水煤浆MILD燃烧数值模拟研究

段艳松，张立麒，毛志慧，祝鑫阳，胡 艺，郑楚光

(华中科技大学 煤燃烧国家重点试验室，湖北 武汉 430074)

摘 要：为解决水煤浆常规燃烧存在的运行稳定性差等问题，以IFRF炉为研究对象，采用数值模拟方法尝试对水煤浆燃料进行了MILD燃烧研究。结果表明，在燃料输入功率不变的条件下，水煤浆MILD燃烧相对于常规旋流燃烧，流场的回流区域更大，烟气循环更加强烈，整体的炉膛温度更低，分布更加均匀，峰值温度最高降低了227 K，燃烧反应速率更慢，燃烧反应区面积存在区域更大，整个炉膛基本处于低氧氛围下，尾部烟气中的NOx排放降低了50%以上。此外，水煤浆浓度的改变对炉膛流场几乎没有影响，但可以降低炉膛整体温度以及尾部烟气中NOx排放。

关键词：水煤浆；MILD燃烧；常规旋流燃烧；NOx排放；数值模拟

0 引 言

MILD(moderate or intense low oxygen dilution)燃烧技术被誉为“21世纪最有前景的燃烧技术之一”[1-2]。相比常规燃烧技术，MILD燃烧具有反应速率低、局部放热少、热流分布均匀、燃烧峰值温度低等优势，可以达到较高的燃烧效率以及较低的污染物排放[3]。因此，该技术提出后受到了业界的广泛关注，研究者们分别对甲烷、天然气等气体燃料[4-5]，以及乙醇、丙酮、庚烷等液体燃料[6]的MILD燃烧开展了研究，发现由于MILD 燃烧稳定性好,其降低NOx和CO 排放的优势不随炉温、燃料类型和燃料热值的变化而改变，且高速射流可以实现燃料和氧化剂快速混合，降低NOx排放和峰值温度。荷兰国际火焰研究基金(IFRF)[7-9]、Mei[10]和Suda[11]等通过试验或数值模拟手段研究了煤粉的MILD燃烧，发现煤粉MILD燃烧的峰值温度下降明显，且NO的排放下降显著。

通常要实现MILD燃烧需要将空气预热到1 000 ℃以上，并配合高速射流以形成强烈的烟气卷吸，尽管现有研究表明，无论气体、液体还是固体燃料，都可以实现MILD燃烧，但从MILD燃烧的实现方式而言，该技术更适合于气体或液体燃料。

水煤浆作为一种高效、清洁的煤基燃料，具有燃烧效率高、污染物排放低、廉价等优点[12]。但在长期的运行和实践中发现，水煤浆常规燃烧存在运行稳定性差、运行负荷不易调节、燃烧不稳定、炉膛温度不均匀、容易熄火、积灰等问题[13]。如能将MILD燃烧技术应用于水煤浆燃料的燃烧，可望解决水煤浆初期着火困难、燃烧不稳定、温度不均匀等问题，同时还可极大地降低NOx等污染物排放。本文将采用数值模拟方法进行了水煤浆MILD燃烧研究。

1 模拟对象与方法

1.1 炉膛结构及试验条件

以Weber等[8]设计的IFRF试验炉为研究对象，其几何结构和尺寸如图1所示。炉长为6.25 m，横截面为2 m×2 m。一次风喷口和二次风喷口内径分别为0.125 m和0.027 3 m。MILD燃烧试验中水煤浆通过位于中心两侧的一次风喷口进入炉膛，二次风通过中心处的二次风喷口进入炉膛内。试验数据的测点分布在如图1中的7个不同位置的截面。水煤浆进行旋流燃烧的旋流燃烧炉以Weber设计的旋流稳定燃烧炉为研究对象[14]，其主体几何结构和尺寸与前者相同，仅燃烧器和尾部出口有变化，如图2所示，燃烧器包括中心处的2个导管，分别通入水煤浆燃料流以及旋流氧化剂流。

