O₂/CO₂條件下煤粉燃燒特性數(shù)值模擬研究

曾彩劍

摘 要：O2/CO2燃燒技術(shù)是燃燒后捕集和存儲(chǔ)CO2的有效方法之一，研究CO2氛圍的煤粉燃燒特性對(duì)于明確煤粉著火特性和鍋爐溫度場(chǎng)分布至關(guān)重要。本文運(yùn)用FLUENT軟件非預(yù)混燃燒模型對(duì)O2/CO2氣氛下二維通道內(nèi)煤粉燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)兩種典型Ⅲ類煙煤撫順/水城煤種進(jìn)行模擬，研究不同氧分壓下煤粉燃燒的溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明：在氧分壓2%到20%范圍內(nèi)，隨著氧分壓的增加，由于有更多的O2與煤粉反應(yīng)，溫度場(chǎng)分布高溫區(qū)域有逐漸減小的趨勢(shì)。在30%氧分壓下，溫度場(chǎng)分布高溫區(qū)域變大，這主要是火焰溫度過高，輻射區(qū)域較大的緣故。

關(guān)鍵詞：非預(yù)混燃燒模型；煤粉燃燒；數(shù)值模擬

1 引言

中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短時(shí)期內(nèi)難以轉(zhuǎn)變，煤炭的常規(guī)利用造成的環(huán)境污染和溫室氣體效應(yīng)日趨嚴(yán)重，以CO2為主的溫室氣體減排成為世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。O2/CO2燃燒技術(shù)是一種新型的潔凈煤燃燒技術(shù)，不僅能有效收集煙氣中的CO2，還能減少NOx和SO2的排放[1-2]，與常規(guī)空氣燃燒相比，O2/CO2燃燒將循環(huán)煙氣與純氧混合從而替代空氣與煤粉在鍋爐中進(jìn)行燃燒，進(jìn)而提高排放煙氣中CO2濃度。常規(guī)空氣燃燒煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為10～14%，帶來CO2分離和補(bǔ)集能耗較大，而O2/CO2燃燒技術(shù)可將煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)提高到90%以上，該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)大氣污染物的零排放，現(xiàn)在處于實(shí)驗(yàn)室研究和示范工程階段[3]。煙氣中高濃度的CO2會(huì)對(duì)煤粉的燃燒特性產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響鍋爐性能及溫度場(chǎng)分布，為此，闡明高濃度CO2氛圍下煤粉燃燒特性對(duì)于研究煤粉著火特性和鍋爐溫度場(chǎng)分布至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)O2/CO2燃燒技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。美國SANDIA國家實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)學(xué)者對(duì)煤粉顆粒的著火、脫揮發(fā)份以及煤焦燃燒動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。在O2/CO2氣氛下煤粉燃燒受環(huán)境氣氛的影響較大，國內(nèi)黃曉宏利用平面火焰曳帶流反應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)O2/CO2氣氛下的煤粉火焰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：O2/CO2氣氛下CO2的存在、氧分壓的大小以及煤中的水分含量均對(duì)煤粉火焰有較大影響[5]。李慶釗在熱重分析儀上模擬空氣氣氛及不同O2/CO2氣氛下三種不同品質(zhì)煤粉的燃燒特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：O2/CO2氣氛下煤粉的燃燒分布曲線與O2/N2氣氛下有明顯不同，相同O2濃度的條件下，O2/CO2氣氛下煤粉燃燒速率低，燃盡時(shí)間長(zhǎng)，提高O2濃度可改善O2/CO2氣氛下煤粉的燃燒特性[6]。牛勝利在O2/N2及O2/CO2氣氛下，利用熱重法（TG）進(jìn)行了3種煤粉的非等溫燃燒試驗(yàn)，結(jié)果表明：O2濃度在40%的范圍內(nèi)，隨著O2濃度的提高，煤粉著火點(diǎn)和失重峰溫度降低較為明顯，氣氛的改變并未引起化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的變化[7]。

以往的研究會(huì)受到實(shí)驗(yàn)儀器和研究方法等方面的限制，而數(shù)值模擬具有研究成本低、周期短、無實(shí)驗(yàn)儀器干擾等優(yōu)點(diǎn)，本文通過FLUENT軟件模擬O2/CO2氣氛下煤粉燃燒特性，對(duì)不同O2/CO2比例條件下煤炭顆粒燃燒的特性進(jìn)行研究。

