天然气再燃过程与排放特性数值研究

第49卷第1期大连理工大学学报2009年1月Journal of Dalian University of TechnologyJan, 20 0文章编号:1000-8608(2009)01-0048-07天然气再燃过程与排放特性数值研究毕明树,贾艳艳,李芳(大连理工大学化工学院辽宁大连116012)摘要:应用CFD计算软件 FLUENT6.1,对煤粉炉天然气再燃烧过程进行了敷值模拟.分析了不同再燃烧工况下NO、CO2、CO等污染物的排放量及飞灰含碳量与煤粉炉热效率之间的关系,结果表明,天然气再燃技术能够有效地降低NO,的排放量,且燃料燃烧充分,煤粉炉热效率较高,给出了在保证煤粉炉较高热效率前提下,有效降低NO4排放的天然气再燃量、天然气投射位置以及再燃烧区过量空气系数,NO2排放浓度的计算值与试验值的变化趋势基本保持一致,表明计算方法可用于工程实际,对现有锅炉进行一定的结构改造,通过天然气再燃可达到高效降低NO排放的目的关键词:热能动力工程;天然气;再燃;NO2脱除;数值模拟中图分类号:TK121文献标志码:A0引言及炉膛中心温度沿炉膛长度分布的影响煤作为世界上大量消费的一次能源其利用1数学模型及数值方法方式主要是燃烧,但已造成了严重的大气污染燃烧排放的污染物主要有NO、二氧化碳、固体粒11数学模型子(包括未燃烧和部分燃烧)等其中NO2在大气煤粉在炉膛内燃烧是一个复杂的过程涉及气相流动和湍流燃烧、颗粒运动、挥发分析出、焦中的含量,从19世纪50年代起至少增加了3倍在各种降低NO2排放的技术中燃料再燃技术是炭燃烧、辐射换热21等.各模型的建立极大地最为行之有效的方法之一~,天然气因为其本影响着数值计算的结果身不含氮、灰和硫,因此不会加重NO4的排放水气相的湍流流动采用标准k方程模型微分平,也不会产生腐蚀性化合物,且能比其他燃料产方程为生更多的烃根,故被认为是最理想、最广泛使用的再燃燃料,通过揭示天然气再燃过程NO的生G+Gr-p-YM+S成和控制机理,研究工艺参数的最优配置是当前亟3「+丛)e待解决的问题.虽然国内外对此进行了不少的实验十与计算研究1,但多将重点集中在NO2脱除率Cl.(G4+CaG)一上,对于锅炉热效率和燃烧效率的研究少有报道本文在全面分析煤粉炉天然气再燃烧的燃烧特点k+S基础上,借助计算软件 FLUENT6.1对煤粉炉的天然气再燃过程进行数值模拟,考察再燃量、再燃其中GGB = Ag燃料投射位置(再燃燃料喷口距主燃料喷口的距离)及再燃区过量空气系数对出口烟气温度及C2aM,M=,/;C=1.44;中国煤化工NO2、CO2与CO的排放,飞灰含碳量v(UBC)以C4=1.3;C=CNMHG收稿日期:2007-01-10;修回日期:2008-11-13作者筒介:毕明树”(1962-),男,教授,博士生导师第1期毕明树等:天然气再燃过程与排放特性数值研究S4=S4=0.模型假定炭的表面反应速率由动力学速率或扩散气相湍流燃烧使用双混合分数概率密度函数速率确定.此模型假设颗粒大小不变,密度减小(PDF)模型,选取PPDF天然气以二次流、非经其扩散速率方程为验流形式注入这一模型的优点是,可以预测中间D。=C1[(T2-T)/2]°成分,而且不需要求解全部的组分输运方程,只需求解混合分数,然后根据混合分数再从 PrePDF化学(动力学)反应速率常数为软件生成的查询表中查询各组分.双混合分数R。=C2exp(-E/RTp)PDF模型与单混合分数PDF模型相比,PDF的根据二者不同的加权值得到焦炭的燃烧速率为积分是在 FLUENT中进行的,因此它对计算机DR。D+R。有更高的要求,而且计算时间也较长,但是相应地用P-1辐射模型计算辐射传热其计算精度也要高于单混合分数PDF模型并且在煤粉炉中生成的NO2中,主要是NO,约本文所研究的燃烧系统含有两种不同组成的燃料占95%而NO2仅占5%左右,并且是由NO氧流和一种氧化剂流,因此双混合分数PDF模型才化而来,N2O等的量极少,因此本文只考虑NO是有效的的生成,即文中NO2仅指NO.NO2的生成为3煤粉颗粒相流动采用随机轨道方法,计算中追踪了10×10个(取10个直径,每个直径取10部分:热力型、快速型和燃料型.本计算中对NO的生成采用后处理的方法.热力型NO2采用个)粒子extended Zeldovich机理计算.利用 DeSoete给出挥发分析出模型为双竞争反应热解模型.1977年 Kobayashi等提出了用两个平行竟争的的通用动力学参数对快速型NO2进行计算.