水煤漿在雙錐逆噴燃燒器內(nèi)燃燒過程的數(shù)值分析

莫日根,王乃繼,程曉磊

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

0 引 言

水煤漿含有30%～40%水分,其燃燒過程比煤粉燃燒需要更長時(shí)間來完成水分蒸發(fā)。在這段時(shí)間內(nèi)需要保持較高的溫度和氧化劑濃度[1]。水煤漿流化床鍋爐通過在爐膛內(nèi)流化大量石英砂為水煤漿燃燒提供溫度場[2]。其點(diǎn)爐過程需要消耗大量的動(dòng)力和燃油,耗時(shí)、耗資巨大,且鍋爐負(fù)荷可調(diào)范圍較小。直接配置在鍋爐前端的水煤漿旋流燃燒器,在空間較大的爐膛內(nèi)無法有效組織燃燒,普遍存在點(diǎn)火困難和燃盡率低的問題。而設(shè)置了衛(wèi)燃帶的水煤漿預(yù)燃室雖然解決了點(diǎn)火問題,但是燃燒組織已不在控制范圍內(nèi),導(dǎo)致預(yù)燃室內(nèi)部結(jié)渣嚴(yán)重[3]。

煤炭科學(xué)研究總院自主研發(fā)的煤粉雙錐燃燒器是一種先進(jìn)的煤炭燃燒利用技術(shù)體系[4]。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證其具有熱效率高、與天然氣燃燒可比擬的低污染物排放、寬負(fù)荷調(diào)節(jié)、啟停時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。這些特點(diǎn)應(yīng)用于水煤漿燃燒,符合其技術(shù)發(fā)展方向,對(duì)污泥、污水的減量化、資源化處理具有積極意義[5]。

從燃燒組織分析,煤粉雙錐燃燒所采用的強(qiáng)化著火燃燒組織形式大幅降低點(diǎn)火功率[6],同時(shí)燃燒器內(nèi)強(qiáng)旋流能夠提高燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間?；谝陨显O(shè)計(jì)原理有效地解決了水煤漿燃燒停留時(shí)間和溫度之間的矛盾,但是目前相關(guān)研究較欠缺。本文以14 MW雙錐燃燒器為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬,采用組分輸運(yùn)模型對(duì)燃用煤粉和水煤漿分別進(jìn)行三維數(shù)值模擬,通過比較2種燃料的流場特點(diǎn)、溫度、組分分布特點(diǎn),討論了水煤漿雙錐燃燒組織的特性。

1 網(wǎng)格劃分及模型假設(shè)

雙錐逆噴燃燒器的設(shè)計(jì)運(yùn)行程序?yàn)椋和ㄟ^點(diǎn)火燃油將燃燒器內(nèi)的溫度提升至300～500℃。一次風(fēng)攜帶燃料經(jīng)一次風(fēng)管到達(dá)回流帽,并被強(qiáng)制回流進(jìn)入燃燒室前錐;二次風(fēng)通過旋流葉片以旋流形式進(jìn)入燃燒室前錐,并在前錐中部與逆流的一次風(fēng)和燃料相遇。在很短的時(shí)間內(nèi),燃料被加熱到點(diǎn)火溫度。著火后到的燃料隨二次風(fēng)邊旋轉(zhuǎn)邊燃燒,并沿著二次風(fēng)的流向繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),經(jīng)過后錐的加速后噴出燃燒器進(jìn)入爐膛。

14 MW雙錐燃燒器的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為5層圓柱體和圓錐的嵌套(A～E),如圖1所示。由外至內(nèi)通過創(chuàng)建5層O-block(O-1～5)描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可解決圓弧形狀Block邊界處網(wǎng)格扭曲,并且在近壁面處生成較理想的邊界網(wǎng)格。燃燒器網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖2所示?？紤]到連續(xù)相入口為帶壓射流,離散相為顆粒射流,故將一次風(fēng)和二次風(fēng)的入口設(shè)置為質(zhì)量入口邊界條件和反射離散相壁面;出口為壓力出口邊界條件和逃逸離散相壁面。該模型計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為55萬,2×2×2行列式檢查最小值為0.693,網(wǎng)格角度最小值為45°。

圖1 O-block嵌套與燃燒器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 O-block and the topology of the burner

