徐皓鵬，任少輝，邵敬愛,3，曾 闊，楊海平，張世紅，陳漢平

(1.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074;2.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120;3.深圳華中科技大學(xué)研究院，廣東 深圳 518007)

0 引 言

中國是煤炭大國，目前燃煤發(fā)電是我國電力的主要來源，不僅消耗大量不可再生的煤炭資源，而且所排放的污染物對環(huán)境也造成了嚴(yán)重的污染[1]。REN21發(fā)表的《2016年全球可再生能源現(xiàn)狀報告》明確表示，可再生能源已在許多國家占據(jù)主流能源地位，截至2015年底，可再生能源的發(fā)電量占全球發(fā)電量的23.7%[2]。我國使用可再生能源發(fā)電落后，需大力發(fā)展可再生能源技術(shù)。生物質(zhì)在我國不僅分布廣、資源豐富，采用生物質(zhì)氣化氣與煤混合燃燒發(fā)電具有建設(shè)成本低、原料成本可控、節(jié)能減排效果好、通用性好、對原系統(tǒng)影響小等優(yōu)點，適用于大規(guī)模電站，且高溫氣化氣中攜帶的大量未凝結(jié)焦油可直接燃燒利用，減小能量損失[3]。

生物質(zhì)氣化混燃不僅能節(jié)約煤炭資源，利用多余廢棄生物質(zhì)，且能降低鍋爐燃燒產(chǎn)生的污染物。目前已有許多學(xué)者對可燃?xì)馀c煤混燃和再燃進(jìn)行了研究。趙萬里[4]發(fā)現(xiàn)，含焦油生物質(zhì)氣與層燃爐燃煤混燃可降低NOx排放。楊睿[5]研究了四角切圓鍋爐生物質(zhì)氣與煤粉混燃的特性，發(fā)現(xiàn)提高混燃比例，可降低NO的生成量，最高可脫除71%的NO。張小桃等[6]研究混燃對四角切圓鍋爐燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)混燃比例上升時鍋爐中心的溫度不斷下降，鍋爐內(nèi)氣體擾動增強(qiáng)。盧毅[7]基于300 MW機(jī)組模擬生物質(zhì)氣與煤混燃過程，發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)氣混燃比從0上升到20%，爐膛內(nèi)的最高燃燒溫度從1 544 ℃降至1 466 ℃，O2的最大濃度呈下降趨勢，NOx濃度由662.68×10-6降至414.89×10-6。文獻(xiàn)[8-13]分別研究了生物質(zhì)氣再燃對污染物排放影響，王知溥[14]、吳麗燕[15]分別研究天然氣和燃?xì)庠偃紝Ox排放的影響，路建偉[16]和王春波等[17]分別對350 MW和300 MW的四角切圓鍋爐混燃高爐煤氣進(jìn)行模擬研究。

上述學(xué)者主要針對四角切圓鍋爐進(jìn)行研究，而針對對沖鍋爐與可燃?xì)饣烊?、再燃的研究卻較少。2種鍋爐具有截然不同的燃燒方式，與單層噴入生物質(zhì)氣的四角切圓鍋爐相比，帶旋流均勻噴入生物質(zhì)氣的對沖鍋爐可使?fàn)t膛內(nèi)生物質(zhì)氣與煤粉混合，燃燒更均勻，使整個燃燒器區(qū)處于還原性氛圍，從而控制污染物的生成。因此，本文采用Fluent軟件模擬了600 MW對沖鍋爐均勻噴入高溫生物質(zhì)氣與煤粉混合燃燒的過程，研究不同比例生物質(zhì)氣對鍋爐燃燒特性和污染物生成特性的影響，以期促進(jìn)生物質(zhì)氣化氣與煤粉混燃技術(shù)的發(fā)展。

1 數(shù)學(xué)模型

對沖鍋爐內(nèi)的流動和燃燒過程復(fù)雜，既包括煤粉的熱解、揮發(fā)、燃燒及生物質(zhì)氣的燃燒，也包括強(qiáng)烈的湍流流動、復(fù)雜的物理傳熱。模擬主要涉及的數(shù)學(xué)模型有連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍流模型、輻射換熱模型、離散相模型、氣相燃燒模型、煤粉揮發(fā)模型、焦炭燃燒模型和NOx生成模型[18-22]。

