源自：技術鄰作者：張楊摘要：對傳統燃燒方式下和應用富氧燃燒技術（O2/CO2燃燒技術）時電廠天然氣鍋爐內的燃燒特性進行數值模擬研究。結果

作者：張楊

摘要：對傳統燃燒方式下和應用富氧燃燒技術（O2/CO2燃燒技術）時電廠天然氣鍋爐內的燃燒特性進行數值模擬研究。結果表明當氧氣濃度為25%時，爐膛內的溫度分布和煙氣輻射特性與傳統燃燒方式下最接近。當氧氣濃度由21%上升到40%時，爐膛內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，火焰充滿度變差。

關鍵詞：富氧燃燒； 天然氣； 電廠鍋爐；數值模擬

0引言

在我國以煤為主要燃料的電廠鍋爐，不僅造成了能源利用弊端，而且對環境也造成了非常惡劣的影響[1]。使用高效、清潔的天燃氣鍋爐可有效地解決這一問題 [2]。另外一方面，以燃燒化石燃料為主的電力生產過程排放的CO2量超過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，化石燃料在能源結構中的主導地位將會維持相當長的時間，因此，控制和減緩電力生產過程中CO2的排放對于減少溫室氣體的排放具有重要的理論和現實意義。采用富氧燃燒技術，即O2/ CO2燃燒技術，就可以使燃燒后產生的煙氣中CO2含量達到95%以上，可以直接將煙氣液化回收處理。富氧燃燒技術不僅能使分離和收集CO2容易進行，還能大幅減少NOX的排放量，并且隨著助燃氣體中氧氣濃度的增加，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能燃燒技術[3]。將富氧燃燒技術應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兩者的優點，有可能取得良好的效果。

富氧燃燒技術（又稱為O2／CO2燃燒技術，或空氣分離／煙氣再循環技術）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的方式，用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐煙氣構成的混合氣代替空氣作為燃燒時的氧化劑，以提高燃燒排煙中的CO2濃度。進入20世紀90年代以來，出于對減少溫室氣體排放量的考慮，人們對這項技術的興趣不斷增強。

在煤粉的富氧研究方面，國內外學者主要從以下四個方面展開研究：(1) 富氧條件下煤粉的燃燒特性方面。K.Okazaki和D.Yossefi等發現，O2/CO2氣氛中煤燃燒的火焰傳播速度比相同氧含量的O2/N2氣氛中有明顯的下降，且隨氣氛中氧含量的增大而提高，并且認為這主要是由于CO2的高比熱性所致[5,6]。Molina和Shaddix等人發現無論是O2/CO2燃燒還是O2/N2燃燒，氧氣濃度越高，點火時間越短。在相同的氧氣濃度下，O2/CO2要比O2/N2點火時間長[7]；毛玉如對循環流化床富氧燃燒技術進行了實驗和理論研究，發現對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，其著火點逐漸提前，燃燒時間縮短。而且在鍋爐帶同樣負荷的情況下，提高送風氧含量后，對流換熱減小，輻射換熱亦減小，傳熱系數受爐膛溫度、氣體速度、顆粒流率、循環倍率等的綜合影響[3]。(2) 富氧條件下煤粉燃燒煙氣污染物排放特性方面。Kennedy等人發現當氧氣濃度小于25%時，CO排放隨著氧濃度的增加而減少。當氧濃度大于25時，當量比接近1.0，反映區域比孔隙特性直徑小，氧氣濃度增加時，CO排放量不再隨之減少[8]。Tan等人發現在空氣富氧條件下，氮氧化物的生成量很高是因為較高的爐膛溫度和高氧氣濃度。而在O2/CO2燃燒條件下，因為氮氣的缺乏，氮氧化物的生成被有效的抑制[9]。(3) 富氧條件下燃燒器的改進方面。Dalton and Tyndall and Joshi1等人采用了傳統的空氣/燃料燃燒器進行了富氧燃燒試驗。他們發現當氧氣含量處于28%以下時，傳統燃燒器不用改裝也能進行富氧燃燒[10,11]。(4)富氧燃燒經濟性方面。Huang等人分析了煙氣溫度為920°C的傳統加熱爐改用富氧燃燒的經濟可行性。如果運用膜法制備30%濃度的氧氣，回收投資需要5.75年的時間[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等人發現當氧氣濃度增加到28%時，能節省22%的燃氣[13]，且富氧條件下能產生強勁的火焰。甲烷燃燒條件下當氧氣濃度增加到100%時，熄火拉伸率（extinction strain rate）增加兩倍以上[14]。Kuo-Kuang Wu等人發現傳熱試驗中傳熱效率增加了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，這是因為對流換熱系數發生了改變[15]。

