大比例掺氨下煤粉火焰区喷氨位置对燃烧及NO生成特性的影响
0 引 言
在我国电力结构中,燃煤发电的量依然占据主要地位;同时燃煤发电也是主要的工业碳排放源之一,现有碳排放结构中,燃煤发电占我国总二氧化碳排放量的34%左右[1]。因此,减少燃煤发电过程中碳排放是实现我国双碳目标的关键。对现有燃煤锅炉而言,掺烧零碳燃料氨是一种现实可行的燃煤发电减碳技术手段[2-6]。
目前,国内外研究人员已开展了部分模拟与小型燃烧炉的试验研究,但燃煤锅炉中掺氨燃烧的实际应用研究尚处于起步阶段[7-10]。日本IHI公司YAMAMOTO等[11]利用卧式试验炉进行了燃煤耦合氨燃烧的试验,发现将占比20%的氨气由卧式炉侧墙靠近燃烧器火焰区域送入炉内,可有效抑制低氮氧化物的生成。SAKIKO等[12]在某1 000 MW旋流锅炉上开展了不同位置氨送入位置对NO排放特性影响的模拟研究,发现将氨从火焰区送入炉内可实现较低NO排放。ZHANG等[13]在某小型旋流燃烧试验炉上进行了煤粉与氨掺烧试验和数值模拟,结果表明掺混10%比例氨时,飞灰含碳量较低,但NO浓度较高;增加氨掺混比例,飞灰含碳量增加,NO排放量显著降低;掺氨比例超过40%时,未燃尽氨逃逸。马仑等[14]以20 kW沉降炉为研究对象,在深度空气分级条件下探究了氨掺混比例、氨燃烧区当量比、氨不同送入位置下对煤粉燃尽特性及NO生成特性的影响,发现氨掺混比例维持在20%左右、氨燃烧区当量比维持在0.96左右、氨位置尽量靠近煤粉燃烧火焰区,既可满足煤粉的高效燃烧,又有效抑制煤粉耦合氨燃烧过程中NO的生成。烟台龙源电力技术股份有限公司设计搭建了40 MW燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统,氨气通过布置在煤粉管道周边的氨气管道引入煤粉管道与挥发分混合,并在此试验台实现了高达35%混氨比例的氨煤混合燃烧试验[15]。结果表明,掺混氨气后具有良好的稳燃与燃尽性能,且氨煤混燃条件下煤粉的燃尽优于纯燃煤工况;通过分级燃烧,在高混氨比例下可实现锅炉NO排放低于燃煤工况。相关研究表明[6,16],氨送入位置越靠近煤粉火焰区,煤粉燃尽及NO排放特性越好。考虑到在实际锅炉应用过程中,可能会从侧墙将氨送入炉内燃烧的应用场景,以某40 MW煤粉燃烧试验炉为研究对象,基于数值模拟研究了煤粉大比例掺烧氨且不采用深度空气分级条件下,纯氨或氨/空气混合气从煤粉火焰区不同位置(根部、中部及尾部火焰区)送入炉内时燃烧及NO生成特性,为燃煤锅炉耦合氨燃烧提供相关参考,对燃煤火电的碳减排具有一定指导意义。
1 燃烧炉简介
研究对象为某40 MW燃烧试验炉,其结构及尺寸如图1所示,所用燃煤的煤质特性见表1。该燃烧炉为“L”型结构,横截面为六边形结构,在燃烧室前墙布置单只旋流燃烧器。为探究大比例掺氨条件下,煤粉火焰区不同喷氨位置下炉内燃烧特性及NO生成特性,从水平炉体侧面不同位置火焰区域将氨送入炉内,3个位置分别为:距离燃烧炉前端1.0 m(火焰根部区送入)、2.0 m(火焰中部区)、3.0 m(火焰尾部区)。
表1 煤质分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of the coal
图1 40 MW燃烧试验炉示意
Fig.1 Schematic diagram of 40 MW combustion test furnace
2 计算方法与工况
煤粉以及氨的燃烧涉及一系列较复杂的传热传质、化学反应过程。利用Fluent 16.0软件对煤粉与氨混燃特性及NOx生成开展相关模拟研究。考虑到燃烧器旋流特性较剧烈,采用修正的Realizable k-ε湍流模型模拟气相湍流的流动过程;煤粉颗粒的运动过程采用随机轨道模型进行追踪;采用双方程竞争反应模型模拟煤粉的挥发分析出过程;气相湍流的燃烧模拟采用有限速率/涡耗散模型;焦炭燃烧采用动力/扩散反应模型;采用P1模型对燃烧过程中的辐射传热过程进行计算,且气体吸收系数采用WSGG模型。混燃过程中,NO主要源于3部分:氨燃烧生成NO,主要通过反应NH3 O2
NO H2O 0.5H2生成;煤粉燃烧生成燃料型NO,其中挥发分氮均相反应机理NO选用De Soete机理,而焦炭氮异相反应则采用Smooth机理;高温下N2被氧化生成热力型NO,采用修正的Zeldovich机理描述。反应动力学参数见表2(Vol为挥发分,A为指前因子,E为活化能,T为温度)。
表2 气相反应动力学参数[8,11-20]
Table 2 Gas phase reaction kinetic parameters[8,11-20]
