分级燃烧炉试验台设计与试验研究

分级燃烧炉试验台设计与试验研究

0分级燃烧研究nox严重危害人类健康和环境。随着中国环境保护的要求，nox排放变得越来越重要，我们必须采取措施减少氮排放。目前,大型超临界燃煤锅炉中引进一种新型低NOx燃烧技术,即炉内整体空气分级技术,实现了显著的NOx排放控制效果。国内外学者在分级燃烧方面已做了不少研究。C.K.Man等人研究温度在氮氧化物形成过程中的影响,探究在深度分级下,焦炭氮的生成值随温度变化的规律。谢建文、王俊超等人研究了不同空气分级深度及分级位置对提质褐煤燃烧后NOx排放的影响。肖琨等人采用空气分级燃烧技术进行燃煤电站锅炉改造,在低氮燃烧基础上研究分级燃烧对锅炉汽温特性的影响。薛山等人在配有旋流燃烧器的热态试验炉上研究燃尽风位置和煤种对空气分级燃烧NOx排放以及飞灰含碳量的影响。目前分级燃烧过程中一些机理还有待深入研究,为开发更好NOx减排效果的技术奠定基础。本文针对分级燃烧过程中产生的污染物,设计了一套多功能下行燃烧炉,研究在O2/N2以及O2/CO2等多种气氛下炉膛沿程喷射燃尽风时煤粉自持燃烧过程中NOx的形成机理。根据调试数据,对试验台进行数值模拟验证,为进一步试验研究和数值模拟提供理论指导。1u3000测试平台系统和模拟对象1.1u3000试验炉如图1(a)所示,试验台系统主要由给粉系统、燃烧器、配风系统、炉体以及尾部烟道和采样系统组成。1(b)图中,试验台固定在平台支架上,形成一个稳固、易操作、观察取样方便的系统。在试验炉上可开展多类试验,可进行煤粉在不同氧浓度下的O2/CO2分级燃烧试验、烟气再循环试验、烟气一次流(Once-through)试验和还原区试验。再循环烟气可由配气供给,保证精确稳定的烟气成分,也可实现尾部烟气再循环。该试验台初期按15kW的燃烧功率设计建设,炉体部分由两段组成,炉膛总有效长度2u3000000mm。建成后随即又把功率提高到了20kW,即增加了一段炉体,如图1(b)所示最终的试验炉实物照片。顶部布置的燃烧器中间为一次直流风,外侧为旋流二次风,同时布置天然气接口作为点火烘炉使用。炉体有效长度3u3000000mm,由等长的上、中、下三段炉体通过法兰连接,上、中两段炉体燃烧室直径为200mm,下炉体燃烧室直径为150mm,炉墙由内层耐火材料以及外层保温材料组成。上炉体布置电加热套,燃烧初期点火使用。炉体沿程等距分布有若干测温点、燃尽风进风口以及沿程取样孔。本文的数值模拟工作是在试验台设计建设前开展的,故以15kW试验炉为模拟对象。1.2u3000有限元模型图2为试验炉简图及网格绘制图。数值模拟过程中,重力影响很小,因此忽略重力的影响。为克服整体网格出现高长宽比以及顶部燃烧器和燃尽风入口处网格密度与主流场不协调的问题,本文网格绘制采用交界面技术,对模拟区域进行网格疏密搭配过渡。交界面1和分界面2将流场分为3个区域,交界面1两边的网格以接近2∶1的比例进行过渡,交界面2两边的网格以接近1∶1的比例进行过渡,对顶部燃烧器、主流区(火焰核心区)和燃尽风区域网格加密,而往流场尾部区域网格由密到疏均匀过渡。在径向方向上,中心向外网格由密到疏。总网格数量为157u3000192个,全部为六面体网格,可以减少数值模拟的计算量和计算时间,提高计算过程的收敛性。图2中1为中间直流一次风携带煤粉进口。2为环形旋流二次风入口,旋流数为1.384,符合强旋流的条件,使主燃区风粉充分混合,煤粉燃烧更完全。