最常用的燃燒模型為組分輸運模型、非預(yù)混合PDF(probability density function)模型。本文模擬中生物質(zhì)氣從燃燒器外圈噴入，使入口處組分變化梯度極大，若使用非預(yù)混合PDF燃燒模型，需要在PDF表格中創(chuàng)建多個混合分?jǐn)?shù)節(jié)點，計算量增大，計算速度降低。因此，本文中的模擬最終選取組分輸運模型中的渦耗散模型，通過編輯化學(xué)反應(yīng)方程式，求解化學(xué)組分輸運方程得到反應(yīng)后的產(chǎn)物分布狀況，以此預(yù)測組分分布。選擇realizablek-ε湍流模型、歐拉-拉格朗日氣固兩相流模型、隨機(jī)軌道離散項模型、兩步競速煤粉揮發(fā)模型、擴(kuò)散/動力焦炭燃燒模型、P1輻射換熱模型與后處理NOx生成模型。

NOx在煙氣中所占比例很小，本文NOx模擬計算采用Fluent自帶的后處理污染物NOx模型進(jìn)行。根據(jù)不同的NO生成機(jī)理，將煤粉燃燒后產(chǎn)生的NO分為熱力型、快速型和燃料型3種。由于快速型NO生成量極小，因此，在后處理NOx模擬中忽略，僅將熱力型和燃料型的NO生成量納入考慮范圍。熱力型NO根據(jù)Zeldovich機(jī)理，考慮溫度對NO生成的影響下進(jìn)行模擬計算，模擬計算過程中[OH]和[H]計算均選擇部分平衡模型;燃料型NO根據(jù)DeSoete以及Smoot機(jī)理分為2部分，即揮發(fā)分產(chǎn)生的NO和焦炭產(chǎn)生的NO，再分別設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模擬計算，這2種形式的N含量按照煤粉中可燃基下的揮發(fā)分和焦炭含量進(jìn)行計算。本文假設(shè)煤粉揮發(fā)分中所有的N全部以HCN和NH3的形式釋放，再與氧反應(yīng)生成NO，而焦炭中包含的所有N以NO的形式釋放，以此計算NO的生成量，最后根據(jù)NO占NOx的比例約0.95，反算出NOx濃度[7]。

2 模擬對象概況

2.1 對沖鍋爐概況及網(wǎng)格劃分

模擬對象為某鍋爐廠制造的600 MW HG1952/25.4-YM1型超臨界對沖鍋爐，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐高63.844 m，寬22.187 m，深15.632 m。前后墻在鍋爐高15.344 m處向內(nèi)傾斜55°形成冷灰斗，冷灰斗底部有1 400 mm×22 187 mm的開口。鍋爐后墻高46.688 m處為鍋爐的折焰角，折焰角高3 725 mm，深3 442 mm。分別在鍋爐高18.351、22.194、26.037、29.880 m處布置了4層燃燒器。這4層燃燒器中每層均有低NOx軸向旋流燃燒器8只(三井巴布科克公司制造)。鍋爐高33.388 m處，有一層燃盡風(fēng)的噴口，共14只。

對鍋爐1∶1建模，使用ICEM對鍋爐進(jìn)行結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分，鍋爐尺寸較大，考慮到計算機(jī)性能，對整個鍋爐進(jìn)行適當(dāng)簡化。不考慮燃燒器結(jié)構(gòu)對鍋爐燃燒的影響，以圓和圓環(huán)平面代替燃燒器出口。將二次風(fēng)、三次風(fēng)簡化為一股旋流強(qiáng)度相同的二次風(fēng)，將內(nèi)直流外旋流的燃盡風(fēng)簡化為一股純旋流氣流，忽略中心風(fēng)，在二次風(fēng)外層增加一圈圓環(huán)型生物質(zhì)氣噴口。對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢查發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)75萬、85萬、100萬模型的模擬計算結(jié)果相差不大。選擇75萬網(wǎng)格進(jìn)行模擬計算，其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 工況參數(shù)及邊界條件設(shè)定

基于鍋爐BMCR工況，模擬超臨界對沖鍋爐說明書中的設(shè)計煤種與稻殼、木屑、麥稈和稻稈混合原料氣化生成的450 ℃生物質(zhì)氣混燃。煤粉和生物質(zhì)氣性質(zhì)分析見表1、2。

