生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究_魏琰荣.pdf

第 38 卷第 1 期煤质技术Vol.38No.12023 年 1 月COAL QUALITY TECHNOLOGYJan 2023移动阅读研究论文魏琰荣，周博斐，李鹏飞 生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究 J 煤质技术，2023，38(1):3340WEI Yanrong，ZHOU Bofei，LI Pengfei Numerical simulation on the stability of flameless combustion of biomass solidfuel J Coal Quality Technology，2023，38(1):3340生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究魏琰荣1，2，周博斐3，李鹏飞3(1.北京天地融创科技股份有限公司，北京100013;2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京100013;3.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉430074)摘要:将无焰燃烧技术应用于生物质固体燃料，将同时实现生物质的高效燃烧以及燃烧过程NOx的有效控制。为解决生物质燃料燃烧效率低、燃尽率差等问题，探究实现生物质固体燃料无焰燃烧的稳定工况，以 1 个功率为 1.4 MW 的燃烧炉为研究对象，采用数值模拟方法，在验证模型合理性的基础上对生物质固体燃料无焰燃烧特性进行研究，探究二次风进口速度、炉膛尾部烟气出口直径和炉膛壁面温度对生物质无焰燃烧建立和稳定性的影响。数值模拟研究结果表明:提高二次风入口速度，有利于氧化剂的均匀分布以及烟气的大范围卷吸，使温度场分布更加均匀，可在整个区域内实现温和的无焰燃烧反应;当烟气出口直径为 200 mm，即烟气出口面积为炉膛尾部面积的约 1/16 时，整个炉膛内温度场最为均匀;当炉膛壁面温度由 1 000 K 提升至 1 200 K时，温度场更加均匀，整个区域内进行温和的无焰燃烧反应，且燃烧较为充分。提高二次风入口速度、缩小烟气出口直径以及维持炉膛壁面温度在较高水平是建立和稳定维持生物质无焰燃烧的必要条件，对工业锅炉实现生物质固体燃料无焰燃烧具备参考意义。关键词:生物质;无焰燃烧;燃烧稳定性;数值模拟;二次风;入口速度;温度场;烟气出口直径中图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:10077677(2023)0103308收稿日期:20220803责任编辑:何毅聪DOI:10.3969/j.issn.10077677.2023.01.005基金项目:天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2018TDQN006);天地融创科技发展基金资助项目(2022JNCX01)作者简介:魏琰荣(1992)，女，山西吕梁人，硕士研究生，助理研究员，主要从事煤炭高效洁净燃烧方面的研究。Email:602501880 通讯作者:李鹏飞，副教授，博士生导师，主要从事无焰燃烧与富氧燃烧研究。Email:pfli Numerical simulation on the stability of flameless combustion of biomasssolid fuelWEI Yanrong1，2，ZHOU Bofei3，LI Pengfei3(1 Beijing Tiandi ongchuang Technology Corporation Ltd，Beijing100013，China;2 National Energy Technology Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control，Beijing100013，China;3 State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China)Abstract:Applying flameless combustion technology to biomass solid fuel will simultaneously achieve efficient bio-mass combustion and effectively control NOxemission during combustion In order to solve the problems of low com-bustion efficiency and poor burnout rate of biomass fuel，the stable burning condition of flameless combustion of