根据研究需要取一组合适的燃尽风口,根据前人研究成果,结合试验台调试过程数据,将燃尽风喷射口布置在沿程900mm处,可以保证适当的还原区和足够的燃尽区,对称布置4个圆形燃尽风喷口,喷口直径为20mm,喷口高度15mm。模拟过程中,采用三维稳态离散模型对下行燃烧炉进行煤粉燃烧模拟,反应模型采用组分输运模型,在煤质计算器中输入表1的煤质数据,将煤粉颗粒相看作离散相,采用随机轨道模型模拟煤粉颗粒运动。挥发分析出采用双平行竞争反应模型,煤粉颗粒表面燃烧采用动力/扩散反应速率模型,同时考虑颗粒辐射和气体辐射。气相湍流流动选择标准k-ε模型,辐射模型采用DO模型,燃烧模型选择kinetics/diffusion-limited。计算开始后,先迭代计算出气相和颗粒相的冷态流场,再激活所有方程进行热态计算,最终迭代至收敛。1.3分析和工业分析本文数值模拟煤种为神华烟煤,其元素分析和工业分析如表1所示。最小粒径为10μm,最大粒径为150μm,服从Rosin-Rammler分布。1.4织物分级条件本文数值模拟设置5个燃烧工况:空气不分级、空气分级、21%O2/CO2分级、25%O2/CO2分级、30%O2/CO2分级。具体边界条件如表2所示。壁面边界条件根据炉体实际保温材料设置,保温材料主要成分为氧化锆的保温棉,保温层厚度与实际炉体厚度一致,并根据调试过程中测量的实际外壁面温度设置保温材料外壁面温度,使模拟结果更贴近试验数据。2u3000结果分析与讨论2.1烟气的回流和燃烧图3是5个工况条件下速度分布等势图。左侧坐标轴为沿炉膛竖直方向距离燃烧器出口的距离。速度场基本呈对称分布,特别是燃烧器出口区域,流场均匀性和对称性非常好,这正是旋流燃烧器要达到的效果。5个速度等势图都具备一个特点,即旋流风形成一个环形高速区,环形高速区内外分别形成低速区,外圈环形低速区直接往外延伸到炉膛壁面。可以使煤粉燃烧过后的烟气在沿着轴线和外圈形成回流区,回流热烟气加热助燃气体和煤粉。在回流和强旋流的共同作用下,炉膛内风粉混合及燃烧充分高效。工况一和工况二对比,空气分级的整体速度比不分级低,主要是因为配风和温度的差异,不分级主燃区风量大且由图4可知,不分级工况整体炉膛温度高。对比工况二和工况三,二氧化碳替换空气中的氮气进行分级燃烧,速度下降,这主要是因为O2/CO2中燃烧温度下降明显。相同气氛O2/CO2下不同氧浓度的工况(三~五),整体流场速度随氧浓度升高呈现降低的趋势。究其原因:一方面氧浓度从21%上升到30%,助燃气体量减少;另一方面,从图4中的温度分布可知,氧浓度升高,煤粉燃烧更强烈,温度升高。综合这两点,流场速度仍有略微上升,说明氧浓度升高导致的助燃气体量减少比温度上升的影响大。2.2燃烧空气温度对燃烧煤粉的影响图4是5个工况下温度分布云图。从温度分布可以看出温度场分布和图3的速度场分布规律一致,符合旋流燃烧器的流场特征。一次风携带煤粉进入炉内,沿着炉膛中心处喷入,二次风在一次风粉外形成旋流圈。旋流圈内尾部回流热烟气对一次风粉加热,同时卷吸回来的高温烟气具有缺氧和高CO的特性,对于高温区域NOx的形成具有抑制作用;另外,主燃区和壁面间形成低温区,可以减轻壁面结渣问题。同时燃烧器出口射流根部温度较低,有利于燃烧器长久安全运行。工况二至工况四的分级燃烧工况表明预热到200℃的燃尽风投入炉膛对烟温有很大降低作用。图5中分级之后温度明显下降证明了这点。