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary conditions

為建立穩(wěn)定可靠的計(jì)算模型,采用如下假設(shè)：①假定水煤漿以充分霧化的形式進(jìn)入計(jì)算域,水煤漿液滴的運(yùn)動(dòng)過程不發(fā)生結(jié)團(tuán)、黏壁等現(xiàn)象。②使用兩步總包反應(yīng)原理描述燃燒反應(yīng)過程;假定所述燃燒反應(yīng)是快速化學(xué)反應(yīng),即混合時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于反應(yīng)時(shí)間尺度;燃燒反應(yīng)所處流域?yàn)橥耆牧鳡顟B(tài),即高雷諾數(shù)。③模擬是穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程,燃料量、空氣量及燃燒器所有其他運(yùn)行參數(shù)均不隨時(shí)間變化。不包含點(diǎn)火、熄火等動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)描述,不涉及混合與反應(yīng)時(shí)間尺度相近的其他現(xiàn)象。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算步驟

2.1 基本模型

燃料和空氣分別視作離散相和連續(xù)相。整個(gè)計(jì)算域簡化為由顆粒離散相和氣體連續(xù)相組成的彌散多相流體系[7]。其中,連續(xù)相的數(shù)學(xué)描述采用歐拉方法,并求解體積平均N-S方程,包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程[8]。能量方程中包括熱流、外力、擴(kuò)散黏性耗散等形式的能量平衡。分散相采用拉格朗日方法描述[9]。通過在連續(xù)相內(nèi)對(duì)大量質(zhì)點(diǎn)的追蹤和路徑積分運(yùn)算得到顆粒的軌跡。分散相和離散相之間進(jìn)行動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換,即雙向耦合求解。這一過程通過交替求解連續(xù)相控制方程和離散相控制方程實(shí)現(xiàn)。直到連續(xù)相和離散相各參數(shù)不在隨迭代的進(jìn)行發(fā)生變化后,輸出結(jié)果。

根據(jù)煤粉燃燒的模擬與工業(yè)運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比研究,本文采用Realizablek-ζ模型對(duì)湍流模型進(jìn)行封閉[10]。該模型對(duì)圓形射流的擴(kuò)散現(xiàn)象和強(qiáng)壓力梯度邊界層的模擬效果較好。對(duì)于Boltzmann數(shù)＜10的煤顆粒燃燒,需要考慮輻射傳熱。Fluent定義光學(xué)厚度為特定長度路徑氣體對(duì)特定波長輻射的減弱能力,其值越大表示越強(qiáng)的輻射吸收能力。燃燒器內(nèi)富含水蒸氣和CO2,均對(duì)輻射熱具有強(qiáng)烈的吸收作用[11],可以視作光學(xué)厚介質(zhì)。據(jù)此,本文選定P1模型計(jì)算燃燒器內(nèi)的輻射傳熱[12]。該模型被廣泛應(yīng)用于顆粒燃燒的計(jì)算研究。

煤粉和水煤漿均經(jīng)歷水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭異相反應(yīng)等。采用基于質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)模型進(jìn)行描述(式(1));連續(xù)相反應(yīng)使用渦耗散模型[13]計(jì)算反應(yīng)速率(式(2)、(3)),反應(yīng)速率受大渦混合時(shí)間尺度控制;離散相顆粒反應(yīng)包括揮發(fā)分析出反應(yīng)和焦炭的異相表面反應(yīng)(式(4)),反應(yīng)速率動(dòng)力學(xué)方程見式(5),擴(kuò)散作用控制方程見式(6)[14]。熱解反應(yīng)方程設(shè)置為兩步總包反應(yīng)：第1步反應(yīng)是揮發(fā)分析出并氧化為CO、CO2和H2O;第2步反應(yīng)為CO氧化為CO2?？偘磻?yīng)參數(shù)為0.5,即第1步反應(yīng)CO和CO2的生成比例為1。

式中,Yi為i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ρ為氣相混合物的密度,kg/m3;v為速度矢量,m/s;Ji為i組分的擴(kuò)散通量,kg/(m2·s);Ri為i組分的化學(xué)反應(yīng)生成速率,mol/(L·s);Si為i組分自定義源相生成速率和離散相生成速率,mol/(L·s)。

其中,Yp為任意產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Mω,f為反應(yīng)物的摩爾質(zhì)量,kg/kmol;下標(biāo)f表示反應(yīng)物;下標(biāo)j取值1～N,表示任意組分;minf為所有對(duì)反應(yīng)物計(jì)算中的最小值;Yf為反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別為4.0和0.5;ε和κ為封閉湍流方程的參數(shù);v′i,r為反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量數(shù);v″r為反應(yīng)r中產(chǎn)物的化學(xué)計(jì)量數(shù);Mω,i為i組分的的摩爾質(zhì)量,kg/kmol。Ri,r值為上述2個(gè)方程計(jì)算結(jié)果中的較小值,mol/(L·s)。

