作者：張楊

摘要：對(duì)傳統(tǒng)燃燒方式下和應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)（O2/CO2燃燒技術(shù)）時(shí)電廠天然氣鍋爐內(nèi)的燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明當(dāng)氧氣濃度為25%時(shí)，爐膛內(nèi)的溫度分布和煙氣輻射特性與傳統(tǒng)燃燒方式下最接近。當(dāng)氧氣濃度由21%上升到40%時(shí)，爐膛內(nèi)煙氣溫度得到較大幅度的提高，燃燒器所在截面溫度上升300K以上，火焰充滿(mǎn)度變差。

關(guān)鍵詞：富氧燃燒； 天然氣； 電廠鍋爐；數(shù)值模擬

0引言

在我國(guó)以煤為主要燃料的電廠鍋爐，不僅造成了能源利用弊端，而且對(duì)環(huán)境也造成了非常惡劣的影響[1]。使用高效、清潔的天燃?xì)忮仩t可有效地解決這一問(wèn)題 [2]。另外一方面，以燃燒化石燃料為主的電力生產(chǎn)過(guò)程排放的CO2量超過(guò)CO2排放總量的30%，成為最大的CO2排放源，而由于多方面因素的影響，化石燃料在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位將會(huì)維持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因此，控制和減緩電力生產(chǎn)過(guò)程中CO2的排放對(duì)于減少溫室氣體的排放具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。采用富氧燃燒技術(shù)，即O2/ CO2燃燒技術(shù)，就可以使燃燒后產(chǎn)生的煙氣中CO2含量達(dá)到95%以上，可以直接將煙氣液化回收處理。富氧燃燒技術(shù)不僅能使分離和收集CO2容易進(jìn)行，還能大幅減少NOX的排放量，并且隨著助燃?xì)怏w中氧氣濃度的增加，可以提高鍋爐效率，是一種能夠綜合控制污染物排放的新型潔凈節(jié)能燃燒技術(shù)[3]。將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用在電廠的天然氣鍋爐上，能夠綜合天然氣鍋爐和富氧燃燒技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，有可能取得良好的效果。

富氧燃燒技術(shù)（又稱(chēng)為O2／CO2燃燒技術(shù)，或空氣分離／煙氣再循環(huán)技術(shù)）是由Horne和Steinburg于1981年提出的[4]，其基本原理是采用煙氣再循環(huán)的方式，用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐煙氣構(gòu)成的混合氣代替空氣作為燃燒時(shí)的氧化劑，以提高燃燒排煙中的CO2濃度。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，出于對(duì)減少溫室氣體排放量的考慮，人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣不斷增強(qiáng)。

在煤粉的富氧研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從以下四個(gè)方面展開(kāi)研究：(1) 富氧條件下煤粉的燃燒特性方面。K.Okazaki和D.Yossefi等發(fā)現(xiàn)，O2/CO2氣氛中煤燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺认嗤鹾康腛2/N2氣氛中有明顯的下降，且隨氣氛中氧含量的增大而提高，并且認(rèn)為這主要是由于CO2的高比熱性所致[5,6]。Molina和Shaddix等人發(fā)現(xiàn)無(wú)論是O2/CO2燃燒還是O2/N2燃燒，氧氣濃度越高，點(diǎn)火時(shí)間越短。在相同的氧氣濃度下，O2/CO2要比O2/N2點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)[7]；毛玉如對(duì)循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一種煤焦在不同O2/CO2氣氛下，隨著氣氛中氧濃度的增加，其著火點(diǎn)逐漸提前，燃燒時(shí)間縮短。而且在鍋爐帶同樣負(fù)荷的情況下，提高送風(fēng)氧含量后，對(duì)流換熱減小，輻射換熱亦減小，傳熱系數(shù)受爐膛溫度、氣體速度、顆粒流率、循環(huán)倍率等的綜合影響[3]。(2) 富氧條件下煤粉燃燒煙氣污染物排放特性方面。Kennedy等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣濃度小于25%時(shí)，CO排放隨著氧濃度的增加而減少。當(dāng)氧濃度大于25時(shí)，當(dāng)量比接近1.0，反映區(qū)域比孔隙特性直徑小，氧氣濃度增加時(shí)，CO排放量不再隨之減少[8]。Tan等人發(fā)現(xiàn)在空氣富氧條件下，氮氧化物的生成量很高是因?yàn)檩^高的爐膛溫度和高氧氣濃度。而在O2/CO2燃燒條件下，因?yàn)榈獨(dú)獾娜狈Γ趸锏纳杀挥行У囊种芠9]。(3) 富氧條件下燃燒器的改進(jìn)方面。Dalton and Tyndall and Joshi1等人采用了傳統(tǒng)的空氣/燃料燃燒器進(jìn)行了富氧燃燒試驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣含量處于28%以下時(shí)，傳統(tǒng)燃燒器不用改裝也能進(jìn)行富氧燃燒[10,11]。(4)富氧燃燒經(jīng)濟(jì)性方面。Huang等人分析了煙氣溫度為920°C的傳統(tǒng)加熱爐改用富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)可行性。如果運(yùn)用膜法制備30%濃度的氧氣，回收投資需要5.75年的時(shí)間[12]。