对于燃料型NO2,计算中认为煤粉颗粒中的氮均匀分级反应来描述热解过程,即布于挥发分和焦炭中,即在两者中浓度相同.采用挥发分(V1)+剩下的炭(FC1)图1的反应机理:燃料N首先转化为中间产物煤HCN,然后部分HCN转化为NO.湍流对挥发分(V2)+剩下的炭(FC2)NO生成的影响采用温度和氧浓度的型概率密度函数来模拟以上两个反应中的反应速率系数k、k2服从Arrhenius定律:天然气空气k,= ko, exp(-E/RTP)1,2这一模型的特点是认为,存在着两个反应活焦炭N化能E1、E2和两个反应频率因子ka、ko,且E2>挥发分 N--HCN-L-NHCN,OH, O+O, HNOE1,ka>kn1这样,在低温时第一个反应起主要NO)作用,高温时则第二个反应起主要作用在中等温度时,两个反应均起主要作用.这就解决了单方程图1NO2生成反应机理热解模型只适用于等温过程的限制,它可应用于Fig 1 NO, form较广的温度范围,这是一个很大的改进.其中a1、a2、E1、E2、ko、kan均为实验系数.本文的计算煤1.2数值计算方法种为烟煤,试验表明对于烟煤的挥发分析出过程用结构化四边形网格对二维计算区域进行离各试验参数取以下各值比较合理1散-程,使用二阶迎中国煤化工E1=104.6kJ/mol,E2=167.4kJ/mol,风格PLE算法.在直CNMHGkn=2×105s-1,ka=1.3×107s-1,角坐J- wTIH解,采用TDMA法求解代数方程组焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型.此入口条件按进口均匀分布取值,给出各进口大连理工大学学报第49卷气固两相的流速质量流量和温度进口处湍流动粉的主要物性参数见表2,再燃燃料是体积分数能k取为进口处平均动能的3%进口处湍流动为CH496%和C2H64%的天然气,炉膛计算参数能耗散率按进口处的k值和进口特征长度计算.见表3出口条件按压力出口条件取值,壁面边界条件取无滑移条件,对于流体近壁区域采用壁面函数法一级燃烧区天然气燃尽风燃尽区2模拟对象及网格划分天然气燃尽风2.1模拟对象本文所计算的煤粉炉炉膛结构如图2所示单位为mm).炉膛长10m,宽1.0m,煤粉与空气的速度比取0.3煤粉炉为对称结构,有一个供图2煤粉炉结构示意图及计算域网格划分Fig. 2 The schematic diagram of coal-p煤粉和一次风射入的喷嘴(直流)两个二次风进furnace and calculation mesh气口、两个天然气再燃燃料进气口以及两个燃尽风进气口.其中煤粉入口与天然气人口之间的区表1煤质分析结果域为主燃烧区也称一级燃烧区;天然气人口与燃Tab. 1 The results of the coal-quality analysis尽风入口之间的区域为再燃区也称二级燃烧区;工业分析/%元素分析/%燃尽风入口至煤粉炉出口区域为燃尽区也称三级rcAv4 C H O S N(M·kg-")6482889.35.03.40.61.7燃烧区.主燃料为烟煤,煤质分析结果见表1,煤表2煤样的物性参数Tab 2 Physical parameters of the coal密度/(kg·m-3)比热容/(J·kg-1·K-1)导热系数/(W·m-1·K-1)扩散系数/(m2·s-1)膨胀系数发射率散射率表3炉膛计算参数线图可以看出,当网格节点达到22011时中心线Tab 3 Furnace parameters温度分布曲线就趋于稳定了,说明此时得到的数参数值参数数值值解具有网格独立性因此,本文拟采用网格节点煤粉温度/℃27‖煤粉速度/(m·s-1)为22011时的网格划分方法划分模型,此时既能次风温度/亡次风风速/(m·s-1)满足计算精度要求,也可节省大量的计算时间和二次风温度/C350二次风风速/(m·s-1)燃尽风温度/℃350燃尽风风速/(m·s-1)计算机资源天然气进气温度/℃50‖天然气进气速度/(m·8-1)25壁面温度/℃927煤粉颗粒平均粒径/pm12500节点-2201112.2网格独立性分析5100节点煤粉炉网格划分采用了结构化四边形网格,网格划分后的几何模型如图2所示,在煤粉的质量流量为0.08kg/s,再燃量Rn(再燃天然气燃烧产生的发热量占总发热量的比值)为20%一级燃烧区长度L1=6m,再燃区长度L2=2m,燃尽区长度L3=2m,总的过量空气系数为1.1,一级中国煤化工燃烧区过量空气系数为1.1,再燃区过量空气系CNMHG浅温度曲线数为0.8的工况下,计算了不同网格密度下的温Fig3 