1.2 模拟方法

根据炉膛结构的对称性，对1/4试验炉进行建模和模拟，MILD燃烧模型网格总数约为520 000，旋流燃烧模型网格数约为570 000，对靠近燃烧器和炉膛中心处网格进行加密。为便于对比验证，试验所用煤为Guasare煤[15]，元素分析与工业分析见表1。采用平均粒径为42 μm的Rosin-Rammler分布函数描述粒径分布，在10～300 μm范围内划分为20个粒径等级。MILD燃烧湍流模型采用标准k-ε模型，辐射换热采用DO模型。化学湍流相互作用模型采用EDC模型，煤粉脱挥发分模型采用双方程竞争模型。旋流燃烧湍流模型采用可实现的k-ε模型及标准壁面函数，壁面温度设为恒温1 300 K。化学湍流相互作用模型采用FR/RD模型。Liu等[16]发现FR/RD相对于EDC模型能更好的预测温度场和着火延迟。煤中挥发分析出后，焦炭会与周围气体发生反应，因此煤粉燃烧模型采用多表面反应模型。具体参数设置见表2(A为指前因子，Ea为活化能)。

表1 元素分析与工业分析
Table 1 Proximate and Ultimate analysis

表2 模拟所用的机理参数
Table 2 Combustion mechanism

计算中采用SIMPLE算法求解压力-速度的耦合，压力采用PRESTO！算法，动量、湍流动能、湍流耗散率、组分输运和能量均采用二阶迎风格式。除了残差达到预期的要求外，通过监视燃烧器所在平面的温度和氧气含量，当它们的数值基本不发生变化时则认为计算收敛。NOx的形成仅考虑燃料型NOx和热力型NOx。考虑到湍流及温度波动的影响，采用β-PDF函数，NO形成模型的具体细节可以参考文献[17]。水煤浆中水分的蒸发采用湿燃烧法，认为煤的存在对水的蒸发过程没有影响,且认为浆滴中的水分均匀地分布在浆滴所占的空间中[18]。对于水煤浆燃烧过程,由于炉温较高,水分蒸发迅速,其水分蒸发时间占燃尽时间的比例很低,在1%的数量级。因此,在对水煤浆燃烧过程进行数值模拟计算时,可以认为水分进入炉膛后就立刻蒸发完毕,但其蒸发所需汽化潜热包括在整个计算过程中[19]。

1.3 模型验证

为验证数值模型的准确性，将煤粉MILD燃烧模拟数据与文献[12]中的温度和速度数据进行比较，模拟数据和试验数据整体上吻合度较高，如图3、4所示。在炉膛前端3个测点处，中心区域速度的模拟数值均高于试验数值，这个差别主要是由于激光多普勒风速计的测量误差导致[9]。对于温度分布，仅在燃料射入区域(X=0.28 m)存在一定的差异。温度分布差别同样存在于Vascellari等[20]、Schaffel等[9]和Mei等[10]的模拟中，这反映出数值模拟中存在着火延迟的问题：在模拟中，煤粉颗粒的加热、挥发分的析出、焦炭的燃烧是依次进行，而实际燃烧中则是同步进行。靠近炉膛中心模拟温度较高，可能主要是煤粉脱挥发模型本身的局限性，不能准确的模拟实际脱挥发过程。对于旋流燃烧模拟准确性的验证参见文献[21]。由以上试验数据以及模拟数据的吻合程度，考虑到水煤浆燃烧过程中采用湿燃烧法，可以认为所采用的数值模型对水煤浆燃烧是适用的。

1.4 模拟工况

为了研究相同炉膛条件下MILD燃烧和常规旋流燃烧的不同燃烧特性，模拟了2种燃烧方式下3种水煤浆质量分数(70%、65%、60%)的燃烧特性(表3)。旋流燃烧中，旋流强度为0.923。MILD燃烧的实现时通过增加二次风温和高速射流来实现的，相对于旋流燃烧，MILD燃烧一二次风射流速度更快，二次风温度更高。

