許 揚(yáng),黃 騫,宋民航，李水清

(1. 中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 清華大學(xué) 能源與動力工程系,北京 100084；3. 中國科學(xué)院 過程工程研究所,北京 100190)

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全國煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，在我國能源供給中依然占有舉足輕重的地位。煤炭提供了我國65%的發(fā)電量，同時也是鋼鐵、建材、化工等產(chǎn)業(yè)重要的燃料和原料。煤炭的基礎(chǔ)能源地位是由我國“多煤少油缺氣”的能源結(jié)構(gòu)所決定的，并且在短期內(nèi)，這種情況不會發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。對燃煤鍋爐來說，煤粉顆粒著火過程的快慢及其穩(wěn)定性直接決定了燃煤鍋爐運(yùn)行的火焰穩(wěn)定性，是機(jī)組寬負(fù)荷靈活調(diào)峰運(yùn)行的關(guān)鍵因素。此外，煤粉燃燒初期(包括揮發(fā)分燃燒階段)也產(chǎn)生大量污染物，特別是氮氧化物(NO)生成量可達(dá)煤粉燃燒全過程N(yùn)O生成總量的70%以上。因此，研究煤粉燃燒初期的著火行為對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性以及污染物生成控制具有重要意義。

煤粉顆粒的著火特性研究可追溯至20世紀(jì)六七十年代。JüNTGEN和VANHEEK最早提出了煤粉的不同著火模式：非均相著火、均相著火、及聯(lián)合著火模式。其中，非均相著火指在煤粉顆粒表面的直接著火行為，而均相著火指在煤粉氣相邊界層內(nèi)揮發(fā)分的著火。著火模式反映了顆粒相和氣相反應(yīng)之間的競爭關(guān)系，因此可作為表征煤粉顆粒著火穩(wěn)定性的重要參數(shù)。章明川和徐旭常提出以氣相可燃?xì)怏w著火極限作為著火判據(jù)，為后期煤粉顆粒著火研究提供了理論基礎(chǔ)。近年來，煤粉顆粒著火的機(jī)理研究取得了較大進(jìn)展，根據(jù)研究對象的不同，可分為單顆粒著火和顆粒群著火行為研究。RIAZA等和LEVENDIS等分別基于滴管爐實(shí)驗(yàn)臺，利用高速攝影技術(shù)研究了單顆粒燃燒行為，系統(tǒng)地分析了煤種、周圍氣氛對顆粒著火延遲時間、顆粒燃燒溫度、燃燒時間的影響。LEE等觀察研究了單個顆粒在高溫氣流中的燃燒特性。在煤粉顆粒群著火研究方面，YUAN等利用可見光光譜法系統(tǒng)研究了多元擴(kuò)散平焰燃燒器上煤粉顆粒流的著火行為。LIU等研究了溫度、粒徑、氧氣濃度及給粉量等參數(shù)對煤粉顆粒群著火的影響，并提出綜合體現(xiàn)各參數(shù)影響的“Group number”。除了實(shí)驗(yàn)觀測，數(shù)值模擬可通過耦合煤粉熱解模型與氣相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，探究煤粉顆粒燃燒初期著火和揮發(fā)分燃燒行為。VASCELLARI等通過火焰面模型，研究了煤粉顆粒著火階段的溫度及氣相組分分布，模擬所得著火延遲時間及時間平均OH分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好。GOSHAYESHI等通過模擬的CH基團(tuán)信號來表征煤粉顆粒的著火情況，并比較了不同熱解模型及不同氣相模型對著火過程預(yù)測結(jié)果的影響。值得注意的是，上述工作較多關(guān)注煤粉顆粒的氣相著火，而缺乏對煤粉顆粒著火模式的辨析。近期，YUAN等和XU等采用單顆粒瞬態(tài)著火模型對煤粉單顆粒的著火模式進(jìn)行了預(yù)測，并選取特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)了煤粉著火模式的定量表征，這也是對煤粉著火穩(wěn)定性的量化表征。但該一維瞬態(tài)模型僅能解析一維(徑向)的氣相溫度、組分分布，無法完整反映流場中顆粒周圍空間分布的不均勻性。同時，該模型僅能預(yù)測單顆粒著火行為。當(dāng)燃燒器出口煤粉質(zhì)量濃度局部偏高，或?qū)t內(nèi)燃燒進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控時，需進(jìn)一步研究煤粉顆粒附近的氣相組分分布以及顆粒間距對煤粉顆粒著火延遲時間及著火模式的影響。