bio-mass solid fuel was studied In this paper，the numerical simulation was conducted in a 1 4 MW furnace，using nu-煤质技术2023 年第 38 卷merical simulation method，based on the validation of the numerical model，the influence of secondary air inlet ve-locity，flue gas outlet diameter and furnace wall temperature on the establishment and stable maintenance of biomassflameless combustion was investigated The numerical simulation results show that the increase of secondary air inletvelocity is beneficial to the uniform distribution of oxidant and the largescale entrainment of flue gas The tempera-ture distribution is more uniform，and the flameless reaction occurs in the whole region inside the furnace When theflue gas outlet diameter is 200 mm(when the area of flue gas outlet is about 1/16 of the area of furnace tail)，thetemperature field in the whole furnace is the most uniform When the wall temperature of the furnace increases from1 000 K to 1 200 K，the temperature field becomes more uniform，and the combustion reaction takes place mildly inthe whole region，and the burnout is increased It is necessary to increase the secondary air inlet velocity，reduce theflue gas outlet diameter and maintain the furnace wall temperature at a high level to establish and stabilize the flame-less combustion of biomass The present study is helpful for the establishment and stability of flameless combustion ofbiomass solid fuels for industrial boilersKey words:biomass solid fuel;flameless combustion;combustion stability;numerical simulation;secondary air;inlet velocity;temperature distribution;flue gas outlet diameter0引言生物质因其具有分布广泛、零碳排放等特点，近年来备受关注，被越来越广泛地作为煤的替代品燃烧使用1。“煤改生物质”之后，生物质燃烧产生的 NOx成为雾霾天气新的重要来源。在北京、天津等地发布的新建锅炉 NOx排放标准中，要求烟气NOx浓度应小于 30 mg/m3，为达到此一指标，较为经济有效的方法是在“煤改生物质”锅炉中应用低 NOx燃烧技术2。具体来说，目前已有的低 NOx燃烧技术主要有空气或燃料分级、烟气再循环等34。虽众多学者已对以上技术进行比较深入的理论研究和工程实践，但现有的技术还难以同时实现高效和低污染。无焰燃烧技术作为 1 种新型燃烧技术，其特点主要包括无局部高温区、温度场均匀、炉中换热能力增强，燃烧反应区大、NOx排放量极低、燃烧稳定、噪音较低5，能够同时实现高效燃烧和低 NOx排放。若将无焰燃烧技术应用于生物质固体燃料，将同时实现生物质的高效燃烧以及燃烧过程 NOx的有效控制。随着近年来研究的深入，学界在无焰燃烧技术的燃料适应性方面开展了相关工作6。DAL-LY 等7 发现稀释氧化剂能使 CH4/H2火焰的亮度减弱、火焰体积增大、NOx排放量减少，从而确认低氧稀释条件对实现无焰燃烧的重要性。在更多贴近工程应用的研究中发现，建立无焰燃烧的关键在于对反应物射流的流动控制，无焰燃烧在非预混、预混和部分预混模式下均可实现8;无焰燃烧的低反应温度对抑制 NOx的生成有明显效果910。