煤粉与氨混烧中氨掺混比例保持30%,过量空气系数为1.30。携带煤粉进入炉内的一次风、二次风温度分别为293、458 K,氨气温度为313 K。当氨/空气混合送入炉内时,为减少过量的预混空气对氨燃烧NO生成的影响,将与氨混合送入空气的过量空气系数设置为小于1(本文取0.8)。煤粉粒径满足Rosin-Rammler分布,最小粒径为10 μm,最大粒径为200 μm,平均粒径为65 μm,分布指数为1.0。网格划分如图2所示,在燃烧器出口及主燃烧区进行网格加密。单煤燃烧时开展了网格无关性测试(网格数量分别为701 256、865 563、905 322及994 125个),对比了出口NO浓度,发现701 256个网格数量下NO明显高于其他3种网格数量下NO排放浓度,865 563、905 322以及994 125个网格数量下NO浓度较相近。因此,最终选择了865 563个网格进行相关模拟计算。
图2 网格划分示意及网格无关性测试
Fig.2 Schematic diagram of grid division and mesh-independence test
计算过程中,入口设置为质量入口边界;壁面为无滑移温度边界,发射率为0.7;出口压力设置为-50 Pa。压力和速度场耦合采用SIMPLE算法,其他采用一阶迎风差分格式。
3 结果分析与讨论
3.1 模拟结果验证
由于未开展煤粉与氨混燃试验,缺乏相关试验数据验证混燃模拟结果。基于此,对比单煤燃烧时模拟结果与试验结果:燃烧炉出口NO质量浓度试验值为405 mg/m3 (6% O2),模拟值为350 mg/m3 (6% O2);出口CO体积分数试验值为145×10-6,模拟值为105×106。模拟结果与试验测量值一致性相对较好,表明采用模型较合理。
3.2 不同煤粉火焰区位置送入炉纯氨的影响
为使氨能喷射至高温火焰区,氨的喷射速度相对较高,其送入位置显著影响炉内流动特性。纯氨从煤粉火焰区不同位置送入炉内时燃烧器水平截面速度分布如图3所示。
图3 纯氨从不同位置送入炉内时燃烧器水平截面速度云图
Fig.3 Velocity contours at the burner horizontal cross-section when pure ammonia is injected into the furnace from different locations
由图3可以看出,在不同工况下燃烧器出口区域都形成了明显回流区,这有利于煤粉的着火及稳定燃烧。但是不同工况下存在一定差异:由于氨从侧墙对冲送入炉内,在氨燃烧截面上会对燃烧器气流轴向流动产生一定扰动和阻碍效应,导致掺混氨后气流流动距离低于不掺烧氨工况;由火焰中部区送入炉内也会阻碍旋流二次风的正常流动;然而纯氨从煤粉火焰尾部区域送入炉内对煤粉旋流二次风流动影响相对较小。
纯氨从煤粉火焰区不同位置送入时炉内温度分布如图4所示。煤粉在旋流燃烧器一次风与旋流二次风之间回流区快速着火,火焰稳定性相对较好。从煤粉火焰根部和中部区域将纯氨送入炉内时,氨与旋流二次风快速混合,氨燃烧存在明显的火焰高温区;由煤粉火焰尾部区域送入炉内时,氨燃烧产生的高温区相对较小,这主要是煤粉火焰尾部区域氧浓度相对较低,氨燃烧剧烈程度降低导致。从喷氨位置对火焰形状影响角度来说,从煤粉火焰尾部送入对煤粉火焰形状影响相对较小。从沿程平均温度分布来看,纯氨从煤粉火焰中部和尾部区域送入炉内时,平均温度曲线较为接近;而从煤粉火焰根部送入炉内工况下的平均温度在燃烧前期明显高于从中部和尾部区域送入,在燃烧后期明显低于以上2个工况。这也表明由煤粉火焰尾部区送入对炉内平均温度影响相对较小。
图4 纯氨从不同位置送入炉内时燃烧器水平/竖直截面温度云图及沿程平均温度分布
Fig.4 Temperature contours at the burner horizontal/vertical cross-sections and average temperature distribution when pure ammonia is injected into the furnace from different locations
NH3 O2反应对氨燃烧氮氧化物的生成至关重要。纯氨从煤粉火焰区不同位置送入炉内时,氮氧化物体积浓度云图及沿程平均NO浓度分布如图5所示,NH3 O2反应速率如图6所示。可知当纯氨从煤粉火焰区根部和中部送入炉内时,氨与旋流二次风氧气快速混合,氧量充足,使NH3 O2反应速率明显较大,促进氮氧化物大量生成;而将纯氨从煤粉火焰尾部区送入炉内时,由于煤粉燃烧消耗了大量氧气,使纯氨剧烈燃烧区域氧浓度相对较低,不利于NH3 O2反应进行,其反应速率相对较小,有效抑制了氮氧化物生成。由沿程平均NO浓度分布来看,纯氨送入位置区域NO平均浓度高;随纯氨送入位置逐渐从煤粉火焰根部区域后移到尾部区域,燃烧后期区域NO平均浓度逐渐降低。表明从煤粉火焰尾部区送入时炉内NO平均浓度相对较低。