式中,D0為擴(kuò)散系數(shù);C1為密度,kg/m3;Tp為水煤漿顆粒的溫度,K;T∞為混合物溫度,K;dp為水煤漿顆粒的直徑,m;k為動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率,mol/(L·s);CZ為指前因子;E為活化能,J/mol;Ap為水煤漿顆粒的表面積,m2;mp為水煤漿的質(zhì)量,kg;pox為氧化劑在氣氛中的分壓,Pa;R為反應(yīng)速率。

對(duì)于水煤漿的模擬計(jì)算,本文將包含水分的煤粉顆粒視為水煤漿顆粒。為了便于比較煤粉和水煤漿燃燒組織特性的區(qū)別,煤粉的計(jì)算工況設(shè)置為10 MW(表1)。水煤漿的計(jì)算工況采用同樣的煤種和煤消耗量,煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

表1 計(jì)算工況Table 1 Operating condition of calculation

表2 煤質(zhì)分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of coal

水煤漿濃度設(shè)定值為60%。水煤漿水分的25%為煤工業(yè)分析水分(受顆粒表面熱解規(guī)律支配),其他水分定義為射流液態(tài)水,受液滴汽化規(guī)律支配方程見式(7)、(8)[15]。

式中,kc為質(zhì)量傳遞速率,mol/(m3·s);Yi,s和Yi,∞為i組分自定義源相的生成速率和離散相的生成速率,mol/(L·s)。

2.2 材料特性及邊界條件

如前假設(shè),燃燒器點(diǎn)火不在討論的范圍,所以計(jì)算過程將煤的熱解溫度設(shè)定為空氣溫度,使煤粉顆粒進(jìn)入計(jì)算域后,隨即發(fā)生熱解?；旌衔飳?dǎo)熱系數(shù)、黏性系數(shù)按照氣體質(zhì)量組成計(jì)算。對(duì)于氣相中含有顆粒的模型,由于介質(zhì)吸收和散射導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)后的改變不容忽視,所以計(jì)算過程定義混合物的吸收系數(shù)模型為灰氣體加權(quán)模型[16],散射系數(shù)設(shè)定為0.5。

對(duì)于燃燒器壁面,假定外界平均溫度為300 K,爐內(nèi)平均溫度為1 400 K,結(jié)合已有工業(yè)爐運(yùn)行數(shù)據(jù),考慮壁面沾污情況,計(jì)算得到雙錐的壁面熱通量為60 W/m2。壁面雙錐壁面均設(shè)置為離散相反彈邊界,內(nèi)部發(fā)射率為0.8。

2.3 計(jì)算過程

如前所述,采用離散相模型來考慮顆粒相和連續(xù)相的相互作用,并通過隨機(jī)軌道模型追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)。本文計(jì)算過程設(shè)置每次離散型注入計(jì)算域后連續(xù)相計(jì)算40步,并追蹤48 000條顆粒路徑粒徑以描述離散相的運(yùn)動(dòng),計(jì)算過程如圖3所示。

圖3 模擬計(jì)算過程Fig.3 Simulation Calculation process

計(jì)算過程分為冷態(tài)計(jì)算和熱態(tài)計(jì)算。冷態(tài)計(jì)算中,關(guān)閉了能量方程和輻射方程,離散相和連續(xù)相為單向耦合。以一階差分格式開始計(jì)算,待計(jì)算穩(wěn)定后改為二階差分格式。設(shè)置燃燒器出口速度為監(jiān)控參數(shù);以入口、出口質(zhì)量差低于0.1%、速度殘差低于1%、連續(xù)性方程殘差低于10-3、其他控制方程殘差低于10-3作為判斷冷態(tài)計(jì)算收斂的指標(biāo)。獲得冷態(tài)收斂解后,激活能量方程和輻射方程,并激活離散相和連續(xù)相的雙向耦合,計(jì)算直到獲得收斂解。熱態(tài)計(jì)算的收斂判定依據(jù)在冷態(tài)判定依據(jù)基礎(chǔ)上增加出口溫度變化監(jiān)視,判定值為0.1%。

將模型應(yīng)用于7 MW試驗(yàn)平臺(tái),結(jié)果見表3。燃燒器出口溫度誤差為3%,說明前述假定和簡化可確保數(shù)學(xué)模型的合理性和計(jì)算的可靠性。

表3 工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值比較Table 3 Measurement data and prediction data