固体燃料的无焰燃烧研究方面，WEBE 等11 采用含氮高挥发分煤为燃料开展中试规模下的高温预热空气无焰燃烧实验，发现无焰燃烧状态下的燃尽率高、整个炉膛温度场十分均匀，辐射特性得以加强。ABUELNUO 等12 对生物质无焰燃烧进行了综述，并阐述该燃烧过程的低 NOx排放、低固体燃料质量损失、低着火延迟等特性。SAHA 等13 在热氧化剂同轴射流燃烧系统中研究了生物质无焰燃烧特性，发现所有工况下的 NOx排放均低于 200106，燃料挥发氧化性增强，炉内平均温度略有升高，CO 排放降低。无焰燃烧的建立机制方面，虽然气体燃料无焰燃烧的形成机制已比较明确，但还缺乏 MW 级中试锅炉生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的研究。笔者采用数值模拟方法研究了 1.4 MW 中试燃烧炉生物质固体燃料无焰燃烧特性，探究了二次风进口速度、烟气出口直径和炉膛壁面温度对生物质无焰燃烧建立和稳定维持的影响，揭示了建立和稳定维持生物质无焰燃烧的必要条件，为生物质固体燃料无焰燃烧的工程应用提供理论参考。1模拟对象与方法1.1炉膛结构此次研究对象是 1 个功率为 1.4 MW 的圆柱形燃烧炉，炉膛长度为 3 826 mm，炉膛直径为800 mm，燃烧炉实物如图 1 所示。燃料进口直径为 45 mm，一次风直喷射流的速度为 16 m/s。由理论计算，燃烧炉中生物质燃烧理论需氧量 V0=0.33 m3/s，为保证充分反应，取过量空气系数为1.3，则 实 际 需 氧 量 VK=aV0=0.33 1.3=0.43 m3/s。43第 1 期魏琰荣等:生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究图 11.4 MW 燃烧炉实物Fig.11.4 MW combustion furnace1.2模拟方法按照 1.4 MW 圆柱形燃烧炉的原有尺寸进行建模，研究了 29 万、57 万、86 万和 114 万不同网格数对模拟结果的影响，发现 57 万网格数与 86 万、114 万网格数结果差异不大，认为 57 万网格数已满足计算精度，因此选用该网格进行后续的计算。选用的数值模拟模型分别为:燃烧模型。考虑到同时兼顾计算的速度和精度，先使用计算速度较快的涡耗散模型(EDM)计算出收敛的结果，再在收敛的流场、温度场和浓度场基础上使用涡耗散概念(EDC)燃烧模型算至二阶差分收敛，EDC模型能够考虑有限反应速率，以保证计算精度;湍流模型。选用 eynolds 平均法(ANS)可实现 k 模型，相对于标准 k 模型，该模型能更精确预测平板和圆柱射流以及旋转流动、强逆压梯度的边界层流动，适用于无焰燃烧研究;辐射模型。选用 DO 模型，DO 模型是适用范围较广的辐射模型，可以计算不同光学厚度的辐射问题，同时也可以计算燃烧过程中出现的包括散射效应在内的多种辐射问题，适用于模拟无焰燃烧;挥发分析出模型。单步挥发分析出模型;焦炭燃烧模型。动力扩散控制反应速率模型;追踪颗粒运动的模型:随机轨道模型。在化学反应机理中，研究选用生物质燃烧的 2步总包反应，具体机理为:Wood+0.558O 2CO+1.191H2OCO+1/2O 2CO2在边界条件设置中，将一次风和二次风入口设为速度入口，将烟气出口设为压力出口，炉膛壁面设为定温换热壁面。在求解中，应用 SIMPLE 算法对压力和速度耦合，用二阶差分来离散守恒方程中各对流项。在收敛判断中，分别确认能量和辐射的残差小于 106、其他残差小于 103，监测中心截面平均温度变化小于 5 K 以及炉内质量和能量守恒。1.3模型验证在模拟研究前需要确认 1.2 节选用模型模拟生物质碳基燃料无焰燃烧的准确性和适用性。已有研究表明，碳基燃料煤粉燃烧与生物质粉末燃烧之间物理化学过程相似，但生物质粉末含碳量较少，因此经过验证的碳基燃料燃烧相关数值模拟模型可以进行生物质燃烧过程的模拟14。在国际火焰研究基金会(IFF)燃烧炉碳基燃料燃烧实验测量数据11 的基础上，划分网格并使用 1.2 节中选用的模型进行数值模拟，将数值模拟结果和实验结果进行对比。IFF 燃烧炉几何结构如图 2 所示。图 2IFF 炉膛几何结构Fig.2IFF furnace geometry structure此燃烧炉可以实现碳基固体燃料的典型无焰燃烧和传统燃烧。燃烧器中心射流为二次风，直径为125 mm。固体燃料管直径为 27.3 mm，距中心二次风 280 mm 对称分布。燃烧炉测点分布于 7 个截面，沿 x 轴方向距离分别为 0.15、0.44、0.735、1.32、2.05、3.22 和 4.97 m。实验初始条件见表 1。按照上述方法和模型，建立 IFF 燃烧炉的网格模型通过数据处理，得到测量截面的温度场，对比实验与模拟结果如图 3 所示，可知通过该数值计算模型可以准确预测炉内无焰燃烧和 NO 生成过程。因碳基燃料煤粉与生物质粉末之间燃烧过程相似，故采用的相关数值模拟模型可以进行生物质燃烧过程的模拟14。