表1生物質(zhì)氣特性分析
Table1Characteristicanalysisofbiomassgas

研究了生物質(zhì)氣添加量為0、10%和20%時對鍋爐燃燒特性以及污染物生成特性的影響。

保持鍋爐輸入總熱量不變，調(diào)節(jié)生物質(zhì)氣混燃比(0、10%和20%)，根據(jù)鍋爐說明書的設(shè)計參數(shù)和均等配風(fēng)原則，以燃料理論空氣量1.2倍的總風(fēng)量進(jìn)行分配，不同混燃比時的參數(shù)設(shè)置見表3。

所有入口邊界條件采用質(zhì)量流量入口mass-flow-inlet，并對各個噴口按數(shù)量平均分配風(fēng)量，通過設(shè)置二次風(fēng)和燃盡風(fēng)的正負(fù)切向速度形成相鄰的相反旋流噴入鍋爐;出口邊界條件采用負(fù)壓為-100 Pa的壓力出口pressure-outlet;工作壓力為101 325 Pa;重力加速度-9.81 m/s2;燃燒器區(qū)域和燃盡區(qū)域的所有壁面溫度為1 000 K，其壁面的內(nèi)部輻射率為0.8;冷灰斗區(qū)壁面溫度為680 K，其壁面內(nèi)部輻射率為0.6。冷灰斗底部溫度為472 K;內(nèi)部輻射率為0.6。表4為入口和出口邊界的參數(shù)設(shè)定，湍流強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗值選取，水力直徑按照計算公式4倍的出、入口面積與其周長之比計算得到[23]。

表2煤粉工業(yè)分析和元素分析
Table2Proximateandultimateanalysisofcoal

工業(yè)分析/%MadVadAadFCad元素分析/% CadHadNadSadOad低位熱值/(MJ·kg-1)8.0031.469.2051.3467.203.810.830.4510.5225.05

表3不同混燃比時煤量、生物質(zhì)氣量和風(fēng)量設(shè)置
Table3Coalvolume,biomassgasvolumeandairvolumesettingindifferentco-combustionratio

混燃比/%總煤量/(kg·s-1)總生物質(zhì)氣量/(kg·s-1)總一次風(fēng)量/(kg·s-1)總二次風(fēng)量/(kg·s-1)總?cè)急M風(fēng)量/(kg·s-1)062.200128.35410.75102.691056.0029.41123.78396.1399.042049.7858.82119.23381.5095.38

表4入口和出口邊界條件參數(shù)設(shè)置
Table4Boundaryconditionparametersettingofentranceandexit

邊界名稱溫度/K湍流強(qiáng)度/%水力直徑/m一次風(fēng)噴口580100.800二次風(fēng)噴口580100.509燃盡風(fēng)噴口580100.700生物質(zhì)氣噴口730100.058出口1 300516.000

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果驗證

純煤粉鍋爐折焰角處橫截面的平均溫度約為1 342 ℃，較鍋爐說明書中的設(shè)計值1 414 ℃低72 ℃，誤差5.1%;鍋爐出口氧含量3.6%，較設(shè)計值3.5%高0.1%，誤差2.9%;鍋爐出口CO2含量14.9%，較設(shè)計值14.7%高0.2%，誤差1.4%，誤差均在可接受范圍內(nèi)。因此，可以認(rèn)為模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，通過該模擬研究的混燃結(jié)果較為可信。

3.2 不同混燃比對溫度場的影響

圖3為不同混燃比時，鍋爐的溫度場分布。

圖3 混燃比對溫度場的影響Fig.3 Influence of different co-combustion ratios on temperature field

從圖3可以看出，鍋爐燃燒狀況良好，火焰充滿度良好，溫度分布均勻?qū)ΨQ，且隨混燃比的增加，從左至右火焰顏色依次變淺，溫度降低，火焰范圍較純煤粉燃燒略增大。純煤粉時，鍋爐燃燒最高溫度約為1 857 ℃，10%、20%混燃比時約為1 807、1 757 ℃。隨著混燃比每增加10%，煙氣溫度降低50 ℃。由于燃燒單位熱值生物質(zhì)氣較燃燒單位熱值煤粉產(chǎn)生更多的煙氣，輸入鍋爐的總熱量始終不變時，混燃比上升，鍋爐產(chǎn)生煙氣量越大，煙氣平均溫度下降越明顯。由圖3(b)可知，相同層中混燃比越大，顏色越淺，即溫度越低，但顏色分布越均勻，這是由于生物質(zhì)氣極易與O2燃燒，每個燃燒器都噴入生物質(zhì)氣，使整個爐膛燃燒均勻。燃燒器由下至上，顏色加深，這是因為爐膛下部缺氧，隨著鍋爐高度增加，噴入鍋爐的空氣增多，煤粉燃燒加劇，在燃盡風(fēng)和最上層燃燒器間，由于大量的燃盡風(fēng)噴入鍋爐，此處O2最充足，燃燒最劇烈。