Example of centre temperature profiles度分布从图3不同网格密度中心线温度分布曲for meshes with different nodal densities第1期毕明树等:天然气再燃过程与排放特性数值研究排放浓度单调减小,NO2脱除率单调增大,变化3计算结果与分析幅度逐渐减小由于再燃量的增大,有较多的CHi下文所述飞灰含碳量w(UBC)为未燃碳质基团与NO2反应生成N2,有效降低了NO4的排量占飞灰质量的百分比NO脱氮率由下式定放量;另外天然气本身基本不含氮元素其在总燃料中所占的比例越大,总的燃料中含氮量就越ys&a(NO,)Prb(NO,)×100%少,燃烧产生的燃料型NO2量就越少,又因为燃料型NO2在煤粉炉产生的总的NO2中所占份额式中Pa(NO)为无再燃常规燃烧下的NO排放很高,因此最后生成的NO,量会降低,当再燃量进浓度值,Pn(NO2)为天然气再燃工况下的NO2步增大时,由于一级燃烧区内生成的NO4已经排放浓度值大部分被还原,NO2的降低幅度变得不明显3.1数值计算的有效性考核利用上述数学模型和数值计算方法对文献[l]中所述物理问题进行描述,并与试验数据进1400行比较结果见图4从图中可以看出在改变天120然气占总燃料配比的情况下,NO2出口浓度的计100算值与试验值的变化趋势基本保持一致,说明数600学模型与数值计算方法有效,其计算结果具有工程应用价值020图5NO排放浓度、NO,脱除率、CO与CO2体积分数、v(UBC)及温度在出口处随再燃量的变化Fig. 5 The influences of reburning fuel fraction on P(NO,RRt/%R10%图4数值结果与试验结果的对比Fig 4 Comparison of numerical and experimental results3.2再燃量对燃烧过程的影响1500在总燃料发热量不变,再燃区长度L2=2m,燃尽区长度L3=2m,总的过量空气系数为1.1,级燃烧区过量空气系数为1.1,再燃区过量空气系数为0.8的情况下,改变天然气发热量占总图6不同再燃量下炉膛中心温度沿炉膛长燃料发热量的百分比,分别取0、10%20%度变化30%、40%在上述参数下,计算出口烟气平均温Fig. 6 The furnace centre temperature distribution度,NO2、CO、CO2排放的平均值以及w(UBC),along the length with different reburn并给出炉膛中心温度沿炉膛长度的分布,探讨不中国煤化工同再燃量对燃烧过程的影响,结果如图5与图6CNMH分离出来在炉所示膛中部的再燃区二次燃烧使炉膛中心温度沿着从图5可以看出,随着再燃量的增大,NO炉膛长度变化的曲线在再燃区出现第二个峰值大连理工大学学报第49卷(如图6所示)燃料再燃还减少了燃料在炉膛的停留时间,推迟了燃料的燃尽,使炉膛出口烟气温2001600}度增高,并增加了飞灰含碳量.由于天然气有较好的燃尽性当再燃量控制在1%20%时,不但058可以大幅度降低NO2的排放量,使NO2脱除率最高可达到87.6%,而且炉膛内高温区域增大(如图6所示),出口烟气温升较小,w(UBC)在56789个很小的值0.63%以下,整个炉膛燃烧情况较好,燃烧效率较高.由于炉膛内髙温区域增大,控图7NO,排放浓度、NO2脱除率、CO与制得当可以提高煤粉炉的热效率CO2体积分数、(UBC)及温度在出33再燃燃料投射位置对燃烧过程的影响口处随L1的变化在总燃料发热量不变,天然气发热量占总燃Fig. 7 The influences of Ly on p(NO,),p, P(CO)料发热量20%总的过量空气系数为1.1,一级燃P(CO,), w(UBC) and temperature in the烧区过量空气系数为1.1,再燃区过量空气系数为0.8,燃尽区长度L3=2m的情况下,改变再燃燃料喷口距主燃料喷口的距离,即一级燃烧区长度L1分别取345、6、7、8m.由于燃尽风进气囗固定,那么对应的再燃区长度L2分别为5、4、3、2、1、0m.在上述参数下,计算出口烟气平均温L1=8mL=7m度,NO2、CO、CO2排放的平均值以及(UBC)L = 6mL=5m并给出炉膛中心温度沿炉膛长度的分布,探讨不L-4同再燃燃料投射位置对燃烧过程的影响,结果如图7与图8所示从图7中可以看出,NO2排放浓度随再燃燃图8不同L1下炉膛中心温度沿着炉膛长料喷口距主燃料喷口距离的增大先减小后增大,度变化存在一个最佳再燃燃料投射位置(L1=6m).