53煤质技术2023 年第 38 卷表 1实验初始条件Table 1Initial test conditions项目质量流量/(kgh1)速度/(ms1)温度/K热流量/MW组分/(wt%wet)碳基固体燃料(煤粉)66263130.58一次风13026313O2=23，N2=77二次风675651 6230.30O2=22，H2O=9.5，CO2=12.5，NO=89104，N2=56图 3实验与模拟结果对比Fig.3Comparisons between the numerical results and experimental data63第 1 期魏琰荣等:生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究1.4模拟工况为了研究燃烧炉中实现无焰燃烧的建立条件和无焰燃烧进行的状况，笔者探究了炉膛温度和炉膛内烟气大尺度卷吸对无焰燃烧进行状况的影响，生物质燃料特性分析见表 2。在探究炉膛内烟气大尺度卷吸对无焰燃烧进行状况的影响时，取空气进口速度和炉膛尾部烟气出口直径为变量进行模拟并分析其影响。取一二次风喷口之间的距离为 250 mm，并将一次风喷口设置于炉膛前端中心。工况设置见表 2。表 2生物质燃料分析Table 2Proximate and ultimate analysis元素分析/%CdafHdafOdafNdafSdaf工业分析/%VarFCarAarMar粒径分布dm/mdmax/mdmin/m分布指数54.36.636.91.950.2265.418.76.99.0100150752.3首先在固定壁面温度和烟气出口直径的条件下，通过改变二次风入口直径来调节空气射流的动量，在已有无焰燃烧的研究中，通常需要将二次风速度提高到 100 m/s 以上，因此在研究设置空气速度分别为 20150 m/s。其次在固定炉膛壁面温度和空气入口速度的条件下，通过改变炉膛底部烟气出口面积研究烟气出口障碍的影响，出口面积直径分别设置为 100 800 mm(800 mm 为出口全开，即出口面积等于圆柱形炉膛截面积)。最后在固定炉膛尾部烟气出口直径和空气入口直径的条件下，改变壁面温度，分别取 1 000、1 100 和 1 200 K。模拟工况设置见表 3。表 3模拟工况设置Table 3Simulation conditions序号两喷口距离/mm炉膛壁面温度/K烟气出口直径/mm一次风入口直径/mm一次风入口速度/(ms1)二次风入口直径/mm二次风入口速度/(ms1)12501 2002009016145.02022501 2002009016102.04032501 200200901684.06042501 200200901664.810052501 200200901653.015062501 200100901664.810072501 200400901664.810082501 200800901664.810092501 000100901664.8100102501 100100901664.8100112501 000200901664.8100122501 100200901664.8100132501 000400901664.8100142501 100400901664.8100152501 000800901664.8100162501 100800901664.81002模拟结果与讨论2.1燃烧器二次风入口速度的影响工况 15 的模拟计算在控制其他变量的前提下，深入研究二次风入口速度的变化对无焰燃烧建立和稳定维持的影响。中心截面温度场如图 4 所示，峰值温度和平均温度变化如图 5 所示。73煤质技术2023 年第 38 卷图 4中心截面温度场Fig.4Temperature field of central section图 5峰值温度和平均温度的变化Fig.5Variation of the peak temperature and the averagetemperature由图 4、5 可看出，工况 15 下，峰值温度均低于 1 500 K。随着二次风入口直径的缩小，入口速度由 20 m/s 逐渐增至 150 m/s，动量也随之增大，促进了氧化剂的均匀分布以及烟气的大范围卷吸。当二次风入口速度较小在 20 m/s 时，炉膛尾部温度较高，前部温度较低，峰值温度在 1 440 K左右，整个区域内温度分布很不均匀，不利于提高换热效率。随着二次风入口速度的提高，炉膛内峰值温度处于 1 500 K 以下，并且呈通红色的区域越来越大，表明整个区域内进行温和的无焰燃烧反应。二次风入口速度决定了二次风直喷射流的动量，高速的空气射流能够使氧化剂更均匀分布在炉膛内，使燃烧反应在更大范围内进行，还能促进烟气在炉膛内大范围卷吸。因此，提高二次风入口速度有利于烟气的回流、卷吸以及炉膛内换热，从而有利于生物质无焰燃烧的建立和稳定进行。2.2炉膛尾部烟气出口直径的影响工况 48 在控制其他变量的基础上，考察了炉膛尾部烟气出口直径对生物质无焰燃烧建立和稳定维持的影响。中心截面温度场如图 6 所示，峰值温度和平均温度变化如图 7 所示。