從相關研究來看，近幾年針對電廠鍋爐富氧燃燒技術的研究逐漸增多，但大多集中在煤粉爐，針對天然氣鍋爐的富氧燃燒技術方面的研究較少，而且大多集中在工業爐方面。

本文應用數值分析的方法，以某電廠325MW天然氣鍋爐為研究對象，研究富氧燃燒條件下氧氣體積分數對爐內燃燒特性的影響。

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，采用一次中間再熱。燃燒方式為前后墻對沖燃燒，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。一次風在燃料著火之前與之混合，二次風是燃燒器主要供風部分。 同一燃燒器的二次風及分級風旋轉方向相同，相鄰及相對兩個燃燒器的二次風及分級風旋轉方向均相反。鍋爐的主要參數及燃料成分見表1和表2。

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由于計算模型為三維，對模型的網格劃分大部分采用了六面體網格，網格劃分情況如圖2所示，為了增加計算精度，燃燒器區域的網格采用嵌套技術進行劃分，網格分布相對其他區域較為密集。網格總數為62萬。網格示意圖見圖1。

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湍流模型采用標準 k-ε模型，燃燒計算采用渦團耗散模型，由于爐內熱量傳遞90%來自于輻射換熱，因此爐膛壁面熱負荷只考慮輻射換熱，輻射模型P1模型。燃燒器噴口設置為速度入口，煙氣出口設置為自由出口。

本文分別針對傳統燃燒方式及O2/CO2比例為21%～40%共計九個工況進行模擬計算，具體工況劃分見表3。

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一次風無旋流，二次風旋流數為1.0，分級風旋流數為0.5。保持一二次風率不變。

旋流數為衡量旋轉射流的旋流強度的參數，其物理意義為為角動量的軸向通量與軸向動力的軸向通量之比值，旋流數的表達式為：

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式中：

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——噴嘴半徑，單位m。 M為角動量的軸向通量，K為軸向動量。

其表達式分別為：

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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，可得到旋流數的近似計算公式：

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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。由此可推得二次風和分級風的切向速度及角速度的值。

2 傳統燃燒方式下的溫度分布

通過模擬計算得到了傳統燃燒方式下的爐內溫度分布情況。

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圖2.1為傳統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以上的高溫區域，由中間向左右側墻方向上溫度逐漸降低，左右墻受熱基本對稱，火焰充滿度較好。在經過水平布置的屏式過熱器和再熱器之后，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

通過對富氧條件下的爐內燃燒過程進行數值計算，得到不同氧氣濃度下的爐內溫度分布及壁面熱負荷分布情況。

圖3.1為氧氣濃度分別為21%、25%、29%、35%時的爐內溫度場分布情況，可以看出，隨著氧氣濃度的增加，整個爐膛的高溫區分布趨于集中，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。同時高溫區域距離爐膛前后墻的距離越來越近，當氧氣濃度超過29%時，后墻底層燃燒器附近的高溫火焰產生了貼壁燃燒的現象。會使局部水冷壁溫度過高，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，燃燒器區域溫度上升幅度較大，因此本文對燃燒器所在截面溫度進行了對比。

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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，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，三層燃燒器所在截面的溫度差最小。當氧氣濃度小于27%時，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。當氧氣濃度大于27%時，轉變為頂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。這是由于隨著助燃氣體中氧氣濃度的提高，高溫區域趨于集中，煙氣在上升過程中與四周水冷壁的輻射換熱加強，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生的熱量，就造成了煙氣上升過程中溫度降低的現象。

為了對富氧燃燒條件下爐膛內的火焰充滿度隨氧氣濃度的增加而改變的趨勢進行研究，本文選取了頂層燃燒器的兩條直線上的溫度分布進行考察。選取頂層燃燒器所在橫截面的前后對稱軸及右側第二對燃燒器所在軸線作為研究對象。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個點，可得出這些點溫度值的方差。圖3.4為兩條所考察的直線上所取點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較為明顯，line-2增大的幅度比較小，說明氧氣濃度的增加對Y方向上的溫度分布均勻度影響較大，而對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，說明隨著氧氣濃度的增加，Y方向上的溫度分布均勻性越來越差，由此推斷火焰充滿度也越來越也差。

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。但在氧氣濃度為27%和35%處，出現小幅波動。曲線中最大值與最小值相差只有20K左右，相差不大。

通過對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，當助燃氣體中氧氣濃度為25%時各截面平均溫度的分布與傳統燃燒方式下的分布幾乎一致。具體各截面平均溫度值對比見圖3.6。

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4 結論

本文通過數值模擬,對電廠天然氣鍋爐的爐內燃燒過程進行了計算分析，并對應用富氧燃燒技術時爐內燃燒過程進行了模擬研究，對爐內溫度分布情況進行了對比分析，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爐膛內煙氣溫度增加，火焰分布更為集中，高溫區域減小。氧氣濃度由21%上升到40%時，燃燒器所在截面溫度上升300K以上，同時火焰充滿度變差。氧氣濃度的增大對出口煙氣溫度的影響不大。當O2/CO2比例為25/75時，爐內溫度分布與傳統燃燒方式下的溫度分布類似。

參考文獻：

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