王 俊，龍慎偉，馬同勝，牛勝利，王永征，韓奎華，路春美

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.山東豐源生物質發(fā)電股份公司，山東 棗莊 277300)

0 引 言

目前生物質與煤粉摻燒研究很多。王曉剛等[10]通過熱重試驗發(fā)現(xiàn)，摻燒木屑有利于提高混合燃料的燃燒效率，增加木屑摻燒比例更有利于燃料燃盡。葉江明[11]發(fā)現(xiàn)摻混生物質能減少NOx和SO2產(chǎn)生，且NOx和SO2質量濃度隨著摻混比例的升高而減少。KAZAGIC等[12]研究了波斯尼亞煤摻燒木屑和芒草，認為摻燒會生成更多CO，有利于還原NOx。

在數(shù)值模擬方面，PALLARéS等[13]研究了生物質不同粒徑、摻混比例及噴口位置對爐內(nèi)燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)生物質與煤混燃會略降低燃燒效率，生物質噴口布置在低位，且生物質粒徑0.5～1.0 mm時有利于燃料燃盡。張小桃等[14]通過研究煤粉爐耦合松木氣再燃過程，發(fā)現(xiàn)松木氣再燃可使NOx排放量減少28%以上。王凱[15]利用雙PDF模型模擬了生物質從不同一次風口噴入對鍋爐燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)從生物質最底層一次風口噴入，NOx濃度下降更明顯。TAN等[16]對比了Fluent中污泥混燃的子模型，發(fā)現(xiàn)渦耗散模型可以更充分考慮水分對燃燒的影響，更適合污泥混燃。目前大多數(shù)學者采用PDF模型模擬煤粉摻燒生物質，無法模擬燃燒過程中燃料水分析出對燃燒的影響，而渦耗散模型(Eddy-Dissipation Model，EDM)可以模擬燃料收到基為輸入條件，雖不能詳細考察基元反應，但考慮了燃料中水分對燃燒的影響，相比PDF模型其模擬結果更貼近實際。

筆者采用渦耗散模型對660 MW鍋爐煤粉摻燒生物質過程進行數(shù)值模擬。重點研究了生物質噴入位置及生物質粒徑對爐內(nèi)溫度場、組分濃度場和NOx排放的影響,以期為燃煤鍋爐實際摻燒生物質提供理論依據(jù)。

1 研究對象

研究對象為660 MW亞臨界參數(shù)、一次再熱、控制循環(huán)四角切圓燃煤鍋爐。鍋爐本體尺寸為56.995 m×16.440 m×19.558 m。鍋爐燃燒系統(tǒng)為中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，燃燒器每角布置6層一次風噴口、7層二次風噴口、2層頂燃盡風噴口，且一次風噴口與二次風噴口間隔布置。爐膛整體結構、燃燒器噴口布置和燃燒器四角切圓如圖1所示。

圖1 爐膛結構、燃燒器噴口布置與燃燒器四角切圓示意Fig.1 Boiler structure and nozzle arrangement,and tangential arrangement of burners

2 數(shù)學模型和計算方法

2.1 數(shù)學模型

鍋爐實際燃燒過程中會形成很強的旋流，相比標準k-ε模型，k-ε模型更適合模擬帶有旋轉的湍流流場[17]，因此采用可實現(xiàn)k-ε模型模擬氣相湍流。煤與生物質顆粒輸運采用隨機顆粒軌道模型，該模型考慮了湍流波動對顆粒軌跡的影響。采用雙步競爭速率模型模擬揮發(fā)分的析出。焦炭燃燒采用動力/擴散控制模型。輻射傳熱計算采用P1法。離散方法均采用一階迎風格式。PDF模型無法模擬煤粉摻燒生物質過程中水分析出對燃燒的影響[18]，導致模擬結果比實測溫度高，而渦耗散模型中燃料以收到基為輸入條件，能更精確模擬煤粉與生物質顆?；烊糩19]，因此采用渦耗散模型描述氣相燃燒過程。采用SIMPLE算法求解計算離散方程組的壓力和速度耦合，先計算獲得收斂的冷態(tài)流場，然后進行熱態(tài)計算，最后基于收斂的流場計算NOx濃度。由于快速型NOx生成量小，本模擬的NOx主要考慮熱力型NOx和燃料型NOx，其中熱力型NOx基于Zeldovich機理[20]，燃料型NOx根據(jù)De Soete機理分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx[21]。

