电厂天然气锅炉富氧燃烧数值模拟

杨飞;张杨;李晓曦;董杰亮【摘要】对传统燃烧方式下和应用富氧燃烧技术(O2/CO2燃烧技术)时电厂天然气锅炉内的燃烧特性进行数值模拟研究.结果表明随着氧气浓度的增大，整个炉膛的高温区分布趋于集中,烟气温度增加，火焰分布更为集中，充满度也越来越差.当氧气浓度为25%时，炉膛内的温度分布和烟气辐射特性与传统燃烧方式下最接近.当氧气浓度由21%上升到40%时，炉膛内烟气温度得到较大幅度的提高，燃烧器所在截面温度上升300K以上，火焰充满度变差.％Thecombustioncharacteristicsofnaturalgasboilerinpowerplantwerestudiedbythemethodofnumericalsimulationwhenthetraditionalapproachandtheoxygen-enrichedcombustiontechnology(O2/CO2combustiontechnology)wereused.Theresultsshowthatasoxygenconcentrationincreases,thehightemperaturezoneofthefurnaceasawholedistributiontendstoconcentrated,andthefluegastemperatureincreases,theflamedistributionismoreconcentrated,thefullnessisgraduallypoor.Whentheoxygenconcentrationis25%,thetemperaturedistributioninthefurnaceisclosetothetraditionalcombustion.Whentheoxygenconcentrationisincreasedfrom21%to40%,thetemperatureoffurnaceflueisfoundtohavesignificantimprovement,andtheaveragetemperatureintheburnersectionincreasesmorethan300K,volumeaccountsoftheflameinfurnacebecomeworse.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷)，期】2012(036)003【总页数】5页(P92-96)【关键词】富氧燃烧;天然气;电厂锅炉;数值模拟;温度场【作者】杨飞;张杨;李晓曦;董杰亮【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044【正文语种】中文【中图分类】TK224.11在我国以煤为主要燃料的电厂锅炉，不仅造成了能源利用弊端，而且对环境也造成了非常恶劣的影响[1].使用高效、清洁的天燃气锅炉可有效地解决这一问题[2].以燃烧化石燃料为主的电力生产过程排放的CO2量超过CO2排放总量的30%,已经成为最大的CO2排放源，但鉴于多方面因素的影响，化石燃料在能源结构中的主导地位将会维持相当长的时间,因此,控制和减缓电力生产过程中CO2的排放对于减少温室气体的排放具有重要的理论和现实意义.采用富氧燃烧技术，即O2/CO2燃烧技术,就可以使燃烧后产生的烟气中CO2含量达到95%以上，可直接将烟气液化回收处理.富氧燃烧技术不仅能使分离和收集CO2容易进行，还能大幅减少NOx的排放量.随着助燃气体中氧气浓度的增加，可提高锅炉效率，是一种能综合控制污染物排放的新型洁净节能燃烧技术[3].将富氧燃烧技术应用在电厂的天然气锅炉上,能够综合天然气锅炉和富氧燃烧技术两者的优点，有可能取得良好的效果.目前，天然气富氧燃烧方面的研究主要集中于O2/N2气的燃烧方面.Qiu和Hayden等人发现，当氧气浓度增加到28%时，能节省22%的燃气[4],且富氧条件下能产生强劲的火焰.甲烷燃烧条件下，当氧气浓度增加到100%时熄火拉伸率(extinctionstrainrate)增加两倍以上[5].Wu等人发现，在传热试验中传热效率增加了53.6%,炉膛在温度固定条件下的燃料消耗量减少26.1%.较高的氧气浓度可以获得较高的火焰温度.随着氧气浓度的增加,NOx的排放量也随之增加.烟气中二氧化碳的含量也随氧气浓度直线增加.此外，随着氧气浓度的增加，温度分布逐步变得不均匀,这是因为对流换热系数发生了改变[6].