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 速度場及跡線分析

為便于區(qū)分,煤粉和水煤漿指代所研究的2種燃料,煤粉顆粒指代煤粉的單顆粒,水煤漿顆粒指代含水的煤粉的單顆粒。在僅描述顆粒行為時(shí),對(duì)煤粉顆粒和水煤漿顆粒不作區(qū)分,統(tǒng)一用顆粒表述。

圖4 速度云圖Fig.4 Contours of velocity magnitude

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿在z=0平面的速度分布如圖4所示。可知,前錐擴(kuò)散角降低了二次風(fēng)的速度,并提供了足夠的空間以實(shí)現(xiàn)動(dòng)量的充分傳遞。一、二次風(fēng)速度趨于一致后,經(jīng)后錐收縮角的加速,形成高速射流從預(yù)燃室噴出,雙錐燃燒器這一特性對(duì)保持火焰剛性具有重要意義。一次風(fēng)和二次風(fēng)在前錐中部形成低速區(qū),為煤粉或水煤漿的加熱和著火提供了時(shí)間,這對(duì)穩(wěn)燃和點(diǎn)火十分關(guān)鍵。由于水煤漿中水分加速對(duì)系統(tǒng)動(dòng)量的消耗,水煤漿的出口速度水煤漿比煤粉的低5%。但是2者的速度場形態(tài)類似,且在z=0平面的面積分平均速度均為47 m/s。說明,在相同的設(shè)計(jì)速度下若可以實(shí)現(xiàn)水煤漿的充分霧化,則煤粉的流場適用于水煤漿。

通過雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿的連續(xù)相跡線(圖5)可以看出,二次風(fēng)的旋流產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)速度場使得一次風(fēng)也形成了旋流,旋流在燃燒器內(nèi)基本沒有衰減,并且在回流帽后方產(chǎn)生了強(qiáng)湍流區(qū)。結(jié)合離散相跡線分析可知,在雙旋流條件下,水煤漿或煤粉中較大顆粒獲得的切向速度更大,離心力也更大,從而與O2接觸的幾率變大。大顆粒進(jìn)入到二次風(fēng)旋流通道,在燃燒器內(nèi)的行程增多,其燃盡效果將得到提升。較小的顆粒在回流帽后方的湍流區(qū)富集,及時(shí)為火炬核心提供燃料,維持其高溫。

圖5 連續(xù)相和離散相的跡線Fig.5 Path line of continuous phase and discrete phase

由于水煤漿中水分汽化為水蒸氣,使得燃燒器內(nèi)的軸向阻力變大,因此在同樣的二次風(fēng)入口旋流條件下,水煤漿連續(xù)相獲得了更大的旋流強(qiáng)度,這可以從離散相跡線積分出的顆粒停留時(shí)間看出。水煤漿的顆粒平均停留時(shí)間為0.33 s,而煤粉的顆粒停留時(shí)間為0.28 s。平均停留時(shí)間提高了18%,這可有效提高水煤漿在雙錐燃燒器內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。

3.2 溫度場分析

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿在z=0平面計(jì)算獲得的溫度場對(duì)比如圖6所示。在二次風(fēng)旋流卷吸和后錐強(qiáng)制回流的共同作用下,部分高溫?zé)煔饣亓髦燎板F,在前錐形成高溫段,實(shí)現(xiàn)了燃料的加熱和點(diǎn)火。由于燃料和一次風(fēng)的溫度較低,在回流帽出口處形成低溫區(qū),低溫區(qū)左側(cè)是揮發(fā)分和煤粉顆粒著火形成的高溫區(qū)。該區(qū)域內(nèi)煤粉顆粒溫度經(jīng)過回流煙氣加熱達(dá)到著火溫度,并與旋流二次風(fēng)充分混合接觸形成高溫、高燃料濃度的穩(wěn)定點(diǎn)火區(qū)?；亓髅庇覀?cè)是火炬高溫區(qū),煤粉或水煤漿和空氣在此范圍內(nèi)速度趨于一致,形成具有一定剛性的火炬。

水煤漿比相同含碳量的煤粉增加了40%的水分,這部分水蒸發(fā)消耗的熱量使水煤漿著火比煤粉延遲且溫度降低[17]。相同入口速度下,水煤漿低溫區(qū)的徑向尺寸比煤粉增大300 mm,軸向脫火距離增大110 mm。煤粉燃燒和水煤漿燃燒在z=0平面的面積分平均溫度分別為1 151 K和989 K;煤粉和水煤漿的出口面積分平均溫度分別為1 457 K和1 258 K。此外,煤粉火炬對(duì)后錐的充滿度較水煤漿火炬要好,這是單位能量密度大的表現(xiàn)[18]。