基于以上研究現(xiàn)狀，筆者主要針對顆粒間距對煤粉顆粒著火行為的影響開展數(shù)值模擬研究，詳細(xì)解析不同顆粒間距下煤粉顆粒之間的相互作用。通過改變煤粉顆粒間距，研究不同顆粒間距下煤粉顆粒群著火行為的演化，著重探討煤粉顆粒著火延遲時間以及著火模式的變化規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 研究方法

圖1 研究思路Fig.1 Research mentality

1.2 計(jì)算設(shè)置

圖2 氣相揮發(fā)分燃燒數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical simulation model for volatilecombustion in gas phase

1.3 單顆粒溫升及揮發(fā)分釋放特性

設(shè)定燃燒工況為1 500 K-0.2O，即來流溫度為1 500 K，來流中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)為0.2，氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)為0.8。采用的煤種為一種典型煙煤，其固定碳、揮發(fā)分和灰分分別為55.52%，24.11%和20.37%，高位發(fā)熱量為25.26 MJ/kg。主要關(guān)注層流工況下煤粉顆粒的燃燒，故設(shè)置來流速度為0.5 m/s。圖3為該工況下，采用前述一維瞬態(tài)單顆粒著火模型計(jì)算得到的煤顆粒溫度及揮發(fā)分釋放速度(質(zhì)量通量)的演化。

圖3 基于單顆粒模型計(jì)算得到的1 500 K-0.2O2工況下顆粒溫度和揮發(fā)分釋放結(jié)果Fig.3 Evolution of particle temperature and volatile releasein 1 500 K-0.2O2 based on single particle model

由圖3可以知，在煤粉實(shí)際燃燒過程中，揮發(fā)分的釋放速率隨時間會出現(xiàn)多個峰值，本工況下有2個峰值較為突出，分別在16.0 ms和19.0 ms附近。將各峰值分別進(jìn)行擬合(圖3中彩色曲線)，并將揮發(fā)分釋放速率曲線與該工況下對應(yīng)的顆粒升溫曲線作為CFD模擬中顆粒與氣相交界處的邊界條件。

對于煤粉顆粒著火行為，經(jīng)典著火理論分別定義了非均相著火和均相著火行為。其中，非均相著火時間()定義為顆粒溫升曲線的拐點(diǎn)，即d/d=0；均相著火時間()則基于氣相溫度分布定義：當(dāng)某一時刻下的氣相溫度分布出現(xiàn)了較顯著的局部極大值，即代表該處化學(xué)反應(yīng)速率升高，則認(rèn)為該時刻發(fā)生了均相著火。按照上述準(zhǔn)則，利用單顆粒著火模型計(jì)算得到1 500 K-0.2O工況下，70 μm煤顆粒的非均相著火延遲時間為12.2 ms，對應(yīng)的均相著火時間為15.0 ms。

2 結(jié)果及分析

2.1 單顆粒氣相著火及燃燒特性

針對單顆粒燃燒，圖4給出了1 500 K-0.2O工況下采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬得到的氣相揮發(fā)分均相燃燒特性。彩圖為流體時間為16.8 ms和21.0 ms時溫度(圖4(a))和OH信號的空間分布(圖4(b))，曲線圖為對應(yīng)時刻顆粒徑向(指向顆粒下游)的氣相溫度分布。計(jì)算結(jié)果顯示，煤粉顆粒進(jìn)入高溫場16.8 ms后發(fā)生揮發(fā)分的氣相著火，著火點(diǎn)最開始出現(xiàn)在顆粒下游。之后，火焰面由下游逐漸向上游發(fā)展，至21.0 ms時，火焰面達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在顆粒周圍形成完整的火焰包絡(luò)面。此外，氣相溫升與OH信號增強(qiáng)基本同步，在21.0 ms時，氣相溫度最高可達(dá)2 100 K。