天然氣富氧燃燒方面的研究主要集中O2/N2氣氛下的燃燒方面。Qiu and Hayden等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣濃度增加到28%時(shí)，能節(jié)省22%的燃?xì)鈁13]，且富氧條件下能產(chǎn)生強(qiáng)勁的火焰。甲烷燃燒條件下當(dāng)氧氣濃度增加到100%時(shí)，熄火拉伸率（extinction strain rate）增加兩倍以上[14]。Kuo-Kuang Wu等人發(fā)現(xiàn)傳熱試驗(yàn)中傳熱效率增加了53.6%，在爐膛溫度固定的條件下燃料消耗量減少26.1%。較高的氧氣濃度可以獲得較高的火焰溫度。隨著氧氣濃度的增加，NOX的排放量也隨之增加。煙氣中二氧化碳的含量也隨氧氣濃度直線增加。此外，隨著氧氣濃度的增加，溫度分布逐步變得不均勻，這是因?yàn)閷?duì)流換熱系數(shù)發(fā)生了改變[15]。

從相關(guān)研究來(lái)看，近幾年針對(duì)電廠鍋爐富氧燃燒技術(shù)的研究逐漸增多，但大多集中在煤粉爐，針對(duì)天然氣鍋爐的富氧燃燒技術(shù)方面的研究較少，而且大多集中在工業(yè)爐方面。

本文應(yīng)用數(shù)值分析的方法，以某電廠325MW天然氣鍋爐為研究對(duì)象，研究富氧燃燒條件下氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響。

1 模型與邊界條件

本文所研究的鍋爐為某電廠325MW塔式箱形天然氣鍋爐，為亞臨界自然循環(huán)，采用一次中間再熱。燃燒方式為前后墻對(duì)沖燃燒，燃料為天然氣。燃燒器布置在爐膛水冷壁的前、后墻上，采用旋流燃燒器，共24只，前后墻各12只。一次風(fēng)在燃料著火之前與之混合，二次風(fēng)是燃燒器主要供風(fēng)部分。 同一燃燒器的二次風(fēng)及分級(jí)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相同，相鄰及相對(duì)兩個(gè)燃燒器的二次風(fēng)及分級(jí)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向均相反。鍋爐的主要參數(shù)及燃料成分見(jiàn)表1和表2。

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由于計(jì)算模型為三維，對(duì)模型的網(wǎng)格劃分大部分采用了六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，為了增加計(jì)算精度，燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格采用嵌套技術(shù)進(jìn)行劃分，網(wǎng)格分布相對(duì)其他區(qū)域較為密集。網(wǎng)格總數(shù)為62萬(wàn)。網(wǎng)格示意圖見(jiàn)圖1。

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湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型，燃燒計(jì)算采用渦團(tuán)耗散模型，由于爐內(nèi)熱量傳遞90%來(lái)自于輻射換熱，因此爐膛壁面熱負(fù)荷只考慮輻射換熱，輻射模型P1模型。燃燒器噴口設(shè)置為速度入口，煙氣出口設(shè)置為自由出口。

本文分別針對(duì)傳統(tǒng)燃燒方式及O2/CO2比例為21%～40%共計(jì)九個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，具體工況劃分見(jiàn)表3。

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一次風(fēng)無(wú)旋流，二次風(fēng)旋流數(shù)為1.0，分級(jí)風(fēng)旋流數(shù)為0.5。保持一二次風(fēng)率不變。

旋流數(shù)為衡量旋轉(zhuǎn)射流的旋流強(qiáng)度的參數(shù)，其物理意義為為角動(dòng)量的軸向通量與軸向動(dòng)力的軸向通量之比值，旋流數(shù)的表達(dá)式為：

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式中：

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——噴嘴半徑，單位m。 M為角動(dòng)量的軸向通量，K為軸向動(dòng)量。

其表達(dá)式分別為：

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式中：

v——射流某截面上的軸向分速度，單位m/s；

u——射流某截面上的切向分速度，單位m/s；

p——靜壓力，單位MPa。

忽略靜壓沿半徑方向的變化，可得到旋流數(shù)的近似計(jì)算公式：

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其中u0和v0是燃燒器中氣流的軸向分速度和切向分速度。由此可推得二次風(fēng)和分級(jí)風(fēng)的切向速度及角速度的值。

2 傳統(tǒng)燃燒方式下的溫度分布

通過(guò)模擬計(jì)算得到了傳統(tǒng)燃燒方式下的爐內(nèi)溫度分布情況。

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圖2.1為傳統(tǒng)燃燒方式下的爐膛溫度等值線圖，可以看出爐膛中間部分形成1899K以上的高溫區(qū)域，由中間向左右側(cè)墻方向上溫度逐漸降低，左右墻受熱基本對(duì)稱(chēng)，火焰充滿(mǎn)度較好。在經(jīng)過(guò)水平布置的屏式過(guò)熱器和再熱器之后，煙氣溫度有明顯下降，并趨于均勻。

