高温低氧及富氧气氛下煤粉颗粒着火和燃烧特性数值分析

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-18 09:38 热度：

　　摘 要：采用计算流体力学(CFD)软件对煤粉颗粒在平面扩散火焰系统中的着火和燃烧过程进行了详细的数值模拟，测量了不同热协流气氛(O2/N2、O2/CO2)、温度(1 400～1 800 K)和氧气体积分数(10%～30%)，特别是高温低氧(1 800 K，10%O2)环境下的气体温度场和颗粒温度分布，获得了 MILD 燃烧工况下煤粉颗粒着火和燃烧特性.结果表明，在高温低氧环境下，煤粉颗粒的着火距离明显缩短，气体温度场更加均匀.1 800 K 协流温度下，随着氧气体积分数每提高 10%，其着火距离缩短 12%～14%，氧气体积分数为 10%时的烟气温度波动系数比氧气体积分数为 20%时下降 9%.与 O2/N2气氛相比，在 O2/CO2 气氛中相同热协流温度和 20%氧气体积分数下，着火距离增加了 2.7～3.4 mm，烟气平均温度降低了 168～183 K.

　　关键词：低氧稀释燃烧;富氧燃烧;着火距离;温度均匀性;数值模拟

　　煤炭燃烧后排放的 NOx 等污染物会危害人类健康，产生的 CO2 也会造成全球气候变暖.富氧燃烧技术使用 O2/CO2 气氛代替 O2/N2 气氛进行煤粉燃烧，并在燃烧后捕集、封存和利用 CO2，以减少 CO2 的排放[1].在低氧稀释 MILD(moderate and intense lowoxygen dilution)燃烧技术应用中，煤粉颗粒在高温低氧的热力环境中发生着火和燃烧，燃烧室内温度分布更加均匀，峰值温度降低，NOx 排放明显减少[2].与传统燃烧方式相比，富氧燃烧中气体氛围发生变化， MILD 燃烧中氧气体积分数发生变化，这些因素会影响煤粉颗粒的着火和燃烧特性.

　　在煤粉颗粒的着火特性方面，Riaza 等[3]使用高温计并利用三色法(three-color pyrometry)测量了单个煤粉颗粒的着火温度，发现着火温度随氧气体积分数的增加而降低，O2/CO2气氛中着火温度较 O2/N2气氛中提高了 30～40 K.Zeng 等[4]在 Hencken 实验平台上使用 CMOS 相机研究了煤粉颗粒在高温低氧条件下的着火特性，发现热协流温度由 1 400 K 提高到 1 600 K 或 1 800 K，氧气体积分数由 5% 提高到 10% 或 20% ，都会使着火距离缩短，且 O2/CO2 气氛中着火距离较 O2/N2 气氛中增加 0.07～0.49 cm.

　　在煤粉颗粒的燃烧特性方面，许多学者研究了温度和氧气体积分数等因素对颗粒温度的影响. Bejarano 等[5]使用光电探测器采集煤粉颗粒燃烧过程中的辐射信号，并通过三色测温法得到了煤粉颗粒温度随时间的变化，发现颗粒在 O2/CO2 气氛中的平均燃烧温度较 O2/N2 气氛中降低.Yuan 等[6]使用 CMOS 相机并利用三色 RGB(red，green and blue)测温法获得了不同燃烧条件下的煤粉颗粒温度，结果表明，随着氧气体积分数由 10% 提高到 20% 或 30% ，燃烧过程中煤粉颗粒的平均温度升高.曾柱楷等[7-8]使用光纤光谱仪测量了煤粉颗粒温度的沿程分布，发现随着氧气体积分数由 20% 降低到 5% ，颗粒温度波动系数降低 19% ～37% .还有一些学者对比了 MILD 燃烧与常规燃烧时烟气温度分布的变化，Mao 等[9]将氧化剂的射流速度提高到 100 m/s，促进烟气回流以实现煤粉颗粒的 MILD 燃烧，发现 MILD 燃烧较常规旋流燃烧反应区域温度分布更加均匀，峰值温度降低 60 K.潘聪等[10]对不同过量空气系数下煤粉 MILD 燃烧过程进行模拟，发现与常规燃烧相比，MILD 燃烧工况下炉内峰值温度降低 200 K，温度分布更加均匀.已有研究主要关注燃烧过程中颗粒温度的变化，并且定性分析了 MILD 燃烧中温度分布的均匀性，但对低氧稀释条件下煤粉颗粒的着火特性以及烟气温度分布的均匀性研究较少.

　　本文选用涡耗散概念 EDC(eddy dissipation concept)模型，对煤粉颗粒在平面扩散火焰系统中的着火和燃烧过程进行了数值模拟，模拟得到的轴向颗粒温度分布与已有实验数据符合较好.进一步模拟获得了不同协流气氛(O2/N2、O2/CO2)、温度(1 400～ 1 800 K)以及氧气体积分数(10% ～30% )下的气体温度场和颗粒温度分布，研究了不同热协流，特别是高温低氧环境对煤粉颗粒着火距离的影响，获得了 MILD 燃烧中煤粉颗粒的着火特性，并引入烟气温度波动系数来定量研究高温低氧条件下 MILD 燃烧烟气温度分布的均匀性.