本文作者应用数值分析的方法，以某电厂325MW天然气锅炉为研究对象,研究富氧燃烧条件下，氧气体积分数对炉内燃烧特性的影响.1模型与边界条件我们所研究的锅炉为某电厂325MW塔式箱形天然气锅炉，为亚临界自然循环，采用一次中间再热.燃烧方式为前后墙对冲燃烧,燃料为天然气.燃烧器布置在炉膛水冷壁的前、后墙上，采用旋流燃烧器，共24只，前后墙各12只.一次风在燃料着火之前与之混合,二次风是燃烧器主要供风部分.同一燃烧器的二次风及分级风旋转方向相同相邻及相对两个燃烧器的二次风及分级风旋转方向均相反锅炉的主要额定参数:主蒸汽流量1065t/h;主蒸汽压力17.4MPa；主蒸汽温度540OC;再热蒸汽流量882.8t/h;再热蒸汽进/出口压力3.66/3.46MPa；再热蒸汽进/出口温度324/540C;给水温度271C.天然气成分:N2为0.14%;H2S为0.0039%;CO2为0.10%;CH4为85.009%;C2H6为9.97%;C3H8为3.62%;C4H10为1.007%;C5H12为0.15%;低位发热值为41987kJ/m3.由于计算模型为三维，对模型的网格划分大部分采用了六面体网格,为了增加计算精度,燃烧器区域的网格采用嵌套技术进行划分，网格分布相对其他区域较为密集.网格总数为62万个.网格示意图见图1.湍流模型采用标准k-s模型，燃烧计算采用涡团耗散模型，由于炉内热量传递90%来自于辐射换热，因此，炉膛壁面热负荷只考虑辐射换热，辐射模型为P1模型.燃烧器喷口设置为速度入口，烟气出口设置为自由出口.图1炉膛网格划分示意图Fig.1Meshgenerations本文分别针对传统燃烧方式及O2/CO2比例为21%~40%共计9个工况进行模拟计算，具体工况划分见表1.表1工况划分Tab.3Divisionofworkconditions工况O2/CO2匕匕一次风速度/(m/s)二次风速度/(m/s)分级风速度/(m/s)AB1B2B3B4B5B6B7B8空气21/7923/7725/7527/7329/7131/6935/6540/6018.418.417.416.615.815.214.713.812.919.819.818.116.715.414.413.411.910.431.431.428.726.424.522.821.318.916.5—次风无旋流,二次风旋流数为1.0,分级风旋流数为0.5.保持一二次风率不变.旋流数为衡量旋转射流的旋流强度的参数，其物理意义为角动量的轴向通量与轴向动力的轴向通量之比值，旋流数的表达式为式中:R0为喷嘴半径,m;M为角动量的轴向通量;火为轴向动量.其表达式分别为式中:v为射流某截面上的轴向分速度,m/s;u为射流某截面上的切向分速度,m/s;p为静压力,MPa;p为流体密度,kg/m3.忽略静压沿半径方向的变化，可得到旋流数的近似计算公式其中u0和v0是燃烧器中气流的轴向分速度和切向分速度.由此可推得二次风和分级风的切向速度及角速度的值.2传统燃烧方式下的温度分布通过模拟计算得到了传统燃烧方式下的炉内温度分布情况.图2为传统燃烧方式下的炉膛温度等值线图，可以看出炉膛中间部分形成1899K以上的高温区域,由中间向左右侧墙方向上温度逐渐降低，左右墙受热基本对称，火焰充满度较好.在经过水平布置的屏式过热器和再热器之后，烟气温度有明显下降,并趋于均匀.图2工况A炉膛温度等值线图Fig.2ContourmapoffurnacetemperatureunderconditionA3富氧燃烧方式下的温度分布通过对富氧条件下的炉内燃烧过程进行数值计算，得到不同氧气浓度下的炉内温度分布及壁面热负荷分布情况.图3为氧气浓度分别为21%、25%、29%、35%时的炉内温度场分布情况.图3不同氧气浓度下的炉膛温度分布图Fig.3Furnacetemperaturedistributionsunderdifferentoxygenconcentrations可以看出,随着氧气浓度的增加，整个炉膛的高温区分布趋于集中，并且在燃烧器附近的温度梯度增大，燃烧器喷口附近的温度也呈上升趋势.同时高温区域距离炉膛前后墙的距离越来越近，当氧气浓度超过29%时，后墙底层燃烧器附近的高温火焰产生了贴壁燃烧的现象，会使局部水冷壁温度过高，增加爆管的几率.氧气浓度的增大使得燃料燃烧速度加快，燃烧器区域温度上升幅度较大，因此，本文对燃烧器所在截面温度进行了对比.由图4中可以看出，随着氧气浓度的增加,每层燃烧器所在的截面平均温度值都呈上升趋势,但各层截面温度上升速度各有不同，但增幅都在300K以上.