圖4為不同混燃比時，溫度隨爐膛高度的變化?？梢钥闯?，隨鍋爐高度的增加，沿鍋爐高度變化的橫截面平均溫度先迅速上升，在燃燒器區(qū)15～28 m煙氣溫度達(dá)最大，隨著28 m處燃盡風(fēng)的噴入，煙氣溫度逐漸下降，燃燒逐漸完全，在43 m處出現(xiàn)拐點，即煙氣經(jīng)過折焰角時加強(qiáng)了混合，使溫度上升。在0～14 m，混燃比越大，煙氣溫度越高;>14 m時，混燃比越大，煙氣溫度越低。純煤粉燃燒時，煤粉需吸收煙氣熱量達(dá)到揮發(fā)溫度而燃燒，生物質(zhì)氣噴入時，生物質(zhì)氣從二次風(fēng)外圈噴入鍋爐直接燃燒產(chǎn)生高溫，并迅速加熱煤粉，使煤粉提前燃燒，所以在鍋爐底部，相比于混燃生物質(zhì)氣工況，純煤粉工況更難燃燒，溫度低于混燃工況，而當(dāng)生物質(zhì)氣噴入量增加時，鍋爐內(nèi)燃燒反應(yīng)迅速發(fā)生，溫度相應(yīng)升高。但隨著高度不斷增加，純煤粉工況的煤粉開始燃燒，而混燃生物質(zhì)氣工況產(chǎn)生了大量煙氣，迅速帶走燃燒產(chǎn)生的熱量，使煙氣溫度低于純煤燃燒工況。

圖4 不同混燃比時溫度隨爐膛高度的變化Fig.4 Change of temperature with furnace height in different co-combustion ratio

3.3 不同混燃比對組分濃度的影響

圖5為不同混燃比下，O2、CO、CO2、SO2和NOx體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化。

圖5 不同混燃比下O2、CO、CO2、SO2和NOx體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化Fig.5 Variation of O2,CO,CO2,SO2和NOx concentration with furnace height in different co-combustion ratio

從圖5(a)可以看到，隨鍋爐高度增加，噴入鍋爐的空氣量越來越多，O2體積分?jǐn)?shù)緩慢上升，達(dá)28 m后，燃盡風(fēng)噴入，O2體積分?jǐn)?shù)迅速上升，而后隨著未燃盡物完全燃燒，O2體積分?jǐn)?shù)呈快速下降趨勢，并在43 m折焰角處出現(xiàn)拐點,O2體積分?jǐn)?shù)緩慢下降。隨混燃比上升，O2體積分?jǐn)?shù)均有一定程度的降低，依次為20%混燃比<10%混燃比<純煤粉，這也說明加入生物質(zhì)氣可促進(jìn)鍋爐內(nèi)不完全燃燒物的燃燒，使鍋爐碳轉(zhuǎn)化率提高。

從圖5(b)可以看出，在0～10 m的冷灰斗區(qū)域CO含量幾乎為0，隨著爐膛高度增加，在燃燒器區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)呈上下波動趨勢，純煤粉燃燒時的CO體積分?jǐn)?shù)最大，其次是10%混燃比，20%混燃比最低;28～50 m后，CO逐漸被燃盡，趨近于0。圖中4個峰值點均選取一次風(fēng)中心橫截面，隨著混燃比增加，噴入的煤粉量減少，揮發(fā)出的CO體積分?jǐn)?shù)減小;兩峰值中間的點選取相鄰燃燒器中點的橫截面，此處燃燒較為完全，且混燃比上升，反應(yīng)更為劇烈和完全，導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)更低。