表3 模拟计算的工况
Table 3 Experimental conditions

2种燃烧氧化剂均为空气，不同浓度水煤浆质量流量分别为94.29、101.54、110.00 kg/h，燃料输入功率均为0.58 MW。为了使煤粉充分燃烧，过量空气系数均为1.2。

2 试验结果与讨论

2.1 流场和内部循环率

图5给出了水煤浆MILD燃烧和常规旋流燃烧条件下的流线。可以看出，在MILD燃烧中，一次风和二次风在离开炉膛顶部一定距离之后进行混合，混合射流导致烟气的回流。烟气回流区几乎占据了整个炉膛，强烈的烟气回流可以稀释并预热燃烧器出口的反应物。尽管改变水煤浆的浓度会使水煤浆的射流质量发生变化，但对于炉膛的烟气回流影响效果不明显。在水煤浆旋流燃烧中，则存在着2个回流区：一个存在于旋流燃烧器的出口位置处，回流区域较小；另外一个存在于炉膛前半部分，回流区域明显小于MILD燃烧。

Wunning等[4]用烟气内部循环率Kv来定量分析烟气内部循环对MILD 燃烧的影响，Kv值越大，越有利于MILD燃烧，并将其定义为

Kv==

式中，me为被卷吸烟气的质量流量；mo为空气的质量流量；mf为燃料的质量流量；mup为具有向炉膛尾部方向上分速度的燃烧产物的质量流量。

图6给出了不同浓度水煤浆下MILD燃烧和旋流燃烧Kv值。可知，水煤浆的浓度对Kv的影响较小，这和流线云图基本符合。越靠近炉膛后部，Kv越大，烟气卷吸越强烈。在MILD燃烧中，随着轴向距离的增大，Kv逐步增大,且最大值大于5,符合MILD燃烧特性；而在旋流燃烧中，Kv很小，均小于2，浓度越小，Kv越小，这主要是由于水蒸气抑制了烟气的回流。

2.2 温度分布

图7给出了不同工况下，燃烧器所在的对称平面上的温度分布。MILD燃烧条件下，70%、65%、60% CWS的峰值温度分别为1 968、1 945、1 923 K；旋流燃烧下，70%、65%、60% CWS的峰值温度分别为2 195、2 160、2 116 K。可以发现，MILD燃烧的峰值温度比旋流燃烧的峰值温度低193～227 K，炉膛整体温度更加均匀，并且随着水煤浆质量分数的降低(水分含量增加)，峰值温度略有下降。随着水煤浆质量分数的降低，一次风出口的低温区向后延伸，这主要是由于水煤浆入射动量以及水分增加，水分汽化吸热所致。旋流燃烧的高温区，温度更高，区域更大更靠近燃烧器出口位置，燃烧反应剧烈，容易导致运行不稳定、运行负荷不易调节、熄火等一系列问题，而MILD燃烧的燃烧速率缓慢、温度低、热流分布均匀、强烈的烟气回流可以很好的解决这些问题，达到较好的燃烧效果。

为了进一步研究上述各工况的温度分布，分别截取了MILD一次风出口以及旋流炉膛Y=150 mm轴向温度分布并进行了比较。从图8可以看出：旋流燃烧中，温度在距离炉膛前墙很近的距离(0.6 m左右)很快升到了峰值温度，说明在旋流燃烧器出口位置，水煤浆剧烈的燃烧；MILD燃烧中，距离一次风喷口2 m之后，温度才达到最大，升温比较平缓。旋流燃烧最高温度与炉膛末端温度差约为1 000 K，MILD燃烧仅为400 K左右，说明在MILD燃烧方式下，炉内的温度分布更加均匀。

