, GUO Junjun, WU Haibo, et al. Numerical simulation on influence of flue gas recirculation ratio on oxy-coal combustion[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(4): 90-95.

2018-09-20

国家重点研发计划项目(2018YFB0605304)

王鹏(1981—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为高效清洁燃烧发电技术，16810107@chnenergy.com.cn。

（责任编辑 马昕红）