3.3 水分分布

雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿燃燒工況下水蒸汽體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。在前文所述低溫區(qū)內(nèi),水蒸汽濃度最大。在雙錐逆噴燃燒器中煤粉的水分高濃度區(qū)呈現(xiàn)為三角形;而水煤漿的則為紡錘形,且偏向前錐。該現(xiàn)象主要是2者水分含量上的區(qū)別在動(dòng)量傳遞上的體現(xiàn)。結(jié)合溫度的對(duì)比分析可知,低溫區(qū)大小與水分含量一致,水分濃度梯度最大的地方也是溫度梯度最大的位置。逆噴的煤粉或水煤漿中的顆粒經(jīng)過加熱,水分汽化為蒸汽。由于水蒸汽和煤粉密度上的差異,兩者沿軸向前進(jìn)的距離不同,因而顆?？梢耘cO2充分接觸。雙錐燃燒器速度場的這一特點(diǎn)同樣適用于煤粉和水煤漿,這也是影響點(diǎn)火和穩(wěn)燃的關(guān)鍵因素之一。

圖6 溫度云圖Fig.6 Contours of static temperature

圖7 水分分布云圖Fig.7 Contours of H2O

3.4 基于組分分布的火炬特性分析

CO2和O2體積分?jǐn)?shù)可以反映水煤漿或煤粉燃燒過程中火炬特性。由雙錐逆噴燃燒器中煤粉和水煤漿燃燒工況下O2體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。可以看出,水煤漿的火炬鋒發(fā)散較小,搖曳閃爍較小,火炬更加堅(jiān)挺。

圖8 組分云圖Fig.8 Contours of species

水煤漿火炬燃燒最劇烈的位置較煤粉提前了438 mm。但其衰減速度也更快,在燃燒器出口位置火炬截面衰減了近50%。結(jié)合圖6可知,水煤漿火炬核心溫度低于煤粉火炬約150℃。由CO體積分?jǐn)?shù)分布可知(圖8),水煤漿火炬中CO高濃度區(qū)明顯較煤粉大。這說明由于水煤漿水分含量高,氧含量相對(duì)降低,點(diǎn)火后第1步反應(yīng)進(jìn)行較充分,第2步反應(yīng)明顯較煤粉燃燒的情況滯后,所以生成了更多的CO等可燃?xì)怏w,氣體的燃燒速率快于焦炭顆粒。這也說明了水煤漿火炬核心區(qū)較煤粉火炬提前且衰減速度更快的原因。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),雙錐燃燒器對(duì)水煤漿的穩(wěn)燃效果同樣明顯。與此同時(shí),火炬核心溫度降低和低空氣密度的特性對(duì)燃燒過程的低NOx排放具有積極意義。

4 結(jié) 論

1)水煤漿的燃燒特性處于逆噴雙錐燃燒組織控制的有效范圍,證明該燃燒組織原理是解決水煤漿燃燒過程中,溫度與效率矛盾的有效方法之一。

2)水煤漿和煤粉的速度場類似。水煤漿中水分汽化增大了燃燒器的阻力,使離散相顆粒在燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間增加。由于水分含量高,水煤漿著火位置較煤粉延后110 mm。燃用水煤漿的燃燒器內(nèi)平均溫度和出口溫度分別比燃用煤粉低162 K和199 K,水煤漿火炬的核心溫度區(qū)比煤粉提前438 mm,且火炬剛性強(qiáng)于煤粉火炬,但其衰減速度快于煤粉火炬。這是由于水分的增加,氧含量相對(duì)降低,使第1步反應(yīng)生成的可燃?xì)怏w富集所致。

對(duì)此，蘇碧輝也表示不認(rèn)同，他告訴本刊記者，開庭當(dāng)天，法院有問老伴是繳納復(fù)植補(bǔ)種保證金還是自己復(fù)植，老伴也明確答復(fù)愿意自己復(fù)植。而福建鼎力司法鑒定中心的鑒定結(jié)論也表明，該林地只是原有植被被毀壞，但種植條件的破壞相對(duì)較輕微，稍微改良土地就可以恢復(fù)種植條件，直接種植。然而，由于今年當(dāng)?shù)馗珊祰?yán)重，政府、學(xué)校及居民用水都無法供應(yīng)，學(xué)校還因缺水而停過課，因此暫時(shí)不具備種植條件，而且當(dāng)時(shí)已經(jīng)過了植樹的季節(jié)，所以暫未復(fù)植。

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