图 6中心截面温度场Fig.6Temperature field of central section图 7峰值温度和平均温度的变化Fig.7Variation of the peak temperature and theaverage temperature由图 6、7 可看出，随着烟气出口直径缩小，能促进烟气在尾部产生回流和卷吸，增强炉膛内换热，最终建立和维持无焰燃烧。当炉膛尾部烟气出口直径 800 mm(即全开)时，炉膛内温度较低，峰值温度在 1 200 K 左右，平均温度在 700 K 左右，炉温过低，不利于燃烧稳定。出口直径小于400 mm 时，炉膛内峰值温度在 1 400 K 左右，平均温度在 1 200 K 左右，且温度场分布均匀，表明整个区域内进行温和的无焰燃烧反应。因此，在炉膛尾部设置烟气出口障碍，有利于烟气在尾部产生回流，从而促进高温烟气的大范围卷吸。但当设立烟气出口的障碍后，进一步缩小烟气出口直径并不能有效促进无焰燃烧的建立和维持。在出口直径为200 mm 时，即烟气出口面积为炉膛尾部面积的约1/16 时，整个炉膛内温度场最均匀。2.3炉膛壁面温度的影响采取模拟工况 916 对炉膛壁面温度 1 000 和83第 1 期魏琰荣等:生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究1 100 K 分别进行模拟，并与壁温 1 200 K 的模拟工况进行对比，在控制其他变量的基础上，考察炉膛壁温对生物质无焰燃烧建立和稳定维持的影响。炉膛的中心截面温度场如图 8 所示，截面平均温度变化如图 9 所示，截面峰值温度变化如图 10所示。图 8中心截面温度场Fig.8Temperature field of central section图 9截面平均温度变化Fig.9The average temperature(K)variation图 10截面峰值温度变化Fig.10The peak temperature(K)variation由图 810 可以看出，当炉膛壁面温度维持在较高水平时才能最终建立和维持无焰燃烧。当炉膛壁面温度设置为 1 000 K 时，炉膛内温度较低，平均温度在 1 000 K 左右，表明炉膛内燃烧反应速率过低，不 利 于 燃 烧 稳 定。当 提 高 壁 面 温 度 至1 100 K，整个反应区域内温度明显提升，峰值温度最高能达到 1 400 K 以上，平均温度在 1 100 1 200 K，温度场均匀，表明整个区域内进行温和的无焰燃烧反应，但燃烧强度仍很低，可能导致燃烧不充分。当炉膛壁面温度提升至 1 200 K，峰值温度大部分稳定在 1 300 K 以上，平均温度大部分在 1 200 K 以上，温度场均匀，表明进行着温和的无焰燃烧反应，且燃烧较充分。由模拟结果可以看出，虽然生物质无焰燃烧建立条件随炉膛壁面温度的变化无单一趋势，但从整体趋势来看，提高炉膛壁面温度能够提高燃烧速率，温度场更加均匀。由以上模拟可以看出，维持较高的炉膛壁面温度对生物质无焰燃烧的建立和维持至关重要。3结论研究基于无焰燃烧理论，以生物质固体燃料1.4 MW 中试燃烧炉为对象，探究二次风进口速度、炉膛尾部烟气出口直径和炉膛壁面温度对生物质无焰燃烧建立和稳定维持的影响，得到以下结论:(1)提高二次风入口速度是建立和稳定维持生物质无焰燃烧的必要条件。当二次风入口速度较小时，整个炉膛内温度分布很不均匀。随着二次风入口速度的提高，有利于氧化剂的均匀分布以及烟气的大范围卷吸，炉膛内呈通红色的区域也越来越大，表明整个区域进行温和的无焰燃烧反应。(2)缩小烟气出口直径利于建立和稳定维持生物质无焰燃烧。当炉膛尾部烟气出口直径为200 mm 时，即烟气出口面积为炉膛尾部面积的约1/16 时，整个炉膛内温度场最为均匀。(3)炉膛壁面温度维持在较高水平也利于建立和维持无焰燃烧。当炉膛壁面温度提升至1200 K93煤质技术2023 年第 38 卷时，温度场均匀，整个燃烧炉内进行温和的无焰燃烧反应，且燃烧较为充分。参考文献(eferences):1毛洪钧，李悦宁，林应超，等 生物质锅炉氮氧化物排放控制技术研究进展 J 工程科学学报，2019，41(1):111MAO Hongjun，LI Yuening，LIN Yingchao，et al O-verview of advances in emission control technologiesfor nitric oxides from biomass boilers J ChineseJournal of Engineering，2019，41(1):111 2李振山，陈登高，张志，等 生物质气化燃气耦合煤粉低氮燃烧的 CFD 数值模拟 J 中国电机工程学报，2018，38(7):20322045LIZhenshan，LIDenggao，ZHANGZhi，etalCFD modeling of pulverized coal low NOxcombus-tion coupling with biomass syngas firing J 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