图5 纯氨从不同位置送入炉内时燃烧器水平/竖直截面NO体积浓度云图及沿程平均NO浓度分布
Fig.5 NO mole fraction contours at the burner horizontal/vertical cross-sections and average NO distribution when pure ammonia is injected into the furnace from different locations
图6 纯氨从不同位置送入炉内时燃烧器水平截面NH3 O2反应速率云图
Fig.6 NH3 O2 reaction rate contours at the burner horizontal cross-section when pure ammonia is injected into the furnace from different locations
对比出口参数发现氨浓度较低,表明燃烧过程中氨逃逸较少,这主要是未采用空气分级燃烧,炉内主燃区氧量充足,氨燃烧较为充分。纯氨由不同位置送入炉内时飞灰含碳量及出口NO浓度统计结果如图7所示。可知纯氨送入炉内在燃烧过程中氨可能与煤粉抢氧燃烧,使飞灰含碳量增加;随纯氨送入位置由火焰根部区移动到尾部区域,抢氧效应减弱,使飞灰含碳量逐渐降低(由1.25%降至1.15%)。同时,由于未采用分级燃烧方式,炉内主燃区氧量相对充足,氨反应生成大量NO,出口NO浓度明显高于单煤燃烧时;且随喷纯氨位置由火焰根部区移动到尾部区域,氨燃烧区氧浓度降低,生成NO的反应减弱,出口NO质量浓度逐渐降低(由4 962 mg/m3降至4 414 mg/m3)。综合考虑燃尽及出口NO浓度,纯氨由侧墙火焰尾部区域送入时,既可有效减弱掺氨对煤粉燃尽特性的影响,又可控制NO生成。
图7 纯氨从不同位置送入时出口参数
Fig.7 Parameters at the outlet when pure ammonia is injected into the furnace from different locations
3.3 燃烧及NO排放特性的影响
氨与空气预混送入炉内有助于增加氨反应初期氧浓度,促进氨的充分反应,减少燃烧过程中氨逃逸;但同时部分空气从燃烧器转移至氨喷口,这可能对煤粉燃尽特性产生一定影响。氨/空气混合气体由煤粉火焰区不同位置送入炉内时速度分布如图8所示,由于部分二次风空气与氨混合后从侧墙送入炉内,导致旋流二次风风量减少,二次风流动刚性减弱。将氨/空气混合气体从火焰根部和中部区域送入炉内时,对旋流气流流动特性的阻碍效应较显著;而当氨/空气混合气体从火焰尾部区域送入炉内对旋流二次风的流动影响相对较小。
图8 氨/空气从不同位置送入炉内时燃烧器水平截面速度云图
Fig.8 Velocity contours at the burner horizontal cross-section when ammonia/air are injected into the furnace from different locations
氨/空气混合气体从煤粉火焰区不同位置送入炉内时温度云图及沿程平均温度分布如图9所示。随氨/空气混合气体送入位置从煤粉火焰根部后移到火焰尾部区域,中心水平截面的氨燃烧上游煤粉高温区逐渐增大,下游高温区逐渐减小。由沿程平均温度分布来看,随氨/空气混合气体送入位置逐渐由煤粉火焰根部区域后移到尾部区域,燃烧前期平均温度逐渐降低,燃烧后期平均温度逐渐升高。从掺氨对火焰形状影响角度来看,将氨/空气混合气体由煤粉火焰尾部区送入炉内对煤粉火焰形状影响相对较小。氨/空气混合气由煤粉火焰区不同位置送入炉内时,氮氧化物体积浓度云图及沿程平均NO浓度分布如图10所示。NH3 O2反应速率如图11所示。
图9 氨/空气从不同位置送入炉内时燃烧器水平/竖直截面温度云图及沿程平均温度分布
Fig.9 Temperature contours at the burner horizontal/vertical cross-sections and average temperature distribution when ammonia/air are injected into the furnace from different locations
