電廠天然氣鍋爐富氧燃燒數值模擬

楊飛;張楊;李曉曦;董杰亮【摘要】對傳統(tǒng)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.結果表明隨著氧氣濃度的增大，整個爐膛的高溫區(qū)分布趨于集中,煙氣溫度增加，火焰分布更為集中，充滿度也越來越差.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(tǒng)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.％Thecombustioncharacteristicsofnaturalgasboilerinpowerplantwerestudiedbythemethodofnumericalsimulationwhenthetraditionalapproachandtheoxygen-enrichedcombustiontechnology(O2/CO2combustiontechnology)wereused.Theresultsshowthatasoxygenconcentrationincreases,thehightemperaturezoneofthefurnaceasawholedistributiontendstoconcentrated,andthefluegastemperatureincreases,theflamedistributionismoreconcentrated,thefullnessisgraduallypoor.Whentheoxygenconcentrationis25%,thetemperaturedistributioninthefurnaceisclosetothetraditionalcombustion.Whentheoxygenconcentrationisincreasedfrom21%to40%,thetemperatureoffurnaceflueisfoundtohavesignificantimprovement,andtheaveragetemperatureintheburnersectionincreasesmorethan300K,volumeaccountsoftheflameinfurnacebecomeworse.【期刊名稱】《北京交通大學學報》【年(卷)，期】2012(036)003【總頁數】5頁(P92-96)【關鍵詞】富氧燃燒;天然氣;電廠鍋爐;數值模擬;溫度場【作者】楊飛;張楊;李曉曦;董杰亮【作者單位】北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044;北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044;北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044;北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044【正文語種】中文【中圖分類】TK224.11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(huán)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].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%,已經成為最大的CO2排放源，但鑒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.隨著助燃氣體中氧氣濃度的增加，可提高鍋爐效率，是一種能綜合控制污染物排放的新型潔凈節(jié)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(yōu)點，有可能取得良好的效果.目前，天然氣富氧燃燒方面的研究主要集中于O2/N2氣的燃燒方面.Qiu和Hayden等人發(fā)現，當氧氣濃度增加到28%時，能節(jié)省22%的燃氣[4],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(extinctionstrainrate)增加兩倍以上[5].Wu等人發(fā)現，在傳熱試驗中傳熱效率增加了53.6%,爐膛在溫度固定條件下的燃料消耗量減少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(fā)生了改變[6].本文作者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模型與邊界條件我們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額定參數:主蒸汽流量1065t/h;主蒸汽壓力17.4MPa；主蒸汽溫度540OC;再熱蒸汽流量882.8t/h;再熱蒸汽進/出口壓力3.66/3.46MPa；再熱蒸汽進/出口溫度324/540C;給水溫度271C.天然氣成分:N2為0.14%;H2S為0.0039%;CO2為0.10%;CH4為85.009%;C2H6為9.97%;C3H8為3.62%;C4H10為1.007%;C5H12為0.15%;低位發(fā)熱值為41987kJ/m3.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,為了增加計算精度,燃燒器區(qū)域的網格采用嵌套技術進行劃分，網格分布相對其他區(qū)域較為密集.網格總數為62萬個.網格示意圖見圖1.湍流模型采用標準k-s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，輻射模型為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.圖1爐膛網格劃分示意圖Fig.1Meshgenerations本文分別針對傳統(tǒng)燃燒方式及O2/CO2比例為21%~40%共計9個工況進行模擬計算，具體工況劃分見表1.表1工況劃分Tab.3Divisionofworkconditions工況O2/CO2匕匕一次風速度/(m/s)二次風速度/(m/s)分級風速度/(m/s)AB1B2B3B4B5B6B7B8空氣21/7923/7725/7527/7329/7131/6935/6540/6018.418.417.416.615.815.214.713.812.919.819.818.116.715.414.413.411.910.431.431.428.726.424.522.821.318.916.5—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，旋流數的表達式為式中:R0為噴嘴半徑,m;M為角動量的軸向通量;火為軸向動量.其表達式分別為式中:v為射流某截面上的軸向分速度,m/s;u為射流某截面上的切向分速度,m/s;p為靜壓力,MPa;p為流體密度,kg/m3.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(tǒng)燃燒方式下的溫度分布通過模擬計算得到了傳統(tǒng)燃燒方式下的爐內溫度分布情況.圖2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.圖2工況A爐膛溫度等值線圖Fig.2ContourmapoffurnacetemperatureunderconditionA3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為氧氣濃度分別為21%、25%、29%、35%時的爐內溫度場分布情況.圖3不同氧氣濃度下的爐膛溫度分布圖Fig.3Furnacetemperaturedistributionsunderdifferentoxygenconcentrations可以看出,隨著氧氣濃度的增加，整個爐膛的高溫區(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.同時高溫區(qū)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.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，本文對燃燒器所在截面溫度進行了對比.由圖4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?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.這是由于隨著助燃氣體中氧氣濃度的提高，高溫區(qū)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，造成了煙氣上升過程中溫度降低的現象.圖4燃燒器所在截面溫度隨氧氣濃度變化情況Fig.4Temperatureoftheburnercrosssectionwiththeoxygenconcentrationchanges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5所示,line-1和line-2分別為頂層燃燒器所在截面的中心線，取各中心線上50個溫度點，計算相鄰之間溫度之差.X方向直線定為line-1,Y方向直線定為line-2,每條線上等距離取50個點,可得出這些點溫度值的方差.圖6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.圖5直線選取示意圖Fig.5Linearselect圖6溫度方差隨氧氣濃度變化情況Fig.6Temperaturevariancewiththeoxygenconcentrationchanges由圖6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7為爐膛煙氣出口溫度隨氧氣濃度變化曲線.圖7煙氣出口溫度隨氧氣濃度變化情況Fig.7Fluegasoutlettemperaturewiththeoxygenconcentrationchanges由圖7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.圖8為各截面平均溫度值對比.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(tǒng)燃燒方式下的分布幾乎一致.圖8沿爐膛高度截面平均溫度變化情況Fig.8Averagetemperaturealongthefurnaceheightcrosssection4結論通過數值模擬,對電廠天然氣鍋爐的爐內燃燒過程進行計算分析，并對應用富氧燃燒技術時爐內燃燒過程進行模擬研究,對爐內溫度分布情況進行對比分析，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;整個爐膛內煙氣溫度增加，火焰分布更為集中，高溫區(qū)域減小，火焰充滿度也越來越差.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(tǒng)燃燒方式下的溫度分布類似.參考文獻(References):張慧明，王娟.采用清潔燃料控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染[J].電力環(huán)境保護,2004,12(4):38-42.ZHANGHuiming,WANGJuan.TheuseofcleanerfuelstocontrolSO2pollutionofcoal-firedindustrialboilers[J].ElectricPowerEnvironmentalProtection,2004,12(4):38-42.(inChinese)萬耀強，馬富琴燃煤鍋滬改為燃氣鍋爐有關問題的探討[J].河南建材,2009(5):113-114.WANYaoqiang,MAFuqin.Discussionofcoal-firedboilersreplacedbygas-firedboilers[J].HenanBuildingMaterials