3 富氧燃燒方式下的溫度分布

通過(guò)對(duì)富氧條件下的爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同氧氣濃度下的爐內(nèi)溫度分布及壁面熱負(fù)荷分布情況。

圖3.1為氧氣濃度分別為21%、25%、29%、35%時(shí)的爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況，可以看出，隨著氧氣濃度的增加，整個(gè)爐膛的高溫區(qū)分布趨于集中，并且在燃燒器附近的溫度梯度增大，燃燒器噴口附近的溫度也呈上升趨勢(shì)。同時(shí)高溫區(qū)域距離爐膛前后墻的距離越來(lái)越近，當(dāng)氧氣濃度超過(guò)29%時(shí)，后墻底層燃燒器附近的高溫火焰產(chǎn)生了貼壁燃燒的現(xiàn)象。會(huì)使局部水冷壁溫度過(guò)高，增加爆管的幾率。

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圖3.1不同氧氣濃度下的爐膛溫度分布圖

氧氣濃度的增大使得燃料燃燒速度加快，燃燒器區(qū)域溫度上升幅度較大，因此本文對(duì)燃燒器所在截面溫度進(jìn)行了對(duì)比。

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由圖3.2中可以看出，隨著氧氣濃度的增加，每層燃燒器所在的截面平均溫度值都呈上升趨勢(shì)，但各層截面溫度上升速度各有不同，但增幅都在300K以上。在氧氣濃度為29%時(shí)，三層燃燒器所在截面的溫度差最小。當(dāng)氧氣濃度小于27%時(shí)，底層燃燒器所在截面溫度最低，中間層燃燒器所在截面溫度最高。當(dāng)氧氣濃度大于27%時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)轫攲尤紵魉诮孛鏈囟茸畹停虚g層燃燒器所在截面溫度最高。這是由于隨著助燃?xì)怏w中氧氣濃度的提高，高溫區(qū)域趨于集中，煙氣在上升過(guò)程中與四周水冷壁的輻射換熱加強(qiáng)，使得每一層燃燒器所在的截面上煙氣的輻射換熱損失大于燃燒產(chǎn)生的熱量，就造成了煙氣上升過(guò)程中溫度降低的現(xiàn)象。

為了對(duì)富氧燃燒條件下?tīng)t膛內(nèi)的火焰充滿(mǎn)度隨氧氣濃度的增加而改變的趨勢(shì)進(jìn)行研究，本文選取了頂層燃燒器的兩條直線上的溫度分布進(jìn)行考察。選取頂層燃燒器所在橫截面的前后對(duì)稱(chēng)軸及右側(cè)第二對(duì)燃燒器所在軸線作為研究對(duì)象。兩條直線位置如圖3.3所示。

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X向直線定為line-1，Y向直線定為line-2。每天線上等距離取50個(gè)點(diǎn)，可得出這些點(diǎn)溫度值的方差。圖3.4為兩條所考察的直線上所取點(diǎn)的溫度方差隨氧氣濃度變化曲線圖。

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由圖3.4中可以看出，line-1上的溫度方差大于line-2，說(shuō)明在該截面上Y方向溫度分布較X方向分布均勻。而隨著氧氣濃度的增加，line-1上的溫度方差增大趨勢(shì)較為明顯，line-2增大的幅度比較小，說(shuō)明氧氣濃度的增加對(duì)Y方向上的溫度分布均勻度影響較大，而對(duì)X方向溫度分布的均勻度影響比較小。隨著氧氣濃度的增大line-1上的方差也增大，說(shuō)明隨著氧氣濃度的增加，Y方向上的溫度分布均勻性越來(lái)越差，由此推斷火焰充滿(mǎn)度也越來(lái)越也差。

圖3.5為爐膛煙氣出口溫度隨氧氣濃度變化曲線。

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由圖3.5中可以看出，隨著氧氣濃度的增加，曲線整體呈下降趨勢(shì)。但在氧氣濃度為27%和35%處，出現(xiàn)小幅波動(dòng)。曲線中最大值與最小值相差只有20K左右，相差不大。

通過(guò)對(duì)不同氧氣濃度下沿爐膛高度方向的截面平均溫度分析可以得出，當(dāng)助燃?xì)怏w中氧氣濃度為25%時(shí)各截面平均溫度的分布與傳統(tǒng)燃燒方式下的分布幾乎一致。具體各截面平均溫度值對(duì)比見(jiàn)圖3.6。

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4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)電廠天然氣鍋爐的爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)時(shí)爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，對(duì)爐內(nèi)溫度分布情況進(jìn)行了對(duì)比分析，從而得出天然氣鍋爐富氧燃燒特性。

富氧燃燒方式下隨著氧氣濃度的增大整個(gè)爐膛內(nèi)煙氣溫度增加，火焰分布更為集中，高溫區(qū)域減小。氧氣濃度由21%上升到40%時(shí)，燃燒器所在截面溫度上升300K以上，同時(shí)火焰充滿(mǎn)度變差。氧氣濃度的增大對(duì)出口煙氣溫度的影響不大。當(dāng)O2/CO2比例為25/75時(shí)，爐內(nèi)溫度分布與傳統(tǒng)燃燒方式下的溫度分布類(lèi)似。

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