圖4 1 500 K-0.2O2工況下單顆粒氣相揮發(fā)分燃燒過程演化Fig.4 Evolution of volatile combustion for singleparticle in 1 500 K-0.2O2

注意到詳細(xì)CFD模擬與前述單顆粒著火模型(基于一步反應(yīng)機(jī)理)均可求得氣相著火延遲時間，2者對比如圖5所示。圖5還給出單顆粒著火模型求得的非均相著火延遲時間。由圖5可以看出，相比單顆粒著火模型(一步氣相反應(yīng)機(jī)理)，采用CFD詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算得到的氣相揮發(fā)分著火延遲時間更大，但均高于非均相著火延遲時間。這表明，在設(shè)定工況下，煤粉顆粒的非均相著火先于均相著火發(fā)生。因此，可認(rèn)為將顆粒相和氣相單向解耦的計(jì)算方式能正確判別特定條件下煤粉顆粒的著火模式。

圖5 1 500 K-0.2O2工況下不同氣相反應(yīng)機(jī)理計(jì)算著火延遲時間的比較Fig.5 Comparison of ignition delay time calculated bydifferent gas phase kinetics in 1 500 K-0.2O2

2.2 雙顆粒氣相著火及燃燒特性

在上述單顆粒研究的基礎(chǔ)上，在上游顆粒P1的下游加入相同粒徑的煤粉顆粒P2，探究煤粉顆粒間距對氣相揮發(fā)分著火和燃燒特性的影響。圖6給出了當(dāng)顆粒間距為6(6倍顆粒粒徑)時，氣相揮發(fā)分燃燒的溫度和OH濃度分布隨時間的演化。值得指出的是，當(dāng)顆粒間距為6且其他條件不變時，P2比上游顆粒P1晚0.84 ms進(jìn)入高溫場，即溫升和揮發(fā)分釋放均較上游顆粒滯后0.84 ms。從計(jì)算結(jié)果可以看出，氣相揮發(fā)分著火大約發(fā)生在流體時間13.9 ms，初始著火點(diǎn)位于P2的下游，而在P1下游、P2上游區(qū)域未獨(dú)立發(fā)生氣相著火。對比單顆粒工況，上游顆粒P1的著火延遲時間從16.8 ms提前至13.9 ms，提前了2.9 ms；下游顆粒P2的著火延遲時間相較于單顆粒工況下的16.8 ms提前了3.74 ms(需考慮P2本身進(jìn)入流場時間滯后0.84 ms)。因此，相較單顆粒工況(顆粒間距無窮大)，雙顆粒工況時上、下游顆粒的均相著火均提前。隨著時間進(jìn)一步推移，揮發(fā)分火焰面逐漸向上游擴(kuò)展，一直延伸到P1上游。值得注意的是，OH濃度分布反映出間距6的2個煤粉顆粒在燃燒中最終形成一個整體的包絡(luò)面，而非2個單獨(dú)的火焰包絡(luò)面。

圖6 顆粒間距為6d的雙顆粒工況下溫度和OH信號分布演化Fig.6 Evolution of temperature and OH distribution under the condition with particle spacing of 6d

圖7比較了2個工況下(單顆粒工況、顆粒間距為6)流體時間13.9 ms時沿徑向(指向下游)的顆粒溫度和CH，O，CH和OH的空間分布。圖7(a)為單顆粒工況，圖7(b)為顆粒間距6的雙顆粒工況?？梢娫摃r刻，單顆粒工況下的氣相溫度沿徑向未發(fā)生明顯變化；CH和OH基團(tuán)分布也表明此刻氣相中并未形成較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)。因此，單顆粒工況在此時刻并未著火。而雙顆粒工況下，流體時間13.9 ms時的氣相溫度分布明顯不同。圖7(b)的紅色虛線表示下游顆粒的位置。由于下游顆粒P2的加入，使得P2下游揮發(fā)分氣體的濃度升高。在該時刻，P2顆粒下游175 μm處的OH及CH基團(tuán)濃度出現(xiàn)峰值，且局部氣相溫度升高，發(fā)生氣相著火。因此，相較于單顆粒工況，雙顆粒工況更易在下游顆粒附近達(dá)到氣相著火極限而發(fā)生均相著火。