2.2 網(wǎng)格劃分

本模擬在ICEM軟件中建模并分區(qū)進行網(wǎng)格劃分。將鍋爐爐膛分為冷灰斗區(qū)域、主燃燒器區(qū)域和爐膛上部燃盡區(qū)。為了減少燃燒中偽擴散影響，對主燃燒器及其噴口區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。為了兼顧計算量與網(wǎng)格質量，分別選用165萬、235萬、260萬網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證，最終選用網(wǎng)格數(shù)為235萬。網(wǎng)格質量0.4～0.5占比僅0.2%，且沒有網(wǎng)格質量小于0.4，滿足燃燒計算的要求。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 鍋爐中心截面和燃燒器截面網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid generation of the boiler centre sectionand burner section

2.3 邊界條件

一次風、二次風、燃盡風均設為速度入口。出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設為-100 Pa。爐膛壁面采用標準壁面方程，無滑移邊界條件。熱交換采用溫度邊界條件。燃燒器附近壁面設為900 K。再燃區(qū)和燃盡區(qū)壁面溫度設為800 K。冷灰斗底部壁面溫度設為473 K，周圍壁面溫度設為690 K。壁面輻射率均設為0.6[22]。

一方面，由于我國當前大多數(shù)建筑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展仍處于初級階段，在發(fā)展轉型方面仍存在諸多的不足和問題，我國相關政府部門應當制定出一系列切實可行的相關政策制度，有效推動我國互聯(lián)網(wǎng)+時代下建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。通過制定相應的可行的實施細則和具體規(guī)劃，明確每個人的職權，對現(xiàn)代化建設所需的措施進行有效的保障，從而搭建起高效的考核評價體系；另一方面，可以對建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設項目建立專項資金，在適當?shù)臅r機進行資金的撥付，或是對稅費進行適當?shù)臏p免，通過一系列相應的激勵政策引導并幫助傳統(tǒng)企業(yè)進行轉型升級。同時建立互聯(lián)網(wǎng)服務保障機制，凈化互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，有效加快建筑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

煤粉和生物質顆粒直徑均采用Rosin-Rammler分布，其中煤粉平均直徑為56 μm，生物質顆粒的平均直徑分別為50、100和200 μm。煤和生物質燃料的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 煤和生物質的工業(yè)分析及元素分析

2.4 研究工況

不改變鍋爐負荷，將一層煤粉噴口替換為生物質噴口，經(jīng)過計算生物質摻燒比例為16.7%，流量為14.36 kg/s。模擬了鍋爐單煤粉燃燒工況以及生物質摻燒比例16.7%[23]時，不同噴口位置、生物質粒徑與煤粉混燒的6個工況，具體見表2、3。

表2 燃料流量和鍋爐配風設置

表3 生物質平均粒徑和噴入位置設置

續(xù)表

3 煤粉鍋爐摻燒生物質數(shù)值模擬結果與分析

3.1 模型結果驗證

為保證所使用模型的可靠性和模擬結果的準確性，將模擬結果與文獻[24]中煤粉燃燒試驗測量數(shù)據(jù)進行比較，具體見表4。

表4 試驗測量值與模擬數(shù)據(jù)對比

由表4可知，爐膛出口煙氣溫度誤差為2.4%，爐膛出口煙氣中NOx平均質量濃度誤差為0.3%，模擬結果較準確，可進一步分析爐內(nèi)燃燒和NOx排放狀況。

3.2 生物質燃料噴入位置對溫度場的影響

煤粉單獨燃燒及在不同位置噴入粒徑50 μm的生物質工況下，爐膛中心截面的溫度分布如圖3所示。煤粉單獨燃燒以及摻燒粒徑50 μm生物質工況下，鍋爐各水平截面平均溫度沿高度方向的分布如圖4所示。