如Fig8 The furnace centre temperature distribution果再燃燃料喷口离主燃料喷口太近,主燃烧区空along the length with different Li间缩短,会造成主燃料燃烧不充分,主燃烧区较多再燃燃料喷口距主燃料喷口距离的增大,会的剩余氧量进入再燃区削弱了再燃区的还原性缩短天然气在炉膛的停留时间导致不完全燃烧气氛致使NO被还原效果减弱;但当再燃燃料产物CO的排放量和UBC的增加虽然再燃燃料喷口离主燃料喷口太远由于燃尽风进气口固定,喷口距主燃料喷口距离的减小会带来燃烧效率的离燃尽风喷口就会太近即主燃烧区空间过长,再大輻度提高而使炉膛内高温区显著增大(如图8燃区空间过短,再燃燃料远离炉膛局部高温区,并所示),增加煤粉炉的热效率但综合考虑NO2脱且固定氮类化合物(NH1、 HCN NO、焦炭氮)在除率,再燃燃料喷口距主燃料喷口的距离即一级还原区停留的时间缩短,一方面较低的温度不利燃烧区长度L1为5.0~6.0m,再燃区长度L2为于NO的还原反应,另一方面烟气在氧化性气氛2.0~3.0m时,较为合适中的停留时间增加,使NO2的生成量增加,再3.4H中国煤化工过程的影响方面由于固定氮类化合物在还原区停留的时间缩CNMHG发热量占总燃短,NO2还原反应不够充分,也增加了NO2的生料发热量燃区长度L2=2m,燃尽区长成量度L3=2m,总的过量空气系数为1.1,一级燃烧毕明树等:天然气再燃过程与排放特性数值研究区过量空气系数为1.1的情况下,改变再燃区过变化幅度较小,炉膛出口烟气温度与CO、CO2排量空气系数SR2,分别取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、放量变化不大,炉膛中心温度沿炉膛长度的分布1.0、1.1.在上述参数下,计算出口烟气平均温度,变化亦不大(如图10所示),这主要是由于天然气NO,、CO、CO2排放的平均值以及ω(UBC),并给良好的燃尽性和燃尽风的射入,使燃料燃烧完全,出炉膛中心温度沿炉膛长度的分布,探讨不同再保证了炉膛整体的放热率综合考虑以上各因素燃区过量空气系数对燃烧过程的影响结果如图再燃区过量空气系数控制在08-~0.9时,燃烧效9与图10所示果较好1804结论(1)本文采用 FLUENT软件选用适当的模4200000型对煤粉炉天然气再燃烧过程进行了数值模拟计算结果与试验结果吻合,表明了所用数学物理模型和几何结构模型的合理性.其计算结果具有工程应用价值050607080.91.01.1(2)对影响NO2排放因素进行了分析,得到了再燃量、再燃燃料投射位置和再燃区过量空气图9NO2排放浓度、NO4脱除率、CO系数与NO2排放的关系.随着再燃量的增加与CO2体积分数、(UBC)及温NO2的排放浓度减小;NO2排放浓度随再燃燃料度在出口处随SR2的变化喷口距主燃料喷口距离的增大先减小后增大,存Fig 9 The influences of SR on p(NO,), 7.在一个最佳再燃燃料投射位置L1=6m;在再燃P(CO),P(CO ) w( UBC)and区过量空气系数逐渐增大的过程中,NO2的排放temperature in the outlet量逐渐增大,(3)天然气再燃烧能显著降低NO4的排放量,并且炉膛的热效率较高,燃料燃烧充分.本计算中,当再燃量在10%~20%再燃燃料喷口距SR205主燃料喷口的距离即一级燃烧区长度L1为5.0SR2=06SR2=07~6.0m,再燃区长度L2为2.0~3.0m,再燃区SR2=08过量空气系数SR2为0.8~0.9时,综合燃烧效SR2=09SR2=10果较好SR2=112345参考文献:图10不同SR2下炉膻中心温度沿着炉膛1] SMOOT L D, HILL S C.xUH,Marl长度变化through reburning [J]. Progress in Energy andFig. 10 The furnace centre temperature distributionCombustion Science, 1998. 24(5): 385-408along the length with different SR,[2] TREE D R, CLARK A W. Advanced reburningmeasurements of temperature and species in a从图9可以看出,NO2排放浓度随再燃区过pulverized coal flame []. Fuel, 2000, 79(13)量空气系数SR2的增大而增大这是由于再燃区空气量的增加增加了再燃区内的氧气量,不利于[3]中国煤化工-ACOb A P, e alNO2的还原,导致NO2的排放量增大.