图10 氨/空气从不同位置送入炉内时燃烧器水平/竖直截面NO体积浓度云图及沿程平均NO浓度分布
Fig.10 NO mole fraction at the burner horizontal/vertical cross-section and average NO distribution when ammonia/air are fed into the furnace from different locations
图11 氨/空气从不同位置送入时燃烧器水平截面NH3 O2反应速率云图
Fig.11 NH3 O2 reaction rate contours at the burner horizontal cross-section when ammonia/air are injected into the furnace from different locations
氨/空气混合气送入炉内与第3.1中纯氨送入炉内氮氧化物生成规律不同。当氨/空气混合气从煤粉火焰中部和尾部区送入炉内时,NH3 O2反应速率明显较大,促进氮氧化物大量生成;从煤粉火焰根部区送入时,NH3 O2反应速率相对较小,在一定程度上抑制了氮氧化物的生成,炉内氮氧化物明显低于氨/空气混合气从煤粉火焰区中部及尾部区送入工况。从沿程平均NO浓度分布来看,氨/空气混合气体送入位置区域NO平均浓度高;随纯氨送入位置逐渐从煤粉火焰根部区域后移至尾部区域,燃烧后期区域平均NO浓度显著增加,表明氨/空气混合气体由煤粉火焰根部区送入炉内,NO平均浓度相对较低。
氨/空气混合气由煤粉火焰区不同位置送入炉内时,飞灰含碳量及出口NO浓度如图12所示。可知氨/空气混合气体送入炉内对煤粉的燃尽影响相对较小,飞灰含碳量略增加,这表明氨/空气混合气送入炉内在燃烧过程中氨与煤粉燃烧抢氧效应相对较弱;且随氨/空气混合气送入位置由煤粉火焰根部区下移到火焰尾部区域,飞灰含碳量略有增加(由1.10%降至0.95%)。同时,随氨/空气混合气送入位置从煤粉火焰根部区移动到尾部区,出口NO的质量浓度显著增加(由3 003 mg/m3降至4 918 mg/m3)。综合考虑燃尽及NO生成特性,氨/空气混合气从侧墙火焰根部区送入时,既可有效减弱掺氨对煤粉燃尽特性的影响,又可控制NO生成。
图12 氨/空气从不同位置送入炉内时出口参数
Fig.12 Parameters at the outlet when ammonia/air are injected into the furnace from different locations
4 结 论
1)纯氨或氨/空气混合气体送入炉内,均使飞灰含碳量略增加;由于未采用空气分级燃烧方式,主燃区氧量相对充足,氨送入炉内后NO生成显著且炉膛出口NO浓度高于单煤燃烧。
2)采用纯氨送入方式时,随喷氨位置由火焰根部区移动至火焰尾部区域,飞灰含碳量逐渐降低,炉膛出口NO浓度逐渐降低。
3)采用氨/空气混合气体送入方式时,随着喷氨位置从火焰根部区移动到火焰尾部区域,飞灰含碳量逐渐增加且炉膛出口NO浓度逐渐增加。
4)在无空气分级燃烧条件下,综合考虑燃尽及NO排放特性,采用纯氨送入方式时建议从侧墙火焰尾部区送入炉内,采用氨/空气混合气体送入时建议从侧墙火焰根部区送入炉内,可有效改善煤粉燃尽特性,同时又抑制NO生成。
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Effect of ammonia injection location in the pulverized-coal flame zone on combustion and NO formation characteristics under large proportion of ammonia blending conditions
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XU Lianbing,CHEN Jing,WEI Shuzhou,et al.Effect of ammonia injection location in the pulverized-coal flame zone on combustion and NO formation characteristics under large proportion of ammonia blending conditions[J].Clean Coal Technology,2023,29(9):134-144.