2.3 氧气浓度分布

图9给出了不同工况下燃烧器所在对称平面的O2浓度分布云图。可知，MILD燃烧的低氧区主要位于一次风出口处，焦炭以及挥发分的燃烧消耗大量的氧气；而旋流燃烧中，低氧区则位于炉膛中心区域，氧气浓度极低，浓度小于2%。在旋流燃烧中，水煤浆质量分数减小会使水煤浆低氧区域的面积减少，这主要是由于水煤浆质量分数减小会使烟气卷吸强度减弱，水煤浆中的水分吸收更多的热量，导致高温区面积减少，反应区域减少，从而导致低氧区域减少。在MILD燃烧中由于一二次风的高速射流，强烈的烟气卷吸，反应区域较大，仅仅改变水煤浆质量分数对O2浓度分布影响甚微。

2.4 NOx排放

图10给出了几种工况下的炉膛尾部NO的排放量。本文仅仅考虑热力型NOx与燃料型NOx。在燃料性NOx模拟中，认为挥发分中的N首先全部转化为HCN，然后氧化形成NO，焦炭中的N直接转化为NO。可以看出，在高速射流以及旋流IFRF燃烧炉膛中，MILD燃烧形成的NOx远低于旋流燃烧，降低了54%左右。这主要是由于MILD燃烧整体温度更低、温度更加均匀、强烈的烟气卷吸使低氧区域更大等，抑制了2种NOx的形成。但需注意的是，数值模拟得到的NOx往往会偏高，这主要是模拟无法考虑NOx的再燃过程以及模拟机制本身存在的局限性[14]。

3 结 论

1)在炉膛输入功率0.58 MW不变的条件下，水煤浆由旋流燃烧改为MILD燃烧时，炉膛内形成强烈的烟气回流，炉膛温度分布均匀，峰值温度降低了190～227 K，且燃烧稳定性好，低氧区域更大，NOx排放降低了约54%。

2)水煤浆MILD燃烧时，降低水煤浆质量分数不仅可以降低炉膛的温度，还可以降低尾部烟气中NOx的排放，但对炉膛的流场分布特性影响较小。

3)水煤浆燃料采用MILD燃烧方式，对于解决水煤浆常规燃烧过程中易于出现的运行不稳定、熄火、运行负荷不易调节等一系列问题具有较大帮助。

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Numerical simulation of MILD combustion on coal-water slurry

Duan Yansong,Zhang Liqi,Mao Zhihui,Zhu Xinyang,Hu Yi,Zheng Chuguang

(State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Abstract:In order to solve the problems of poor operation stability of CWS (coal-water slurry) combustion,the MILD (moderate or intense low oxygen dilution) combustion characteristics of CWS were studied numerically based on the pilot-scale furnace of IFRF.Results show that under the same fuel input,the MILD combustion of CWS has extensive backflow region than the conventional swirl combustion,more intense flue gas circulation,lower and more uniform distribution of furnace temperature.The maximum peak temperature is reduced by 227 K.The rate of combustion reaction is slower,and the area of combustion reaction zone is larger.The whole furnace is in a low oxygen atmosphere,and the emission of NOx is dramatically reduced by more than 50%.In addition,different concentrations CWS have little effect on flow distribution,but it can lower the temperature in the whole furnace and reduce the final NOx emission.

Key words:coal-water slutty (CWS);MILD combustion;conventional swirl combustion;NOx emission;numerical simulation

中图分类号：TQ534

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2017)04-0036-06

收稿日期：2017-06-12；责任编辑张晓宁

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.04.005

基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFE0102500)

作者简介：段艳松(1993—)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事MILD燃烧方面的研究。通讯作者：张立麒，教授，博士。E-mail:lqzhang@mail.hust.edu.cn

引用格式：段艳松，张立麒，毛志慧，等.水煤浆MILD燃烧数值模拟研究[J].洁净煤技术，2017，23(4)：36-41,46.

Duan Yansong,Zhang Liqi,Mao Zhihui,et al.Numerical simulation of MILD combustion on coal-water slurry[J].Clean Coal Technology，2017，23(4)：36-41,46.