　　1 数值计算模型及方法

　　1.1 数值模拟对象

　　平面扩散火焰煤粉燃烧实验系统如图 1 所示，该系统使用 CO 和少量 CH4作为气体燃料，燃烧后产生的高温烟气作为煤粉着火和燃烧过程的热协流.气体燃料和氧化剂分别由中心管周围的毛细喷管喷入后迅速扩散燃烧.煤粉颗粒和一次风携带流由中心管喷入，颗粒进入高温烟气中快速加热和着火.气体扩散火焰反应区域直径为 50 mm，周围毛细喷管外径为 1.5 mm，中心管外径为 2.5 mm.

　　考虑到气体燃料燃烧小火焰主要集中在 Hencken 燃烧器底部，直接以毛细管喷口 10 mm 以上的区域为模型的计算区域，并以高温烟气作为入口气体，重点关注煤粉颗粒在热协流中的着火和燃烧过程.壁面温度为 1 200 K，烟气入口温度和组分根据气体燃料燃烧后的工况设置.模拟的煤种为实验中使用的新疆准东煤，其元素分析和工业分析见表 1，煤粉给粉量为 0.2 g/min，粒径范围为 63～75 μm.

　　1.2 网格划分及模型选择

　　考虑到平面扩散火焰煤粉燃烧系统的对称性，取 1/4 区域来划分网格.研究了不同网格数对计算结果的影响，发现网格数低于 8 万时结果差别明显， 102 800 网格数与 125 000 网格数的结果差异不大，认为 102 800 网格数已满足计算精度，因此选用该网格进行后续的计算.

　　煤粉燃烧包括湍流流动、煤粉热解和燃烧、辐射传热等复杂的物理化学过程，不同学者设置数值模拟模型的差异主要体现在气相反应模型的选择不同. 气相反应模型主要有涡耗散模型 EDM(eddy dissipation model) 、有 限 速 率 涡 耗 散 FR/EDM(finiterate/eddy dissipation model)模型和 EDC 模型.EDC 模型假定反应发生在小的涡流中，能够考虑详细的化学反应机理，对反应速率的计算较为准确.金旭东等[11]对比了 EDM 模型和 EDC 模型对模拟 MILD 燃烧工况的影响，认为考虑有限反应速率的 EDC 模型对煤粉颗粒 MILD 燃烧过程模拟更加准确.在脱挥发分模型中，Schaffel 等[12]使用化学渗透脱挥发分 CPD(chemical percolation devolatilization)模型模拟了煤粉 MILD 燃烧中的脱挥发分过程，该模型将煤粉颗粒的结构表达为晶格或连接芳香簇的化学桥网状物，以描述其化学和物理过程，模拟结果较好地复现了温度分布和组分浓度分布等实验数据.

　　本文湍流模型选择 Realizable k-ε 模型，辐射传热模型选用 P1 模型，选用 CPD 模型计算煤粉颗粒脱挥发分过程，选用 EDC 模型计算气相组分燃烧，选用动力-扩 散 控 制 模 型 计 算 焦 炭 表 面 反 应 .选 择 SIMPLE 算法求解压力-速度的耦合方程，动量、组分输运和能量方程都采用二阶迎风离散格式以保证计算的精度.

　　2 结果分析与讨论

　　2.1 模拟与实验结果验证

　　分别模拟了 O2/N2 气氛下热协流温度为 1 400 K 和 1 600 K，氧气体积分数为 20% 时煤粉颗粒的着火和燃烧过程，得到中心轴线上颗粒温度分布，与使用光纤光谱仪并基于双色测温原理测得的颗粒温度实验结果[13]进行对比，如图 2 所示.结果表明，该工况下模拟得到的颗粒温度结果与实验测量结果符合较好，表明所采用的数值计算模型和方法的合理性.

　　2.2 煤粉颗粒着火特性

　　煤粉颗粒的着火机理受燃烧环境控制，热协流温度和氧气体积分数对着火距离和火焰的稳定性有重要的影响.根据热力着火理论，在颗粒温度对轴向距离一阶导数大于 0、二阶导数等于 0 处煤粉着火[14]. 本文研究了热协流温度、氧气体积分数和燃烧气氛 (O2/N2、O2/CO2)对煤粉颗粒着火距离和颗粒温度的影响.