2 模型建立

煤粉燃燒過程伴隨有多種熱傳遞現(xiàn)象，包括湍流氣固兩相流動(dòng)，煤粉的湍流燃燒是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，各種非線性現(xiàn)象如湍流輸運(yùn)、有限速率化學(xué)反應(yīng)、非均相燃燒、污染物生成和火焰輻射等效應(yīng)強(qiáng)烈地耦合在一起[8]。湍流燃燒按其燃料和氧化劑的初始混合狀態(tài)可以分類為：湍流非預(yù)混燃燒、預(yù)混燃燒和部分預(yù)混燃燒。在湍流非預(yù)混燃燒中燃料和氧化劑事先是分離的，燃料和氧化劑一邊混合一邊燃燒。目前在FLUENT軟件里可以采用非預(yù)混燃燒模型對(duì)煤粉燃燒進(jìn)行模擬。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1氣相湍流模型

氣相湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型具有較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和較高的計(jì)算精度，是湍流模型中應(yīng)用范圍最廣、最為人熟知的一個(gè)模型[9]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通過求解湍流動(dòng)能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程得到k和ε的解，然后由此計(jì)算湍流粘度，最終利用Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力。k和ε方程的表達(dá)式如下[10]：

k方程

ε方程

方程中，ui為時(shí)均速度，μ為分子粘性系數(shù)，μt為渦粘性系數(shù)，Gk是由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，μk=1.0，με=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Sk、Sε分別為k方程、ε方程的自定義源項(xiàng)。

2.1.2 離散相模型

采用顆粒軌道模型來計(jì)算煤粉顆粒受到的作用力并確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，連續(xù)相與離散相發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量和能量的耦合，湍流的脈動(dòng)速度對(duì)離散相粒子軌跡的影響采用隨機(jī)跟蹤模型。

2.1.3 燃燒模型

燃燒反應(yīng)采用非預(yù)混燃燒模型，在一定的假設(shè)條件下，熱化學(xué)可被減少成為單一的參數(shù)——混合分?jǐn)?shù)。混合分?jǐn)?shù)根據(jù)原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)寫為：

式中，Zi為元素i的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下標(biāo)OX表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。所有熱化學(xué)標(biāo)量，包括組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度和溫度等均唯一與混合分?jǐn)?shù)有關(guān)，這種聯(lián)系由平衡化學(xué)反應(yīng)吉布斯最小自由能原則來確定。

2.1.4 輻射模型

考慮氣體與顆粒之間的輻射換熱，采用離散坐標(biāo)P-1輻射模型來描述窯內(nèi)的輻射傳熱過程。

2.2 幾何模型

本文中采用的煤燃燒系統(tǒng)為一簡(jiǎn)單的10 m×1 m的二維管道，如圖1所示。因該二維管道是對(duì)稱的，故只模擬寬度方向上的一半?yún)^(qū)域。

選取煤粒平均停留時(shí)間作為指標(biāo)分別對(duì)1000，2200，3500個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

網(wǎng)格增至3500個(gè)時(shí)，煤粒平均停留時(shí)間相對(duì)誤差僅為0.3%，故選取2200網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

邊界條件

二維管道的進(jìn)口氣流分為兩股流動(dòng)，管道中心附近的高速流速度為50 m/s，寬度為0.125 m；另一股流的速度為15 m/s，寬度為0.375 m。兩股流動(dòng)都為1760 K的O2/CO2混合氣體，煤粒在高速流的附近以0.1 kg/s（爐膛中的總流量為0.2 kg/s）的質(zhì)量流量進(jìn)入爐膛，管壁的溫度為常數(shù)1200K。見表2。

3 模型計(jì)算及求解

用 prePDF 預(yù)處理程序定義煤粉燃料，運(yùn)用FLUNET軟件非預(yù)混燃燒模型，輸入條件，定義煤粒的非連續(xù)相，選擇計(jì)算模型后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。輸入工況參數(shù)，運(yùn)行程序進(jìn)行計(jì)算，分別模擬了了水城煤在1760 K下2%、10%、20%和30%氧分壓下的燃燒和撫順煙煤在1760 K下20%和30%氧分壓下的燃燒。見表3。