圖7 流體時間13.9 ms時單顆粒和顆粒間距為6d的雙顆粒工況下溫度和組分空間分布Fig.7 Temperature and species distribution of single particle and two particles with particle spacing of 6d at 13.9 ms

上述分析顯示，在給定顆粒溫度歷史(即非均相著火延遲時間相同)情況下，顆粒間距為6的雙顆粒工況下煤粉顆粒的氣相(均相)著火與單顆粒有較大差異，且上、下游顆粒間的著火行為也存在較大差異。選取均相著火與非均相著火延遲時間的差值，即Δ=-，作為表征著火模式的特征參數(shù)。顯然，Δ越大，表示均相著火越滯后，煤粉顆粒的著火模式越傾向非均相著火主導(dǎo)；反之著火模式向均相著火傾斜。根據(jù)前述結(jié)果，對于研究工況，單顆粒著火模型所預(yù)測的非均相著火延遲時間(顆粒溫升曲線拐點(diǎn))為12.2 ms。CFD計(jì)算結(jié)果表明，單顆粒工況均相著火延遲時間為16.9 ms，對應(yīng)的著火模式特征參數(shù)Δ=4.7 ms；對于顆粒間距為6的雙顆粒工況，上游顆粒對應(yīng)的著火模式特征參數(shù)為1.7 ms，下游顆粒對應(yīng)的Δ=0.86 ms?？梢?，顆粒間距為6的雙顆粒工況下，兩顆粒的著火模式均較單顆粒向均相著火傾斜(Δ減小)，且下游顆粒的傾斜趨勢較上游顆粒更顯著。

圖8 不同顆粒間距下的均相著火延遲時間和著火模式特征參數(shù)Fig.8 Homogeneous ignition delay time and ignitionmode parameter in conditions with different particle spacing

2.3 顆粒間距對煤粉顆粒著火的影響

進(jìn)一步改變2顆粒的間距，研究顆粒間距對煤粉顆粒著火延遲時間和著火模式的影響。圖8給出了不同顆粒間距時上游顆粒P1和下游顆粒P2氣相著火延遲時間和著火模式的變化情況。橫坐標(biāo)的無窮遠(yuǎn)代表單顆粒工況?？梢?，當(dāng)兩顆粒間距由無窮遠(yuǎn)逐漸縮小時，上游顆粒P1和下游顆粒P2的氣相著火延遲時間均逐漸降低，且下游P2顆粒的氣相著火始終較P1有所提前。當(dāng)顆粒間距縮小至8時，兩顆粒的氣相著火延遲時間均大幅階躍式降低。通過分析火焰結(jié)構(gòu)可知，均相著火延遲時間的躍變主要與氣相的火焰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)捩相關(guān)。當(dāng)顆粒距離較遠(yuǎn)(9～無窮遠(yuǎn))，每個顆粒被近球形氣相火焰單獨(dú)包圍；而當(dāng)顆粒間距減小至8時，雙顆粒工況下的揮發(fā)分火焰由2個單獨(dú)的火焰面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€完整的火焰包絡(luò)面。顆粒間距為6時的結(jié)果如圖6所示。因此，所觀察到的火焰面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與著火延遲時間變化具有較好一致性，也表明揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致在顆粒間距為8附近氣相著火延遲時間大幅度降低的主要原因。進(jìn)一步地，將研究結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的研究進(jìn)行對比。文獻(xiàn)[16]研究了顆粒間距對煤粉顆粒揮發(fā)分燃燒情況及火焰結(jié)構(gòu)的影響。在顆粒雷諾數(shù)=2的工況下，當(dāng)顆粒間距大致為20時，出現(xiàn)了單顆粒和顆粒群組的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。而本文所研究的工況下，顆粒雷諾數(shù)約為0.65，較小的雷諾數(shù)降低了顆粒邊界層由于對流導(dǎo)致的組分輸運(yùn)，在顆粒粒徑為8時即出現(xiàn)了揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)捩。圖8空心點(diǎn)連線進(jìn)一步示出各間距下的著火模式特征參數(shù)，可見相較于單顆粒工況，隨著顆粒間距的縮小，上、下游顆粒都向均相著火主導(dǎo)的區(qū)域傾斜。類似地，當(dāng)顆粒間距≤8時，揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，Δ大幅降低，著火模式向均相著火主導(dǎo)區(qū)域發(fā)生大幅偏移。同時，相較上游顆粒，下游P2顆粒向均相著火傾斜的程度更強(qiáng)。這表明，當(dāng)保持其他環(huán)境條件一致，縮小顆粒間距會使煤粉顆粒的著火模式向均相著火偏移，且下游顆粒偏移程度顯著高于上游顆粒。