從圖5(c)可以看出，CO2體積分?jǐn)?shù)在0～10 m冷灰斗區(qū)最高，隨鍋爐高度增加，噴入空氣增多，CO2體積分?jǐn)?shù)降低，28 m處燃盡風(fēng)噴入后，CO2體積分?jǐn)?shù)快速降低，因足夠O2的補(bǔ)充使大量未完全燃燒物完全反應(yīng)，CO2體積分?jǐn)?shù)上升，經(jīng)43 m折焰角后混合加劇，未燃盡物減少，上升速度變緩。冷灰斗區(qū)域，混燃比上升，CO2體積分?jǐn)?shù)增加明顯，這是因為混燃比上升，噴入生物質(zhì)氣增多，其易于燃燒，并使煤粉燃燒提前，煤粉在最下層燃燒器燃燒劇烈，產(chǎn)生大量的CO2并聚集在爐膛下部。而對于鍋爐的中上部，混燃比上升，CO2體積分?jǐn)?shù)略上升，這是由于此時3種工況燃燒情況均較好，但加入的生物質(zhì)氣越多，促進(jìn)反應(yīng)更強(qiáng)，未完全燃燒物更少，產(chǎn)生的CO2更多。

從圖5(d)可以看出，混燃比上升，SO2體積分?jǐn)?shù)明顯下降。在28 m前，純煤粉工況時，SO2體積分?jǐn)?shù)略有上升，10%混燃比時SO2體積分?jǐn)?shù)變化不明顯，而20%混燃比時的SO2體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢。SO2的生成與溫度有關(guān)，溫度越高生成量越大，純煤粉燃燒時，隨爐膛高度增加，溫度升高，煤粉逐漸燃燒完全，SO2生成量增大;而混燒生物質(zhì)氣時，燃燒較為均勻，煤粉從各燃燒器噴入使其提前燃燒，提前生成SO2且分布較均勻，隨爐膛高度增加，產(chǎn)生的煙氣量增大，一定程度上稀釋了SO2，使SO2體積分?jǐn)?shù)降低。隨著28 m處燃盡風(fēng)噴入，大量空氣進(jìn)入鍋爐使SO2體積分?jǐn)?shù)下降，隨后未完全燃燒物逐漸燃燒完全，SO2體積分?jǐn)?shù)又逐漸上升，經(jīng)過折焰角加強(qiáng)混合后，上升速率有所變化?；烊急壤仙?，SO2體積分?jǐn)?shù)整體均降低，證明生物質(zhì)氣化混燃有利于減少鍋爐SOx的排放。

從圖5(e)可以看出，不同混燃比時，NOx體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢大致相同，均是先增加，在燃盡風(fēng)噴入后，燃燒完全，逐漸平緩，經(jīng)過折焰角后又略有升高。但在15～28 m燃燒器區(qū)，可以看到純煤粉工況的NOx體積分?jǐn)?shù)增加最快，10%混燃比其次，20%混燃比最慢。純煤粉工況時，隨爐膛高度增加，鍋爐溫度升高，煤粉逐漸完全反應(yīng)，NOx體積分?jǐn)?shù)迅速增加，燃盡風(fēng)和最上層燃燒器中間，燃燒反應(yīng)最為劇烈，此時產(chǎn)生的NOx最多?；烊忌镔|(zhì)氣，促進(jìn)了煤粉提前燃燒，燃燒較為均勻，NOx生成量也較為均勻，僅隨爐膛高度上升，燃燒溫度上升，NOx體積分?jǐn)?shù)略有上升，且混燃比越大，燃燒越均勻，NOx上升越慢。混燃比例上升，NOx體積分?jǐn)?shù)整體降低，說明生物質(zhì)氣化混燃有利于減少鍋爐NOx的排放。

4 結(jié) 論

1)混燃比增加，生物質(zhì)噴入速度增加，增強(qiáng)了爐內(nèi)混合，有利于促進(jìn)鍋爐的燃燒，但產(chǎn)生的煙氣量增加，使鍋爐燃燒溫度整體降低，混燃比每增加10%，燃燒溫度降低50 ℃。

2)混燃比增加，鍋爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)下降，燃燒加劇，CO迅速完全反應(yīng)，CO2生成量增加。

3)鍋爐中主要污染物SO2和NOx體積分?jǐn)?shù)均下降，說明混燃生物質(zhì)氣對降低鍋爐污染物排放具有顯著作用。