4 結(jié)果分析

為了研究O2/CO2條件下不同氧分壓下煤粉燃燒的溫度場(chǎng)分布特性，利用水城煤在O2/CO2為1760 K下，分別在氧分壓為2%、10%、20%和30%的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，模擬所得溫度場(chǎng)分布如圖3所示。在1760 K條件下，隨著氧分壓的增大，高溫分布區(qū)域逐漸減少，同時(shí)隨著氧分壓的增大，有更多的氧氣與煤粉反應(yīng)，造成煤粉的燃燒速率增加，燃盡時(shí)間縮短。因此隨著氧分壓的增大，高溫溫度區(qū)域分布逐漸減少趨勢(shì)。由圖可以看到，20%與30%氧分壓下，溫度場(chǎng)分布非常相近，但30%氧分壓下高溫溫度區(qū)域高于20%條件下，其原因可能是在30%氧分壓下，煤粉燃燒更加劇烈，火焰溫度更高，煤粉燃盡后的灰顆粒溫度較高，使得高溫溫度分布區(qū)域較大。

本次模擬所選兩種煤溫度場(chǎng)分布基本相近（見圖4和圖5），可能是由于煤種水分差別不是很大且為同一煤種[5]。

5 結(jié)論

本文以Fluent 6.1軟件為基礎(chǔ)，選用非預(yù)混燃燒模型，可較好地分析在不同O2/CO2氣氛下二維通道煤粉燃的燒溫度場(chǎng)分布和不同煤種在相同O2/CO2氛圍下燃燒溫度場(chǎng)分布。

（1） O2/CO2氣氛下，氧分壓為2%到20%范圍內(nèi)，隨著氧分壓的增加，由于有更多的O2與煤粉反應(yīng)，溫度場(chǎng)分布高溫區(qū)域呈逐漸減小趨勢(shì)；在30%氧分壓下，溫度場(chǎng)分布高溫區(qū)域變大，這可能是由于輻射區(qū)域較大的緣故。

（2） O2/CO2氣氛下，撫順與水城煤呈現(xiàn)基本相同溫度分布，這可能是因?yàn)閾犴樑c水城煤水分含量相差不大所致，后續(xù)需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] Alejandro Molina，Christopher R. Shaddixa. Ignition and devolatilization of pulverized bituminous coal particles during oxygen/carbon dioxide coal combustion[J]. Proceedings of the Combustion Institute. 2007，31（2）：1905～1912.

[2] 薛憲闊，劉彥豐.O2/CO2燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J].潔凈煤技術(shù)，2008， 14（1）：57～63.

[3] 閻維平.潔凈煤發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2002：217～ 218.

[4] S.Nakayama，Y.Noguchi，T. Kiga，S.Miyamaed et al. Pulverized coal combustion in O2/CO2 mixtures on a power plant for CO2 recovery[J]. Energy Conversion and Management，1992， 33（5-8）：379～386.

[5] 黃曉宏，柳朝暉，劉敬樟，等. O2/CO2條件下煤粉燃燒火焰特性的 實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30（7）：1245～1248.

[6] 李慶釗，趙長(zhǎng)遂.O2/CO2氣氛煤粉燃燒特性試驗(yàn)研究[J]中國電機(jī) 工程學(xué)報(bào).2007，27（35）：39～46.

[7] 牛勝利，路春美，趙建立，等.O2/CO2氣氛下煤粉的燃燒規(guī)律與動(dòng) 力學(xué)特性[J].動(dòng)力工程，2008，28（5）：769～775.

[8] 嚴(yán)傳俊，范瑋編著.燃燒學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008： 3～5.

[9] 谷紅宇，何朋，梅書霞，等.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒的數(shù)值模擬[J].建材 世界，2009，30（4）：46～52.

[10] 馬愛純，周孑民，歐儉平，等.煤種和粒度對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰影響的數(shù)值研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（10）：114～119.

[11] 《工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算方法》編委會(huì).工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算方法 [M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：128.

[12] 曲超，李麗麗，黃顯保. O2/CO2燃煤鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬[J]. 冶金能源，2015（01）： 28～32.

[13] Bejarano P A，Levendis Y A. Single-coal-particle combustion in O2/N2 and O2/CO2 environments [J]. Combustion and Flame， 2008，153（1-2）： 270～287.

[14] Wang C B，Lei M，Yan W P， et al. Combustion characteristics and ash formation of pulverized coal under pressurized oxy-fuel conditions[J].Energy&Fuel，2011，25（10） ： 4333～4344.