再燃区过CNMHzed coal flame with量空气系数SR2的减小会导致燃料在再燃区燃烧natural gas reburning [J]. Fuel, 1999, 78(6):不充分,使飞灰含碳量增加在本例中,u(UBC)的689-699大连理工大学学报第49卷[4] MACAHEY S, MCMULLAN J T, WILLIAMS Breburning in a single-burner furnace [J]. ProceedingsC. Techno-economic analysis of NO, reductionof the Combustion Institute, 2007, 31(2):2795-2803technologies in p.f. boilers[J.rue,199,[10]张忠孝姚向东,乌晓江,等.气体再燃低NO排放78(14):1771-1778特性试验研究[冂].中国电机工程学报,2005,[5] HAN Dong-hee, MUNGAL M G, ZAMANSKY VI5(9):99-102M. 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FLUENT Users Guide Version 6.1 [M].simulation of nitric oxide destruction by gaseous fuelLebanon; FLUENT Inc, 2003Numerical study of process and emissionscharacteristics of natural gas reburningI Ming-shu, JIA Yan-yan, LI FangSchool of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116012, ChinaAbstract: The numerical simulation with CFD software FLUENT6. 1 on natural gas reburning incoal-powder furnace was conducted to study the relationship between pollutants (NO,, CO and cO)emissions, unburned carbon in fly ash(UBC) and heat efficiency of coal-powder furnace. The resultsindicate that natural gas reburning can effectively reduce NO, emission while keeping fuel fullyburning and high heat efficiency. The optimum range of natural gas fraction, injection location ofreburning fuel and stoichiometric ratio in rich zone are proposed. The computational results are ingood agreement with the experiments, which indicates that the numerical calculation method haspractical value of application inering. It is suggested that through a certain extentreconstruction to boilers, the gas reburning technology can reach a low level of NO emission.Key words: thermal power engineering; natural gas; reburning: NO, reduction; numerical simulation中国煤化工CNMHG