2.4 顆粒間距對煤粉顆粒周圍氣氛影響

圖9為流體時間20.0 ms時，單顆粒和顆粒間距6時的氧氣及揮發(fā)分(CH為代表)濃度的空間分布云圖?？梢姡瑢︻w粒間距6的雙顆粒工況，由于形成完整的火焰包絡(luò)面，顆粒周圍出現(xiàn)較大的貧氧區(qū)域。貧氧區(qū)域的產(chǎn)生對煤粉燃燒中間產(chǎn)物(如NO)的生成有重要影響。追蹤上游顆粒P1表面質(zhì)點(diǎn)的跡線，并比較不同顆粒間距下質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷跡線上的氧氣濃度歷史，如圖10所示?？梢钥闯觯?dāng)顆粒間距減小，流體在低氧濃度區(qū)域停留時間延長。同時，在相同顆粒間距(5)時增加下游顆粒數(shù)目，也會導(dǎo)致流體在低氧濃度區(qū)域停留時間增加。這意味著揮發(fā)分中的含N組分在低氧區(qū)域的停留時間增加，對后期NO的生成有一定的抑制效果。因此，減小顆粒間距會擴(kuò)大富燃貧氧區(qū)域，抑制燃燒過程中NO的生成。

圖9 單顆粒和顆粒間距為6d時顆粒邊界層氧氣濃度和揮發(fā)分濃度分布Fig.9 Distribution of oxygen and volatiles in particle vicinityfor single particle and particle spacing of 6d

注：P代表顆粒，1P代表單顆粒圖10 不同顆粒間距下質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷跡線上的氧氣濃度Fig.10 Oxygen concentration history on thetrace line for particles with different spacing

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)兩煤粉顆粒間距較大(>8)，顆粒群的著火與單顆粒著火類似。而當(dāng)顆粒間距較小(≤8)，煤粉顆粒的氣相燃燒行為與單個煤粉顆粒有較大的差異，氣相揮發(fā)分火焰結(jié)構(gòu)由多個獨(dú)立的近球狀火焰面轉(zhuǎn)捩為連續(xù)的顆粒團(tuán)簇火焰。

(2)當(dāng)兩煤粉顆粒間距較小(≤8)，時，顆粒間的相互作用導(dǎo)致上游和下游顆粒的揮發(fā)分著火均發(fā)生提前，煤粉顆粒的著火模式向均相著火主導(dǎo)傾斜，且下游顆粒著火模式傾斜更為明顯。

(3)煤粉顆粒間距縮小、多顆粒燃燒形成火焰包絡(luò)面，會導(dǎo)致顆粒周邊富燃貧氧區(qū)域擴(kuò)大，這對燃燒過程中NO等對氧氣濃度較敏感的污染物生成有一定的抑制作用。