在氧气浓度为29%时,三层燃烧器所在截面的温度差最小.当氧气浓度小于27%时，底层燃烧器所在截面温度最低，中间层燃烧器所在截面温度最高.当氧气浓度大于27%时,转变为顶层燃烧器所在截面温度最低，中间层燃烧器所在截面温度最高.这是由于随着助燃气体中氧气浓度的提高，高温区域趋于集中，烟气在上升过程中与四周水冷壁的辐射换热加强，使得每一层燃烧器所在的截面上烟气的辐射换热损失大于燃烧产生的热量，造成了烟气上升过程中温度降低的现象.图4燃烧器所在截面温度随氧气浓度变化情况Fig.4Temperatureoftheburnercrosssectionwiththeoxygenconcentrationchanges为了对富氧燃烧条件下炉膛内的火焰充满度随氧气浓度的增加而改变的趋势进行研究，本文选取了顶层燃烧器的两条直线上的温度分布进行考察.选取顶层燃烧器所在横截面的前后对称轴及右侧第二对燃烧器所在轴线作为研究对象.两条直线位置如图5所示,line-1和line-2分别为顶层燃烧器所在截面的中心线，取各中心线上50个温度点，计算相邻之间温度之差.X方向直线定为line-1,Y方向直线定为line-2,每条线上等距离取50个点,可得出这些点温度值的方差.图6为两条所考察的直线上所取点的温度方差随氧气浓度变化曲线图.图5直线选取示意图Fig.5Linearselect图6温度方差随氧气浓度变化情况Fig.6Temperaturevariancewiththeoxygenconcentrationchanges由图6中可以看出,line-1上的温度方差大于line-2,说明在该截面上Y方向温度分布较X方向分布均匀.而随着氧气浓度的增加,line-1上的温度方差增大趋势较为明显,line-2增大的幅度比较小，说明氧气浓度的增加对Y方向上的温度分布均匀度影响较大，而对X方向温度分布的均匀度影响比较小.随着氧气浓度的增大line-1上的方差也增大，说明随着氧气浓度的增加,Y方向上的温度分布均匀性越来越差，由此推断火焰充满度也越来越也差.图7为炉膛烟气出口温度随氧气浓度变化曲线.图7烟气出口温度随氧气浓度变化情况Fig.7Fluegasoutlettemperaturewiththeoxygenconcentrationchanges由图7中可以看出,随着氧气浓度的增加，曲线整体呈下降趋势.但在氧气浓度为27%和35%处,出现小幅波动.曲线中最大值与最小值相差只有20K左右，相差不大.图8为各截面平均温度值对比.通过对不同氧气浓度下沿炉膛高度方向的截面平均温度分析可以得出，当助燃气体中氧气浓度为25%时，各截面平均温度的分布与传统燃烧方式下的分布几乎一致.图8沿炉膛高度截面平均温度变化情况Fig.8Averagetemperaturealongthefurnaceheightcrosssection4结论通过数值模拟,对电厂天然气锅炉的炉内燃烧过程进行计算分析，并对应用富氧燃烧技术时炉内燃烧过程进行模拟研究,对炉内温度分布情况进行对比分析，从而得出天然气锅炉富氧燃烧特性.富氧燃烧方式下随着氧气浓度的增大，整个炉膛的高温区分布趋于集中，并且在燃烧器附近的温度梯度增大，燃烧器喷口附近的温度也呈上升趋势;整个炉膛内烟气温度增加，火焰分布更为集中，高温区域减小，火焰充满度也越来越差.氧气浓度由21%上升到40%时，燃烧器所在截面温度上升300K以上,同时火焰充满度变差.氧气浓度的增大对出口烟气温度的影响不大.当O2/CO2比例为25/75时，炉内温度分布与传统燃烧方式下的温度分布类似.参考文献(References):张慧明，王娟.采用清洁燃料控制燃煤工业锅炉SO2污染[J].电力环境保护,2004,12(4):38-42.ZHANGHuiming,WANGJuan.TheuseofcleanerfuelstocontrolSO2pollutionofcoal-firedindustrialboilers[J].ElectricPowerEnvironmentalProtection,2004,12(4):38-42.(inChinese)万耀强，马富琴燃煤锅沪改为燃气锅炉有关问题的探讨[J].河南建材,2009(5):113-114.WANYaoqiang,MAFuqin.Discussionofcoal-firedboilersreplacedbygas-firedboilers[J].HenanBuildingMaterials