工况一和工况二,分级后整体温度比不分级低,主要是因为分级燃烧煤粉前期燃烧缺氧,燃烧不充分,释放热量较少。燃尽风投入后,烟气温度会再次降低,随着后续燃尽反应的进行温度有所回升。工况二和工况三,相同氧浓度下将空气中的氮气替换成二氧化碳,温度明显下降,说明煤粉燃烧强度明显弱化。实际锅炉运行中将空气气氛直接换成等值的O2/CO2气氛并不合适,燃烧特性达不到要求。对比工况五和空气气氛,30%O2/CO2气氛下的温度介于空气气氛分级与不分级之间,在高温区有一小段温度超过不分级。所以30%O2/CO2气氛的煤粉燃烧强度与空气气氛相当,同时可弥补由于空气分级燃烧带来的部分温度下降问题。在O2/CO2气氛中氧浓度从21%升到30%,煤粉燃烧强度不断增强,而只有到30%氧浓度,燃烧强度才能和空气气氛相当。2.3氧浓度对煤粉燃烧效果的影响图6为沿程气相组分分布图,图6(a)氧气分布可以看出分级燃烧特征明显,即主燃区、还原区和燃尽区。主燃区燃料主要处于吸热升温至燃烧最强烈的过程,氧气大部分被消耗。还原区氧浓度降到很低,还原区后期趋近于零,还原区主要发生NOx被CO和焦炭还原的反应。燃尽区由于燃尽风喷入,氧气升高后再下降并趋于稳定。空气不分级工况在经过主燃区之后氧气基本处于持平状态,后期反应中氧气消耗很少。空气分级后,在主燃区内,分级燃烧氧气消耗速率比不分级大,这与分级燃烧氧量分配规律相符。工况二和工况三由于氧浓度和配风比例一样,氧气消耗情况很接近。对氧浓度为21%、25%和30%的O2/CO2气氛下的工况三、工况四和工况五进行分析,随着氧浓度增大,前期分配的主燃风中氧浓度也较高,燃烧后氧气消耗至趋于零的时间也相应延缓,这些特征与图6氧气分布一致。图6(b)为CO沿程分布图,在主燃区内由于煤粉燃烧强烈,处于缺氧状态,CO值大量释放,峰值出现在主燃区,随后CO值很低。分析不同氧浓度的O2/CO2分级燃烧,从主燃区进入还原区,CO的消耗速率随着氧浓度升高而变小,符合O2与CO此消彼长的关系。图6(c)为沿程CO2分布图,工况一和工况二对比,对分级工况,分级之前CO2比不分级要高,分级点后下降到比不分级低,而后期反应中CO2又会回升至接近不分级的CO2体积浓度值。这个过程的变化主要是因为助燃气体分配不同,前期助燃气体减少,烟气总量变少,对过量系数1.2燃尽风率30%的燃烧工况而言,煤粉燃尽程度有所减弱,但不明显,主燃区CO2总量减少的影响比助燃气体减少的影响要弱,所以前期体积浓度比不分级高。燃尽风投入后,总烟气量增大,CO2体积浓度下降,后期焦炭继续反应释放出CO2,其浓度又会慢慢回升,整体氧浓度和助燃气体量一样的情况下,最终CO2体积浓度趋向一致,基本维持在大概15%体积分数。工况三、工况四和工况五CO2体积分数在65%至95%之间变化,最终排放值在90%左右,其变化规律与空气分级状态下的曲线一致。从前期CO2生成可以看出,煤粉燃烧最强烈的区域集中在燃烧器出口到距离燃烧器450mm这段炉膛内。3个O2/CO2工况CO2浓度随氧浓度升高而降低,说明随着氧浓度升高,炉内燃烧反应强烈,助燃气体和炉内烟气气氛迅速发生化学反应,对于CO2生成和消耗迅速形成一个动态平衡,各种气体成分的浓度更快地达到一个均匀的动态平衡状态。2.4氧浓度对煤粉燃烧的影响图7为炉内煤粉颗粒燃尽率分布图。工况一和工况二对比,空气分级颗粒燃尽比不分级延后,燃尽风投入后部分剩余颗粒相在燃尽风口燃尽。