　　由图 2 可以看出，煤粉颗粒由中心管喷口进入热协流后，在周围热协流烟气的加热作用下快速升温，随后发生着火，颗粒温度快速上升.由于颗粒与周围烟气换热，颗粒温度上升减缓并趋于稳定.图 3 对比了不同协流温度(1 400～1 800 K)和氧气体积分数 (10% ～30% )下煤粉颗粒的着火距离.结果表明，各个氧气体积分数下，随着热协流温度由 1 400 K 提高到 1 600 K，着火距离缩短 4.0～4.6 mm;热协流温度由 1 600 K 提高到 1 800 K，着火距离缩短 3.6～ 5.8 mm.氧气体积分数为 10% 时，1 800 K 协流温度下的着火距离比 1 400 K 和 1 600 K 协流温度下分别缩短了 8.2 mm 和 3.6 mm.这是因为热协流温度的提高增加了环境和颗粒的换热温差，加快了煤粉颗粒预热.温度的提升促进了挥发分的快速释放，着火时间提前.热协流温度的提高使化学反应速率增加，颗粒燃烧放出更多热量，整体温度提高.

　　由图 3 可以看出，不同协流温度下，煤粉颗粒着火位置均随着氧气体积分数增加而提前，其中在高温 (1 800 K)时，着火距离随氧气体积分数增加而缩短 12% ～14% .这是因为氧气体积分数升高，促进了氧气向颗粒表面扩散，使煤粉颗粒在进入平面扩散火焰燃烧系统后迅速着火.

　　2.3 煤粉颗粒富氧着火和燃烧特性

　　基于前文着火位置的定义，研究了 O2/N2 气氛和 O2/CO2 气氛下煤粉颗粒着火和燃烧特性的区别.图 4 是氧气体积分数为 20% 时，O2/N2和 O2/CO2气氛下不同协流温度中煤粉颗粒的着火距离.由图可以看出，随着热协流温度提高 200 K，O2/CO2 气氛中煤粉着火位置提前 4.0～5.3 mm，这与 O2/N2 气氛中的结果相一致.在相同热协流温度和氧气体积分数下， O2/CO2气氛中着火距离比 O2/N2气氛中增加了 2.7～ 3.4 mm.这是由于 CO2 的比热容更大，在传热过程中会吸收更多的热量，与 O2/N2 气氛下的加热过程相比，O2/CO2 气氛下煤粉颗粒加热速率降低，使煤粉颗粒在热协流中升温较慢.而且 O2 和挥发分气体在 CO2 中的质量扩散系数也比在 N2 中更低，O2/CO2 气氛中 O2和挥发分的扩散减慢[15].

　　图 5 对比了氧气体积分数为 20%时 O2/N2 和 O2/CO2 气氛中烟气的平均温度.可以看出，不同气氛下，随协流温度的增加烟气平均温度都增加.在 O2/CO2 气氛中，协流温度每升高 200 K，烟气平均温度增加 79～82 K.与 O2/N2气氛相比，O2/CO2气氛下烟气平均温度减小了 168～183 K，主要是由于 CO2 的比热容更大、O2 和挥发分在 O2/CO2 气氛中的扩散速率更低等因素引起的.

　　2.4 燃烧温度场分布均匀性评价在 MILD 燃烧中，炉内温度分布比常规空气燃烧更为均匀，无火焰温度峰值，有利于减少热力型 NOx的生成.

　　图 7 是不同热协流温度和氧气体积分数下烟气温度波动系数的比较.随着热协流温度提高 200 K，烟气温度场波动系数下降 10%～27%，表明燃烧温度场分布的均匀性有所提升.在热协流温度为 1 800 K 时，氧气体积分数为 10%的烟气温度波动系数比氧气体积分数为 20%时降低了 9%，达到最低，这说明在高温低氧稀释条件下，燃烧反应温度场分布更均匀，有利于实现降低峰值温度、减少局部高温区域以降低 NOx 排放的目的.结合烟气平均温度和温度波动系数等参数变化，发现在高温低氧稀释条件下，烟气平均温度较高，温度波动系数更低，表明温度分布更加均匀，有利于同时实现高效燃烧和低 NOx排放.

　　3 结论

　　(1) 在高温低氧环境中煤粉颗粒着火距离明显缩短，在 O2/N2 气氛、1 800 K 协流温度下煤粉的着火距离随着氧气体积分数提高 10%而缩短 12%～ 14%.在氧气体积分数为 10%时，1 800 K 协流温度下着火距离比 1 400 K 和 1 600 K 协流温度下分别缩短了 8.2 mm 和 3.6 mm.

　　(2) 由于 CO2 比热容更高、O2 和挥发分在 CO2 中扩散系数更小等热物理性质的影响，O2/CO2 气氛下煤粉颗粒着火距离延长、燃烧后烟气温度降低.与 O2/N2气氛相比，在 O2/CO2气氛中相同热协流温度和 20%氧气体积分数下，着火距离增加了 2.7～3.4 mm，烟气平均温度降低了 168～183 K.

　　(3) 引入烟气温度波动系数评价 MILD 燃烧烟气温度分布的均匀性，发现在热协流温度为 1 800 K 时，氧气体积分数为 10%的烟气温度波动系数比氧气体积分数为 20%时降低了 9%，表明在 1 800 K、 10%O2高温低氧条件下，烟气温度分布更均匀.——论文作者：周博斐，张廷尧，周月桂

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