主要原因是分级之后主燃烧区氧气不足,导致煤粉颗粒无法充分燃尽,从而也会导致温度的相应降低,这也验证了§2.2中工况一和工况二温度场变化规律。工况二和工况三对比,由于O2/CO2气氛下煤粉燃烧强度比空气气氛弱,温度下降,所以相同氧浓度下,工况三比工况二延缓,大部分颗粒相集中到距离燃烧器100mm以后燃烧。分析O2/CO2下不同氧浓度的工况三、工况四和工况五,随着氧浓度的升高颗粒相燃烧延后,特别是氧浓度达到30%的工况五,其颗粒相燃烧时间长,燃尽速率分布均匀,没有出现集中燃烧的情况,随着氧浓度加大,残留到燃尽风口燃烧的颗粒也越多。分析其原因,氧浓度升高,助燃气体总量减少,对整个煤粉燃烧区域而言氧气扩散速率下降,煤粉燃烧缺氧,颗粒的内孔扩散速率较小,所以氧浓度升高燃尽时间反而变长,这主要受氧气扩散速率的限制,处于异相反应扩散区。温度越高,高温区煤粉燃烧局部区域缺氧程度越高,离燃烧器较远的燃烧区域旋流扰动小,氧气不均匀性大,因此煤粉燃尽时间越长。2.5u3000氧浓度对nox生成的影响图8是神华烟煤分级燃烧的NOx沿程分布,本文NOx值为折算到干燥气氛6%氧气下的数据,单位为mg/m3。图8(a)空气分级后NOx值比不分级低很多,尾部排放相差达200mg/m3,说明在燃尽风率为30%时,空气分级降低NOx的形成和排放非常明显。空气分级燃烧NOx在主燃烧区峰值比不分级低120mg/m3。进入还原区,炉膛内部的CO和煤焦等物质会还原NOx,NOx有一个下降趋势。燃尽风投入后,NOx继续生成,上升后达到稳定,后期主要是焦炭和某些含C、H、O、N元素的中间物质的反应,对中间产物的研究将在后续工作中继续深入。另外,空气分级燃烧之后,主燃烧区温度下降,由于热力型NOx生成受温度的影响很大,温度下降到1u3000400℃以下热力型NOx生成会减少很多,这也是图8中分级后NOx下降的一个原因。图8(b)是21%氧浓度下O2/N2与O2/CO2气氛下NOx沿程分布,将氮气替换成二氧化碳后NOx的形成和排放均降低,尾部排放降低100mg/m3。由前面的氧气分布可知,这两个工况氧气变化趋势基本一致,因此氧气对这两者NOx形成对比的影响很小。由于O2/CO2下的煤粉燃烧强度比空气气氛弱很多,温度下降程度可以达到两百多摄氏度,这对于热力型NOx的生成影响很大。当温度在1u3000400℃以上,温度上升100℃,NOx以数倍的速度上升。相反,工况三O2/CO2气氛下比工况二O2/N2气氛下的温度下降了100℃,降到了1u3000400℃以下,此时热力型NOx的生成量较少,所以O2/CO2气氛下NOx排放比空气气氛低主要是温度的降低使NOx生成减少造成的。如图8(c)所示,随着氧浓度从21%升高到30%,NOx释放时间提前。研究表明:在O2/CO2气氛下随着炉膛内部烟温升高,前期挥发分释放提前,同时NOx的生成也相应提前,并且温度升高越多,提前的程度越明显。如果前期主燃区NOx的生成提前进行,那么在随后的还原性气氛中会很快被还原,从而降低整体NOx的排放。分析燃尽风对后续燃烧NOx生成的影响,氧浓度越高,燃尽区NOx生成越多。对比排放结果,氧浓度升高,尾部NOx排放量升高,而且氧浓度越高升高速率越大。这是因为随着氧浓度升高,一方面高温区温度升高,热力型NOx上升,即使在还原区会降低,尾部NOx仍比低氧浓度高;另一方面,在燃尽风投入之后,高氧浓度气氛对后续燃烧NOx生成促进作用越强。综合以上NOx沿程分布及尾部排放规律,与近期在该炉上试验获得的沿程分布值特征相