由圖3、4可知，4個工況高溫區(qū)均聚集在主燃燒器附近。對比原始工況與工況1～3，發(fā)現(xiàn)加入生物質燃料后，由于生物質著火所需溫度低、易燃盡、燃燒路徑短，燃料進入爐膛后迅速燃燒，進入冷灰斗區(qū)域的燃料較少，鍋爐中心下部溫度有所下降。由圖4可知，工況1～3在燃盡區(qū)前溫度均低于原始工況，這是由于工況1～3中燃燒器區(qū)域附近煤粉較少，且生物質燃料發(fā)熱量較低。生物質相對于煤粉更易燃燒[25]，消耗了煤粉燃燒所需氧氣，更多煤粉在燃盡區(qū)充分燃燒，使燃盡區(qū)及爐膛出口溫度均有所升高，具體而言，原始工況與工況1、2、3的出口溫度分別為1 435、1 489、1 491和1 489 K。隨著生物質燃料噴入位置的升高，鍋爐中心下部煤粉增多，發(fā)熱量提高，冷灰斗區(qū)域溫度有所回升。

圖3 鍋爐中心截面溫度場分布Fig.3 Distribution of temperature field on vertical cross-sections along the furnace height direction

圖4 截面平均溫度沿爐膛高度方向分布Fig.4 Distribution of mean temperature on horizontalcross-sections along the furnace height direction

圖5對比了原始工況1層一次風噴口與工況1生物質噴口(圖5(a)、5(b))、原始工況2層一次風噴口與工況2生物質噴口(圖5(c)、5(d))以及原始工況3層一次風噴口與工況3生物質噴口(圖5(e)、5(f))的溫度云圖。可知燃燒器區(qū)域溫度仍較高，但爐膛中心低溫區(qū)域明顯增多，說明生物質代替煤粉后，由于生物質燃點更低，發(fā)熱量少，生物質進入爐膛后很快著火并完全燃燒。

圖5 原始工況與生物質噴口橫截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the original condition and biomass nozzle

綜上可知，摻燒16.7%的生物質秸稈并未破壞原流場和溫度場的對稱性，與煤粉單獨燃燒相比，工況1～3爐膛水平截面平均溫度沿高度方向變化趨勢大致相同，但冷灰斗附近溫度有所下降，鍋爐出口煙溫升高。隨著生物質噴口位置的提升，爐膛中心下部溫度有所回升。

3.3 生物質燃料噴入位置對組分場的影響

煤粉單獨燃燒以及在不同位置噴入粒徑50 μm生物質工況下，鍋爐水平截面平均O2體積分數(shù)沿高度方向的分布如圖6所示，可知O2體積分數(shù)在不同工況下分布狀況基本一致，摻燒生物質后O2體積分數(shù)略升高，特別是冷灰斗部分區(qū)域。這是由于生物質代替部分煤粉所致，生物質燃燒耗氧量較少，且生物質燃料更易著火并完全燃燒，噴入生物質燃料后，附近局部空氣系數(shù)增大[26]，爐膛底部多余空氣無法及時被煤粉利用，O2體積分數(shù)升高。4種工況爐膛出口處煙氣O2體積分數(shù)為3.00%、3.26%、3.28%和3.28%，說明生物質燃料代替部分煤粉后，爐膛出口煙氣中O2體積分數(shù)有所升高，但隨著噴口位置變化O2體積分數(shù)變化不明顯。

圖6 沿爐膛高度方向的平均O2體積分數(shù)分布Fig.6 Distribution of average O2 volumefraction along the height of the furnace

煤粉單獨燃燒以及在不同位置噴入粒徑50 μm生物質工況下，鍋爐各水平截面平均CO體積分數(shù)沿高度方向的分布如圖7所示?？芍谥魅紵齾^(qū)域，煤粉燃燒劇烈，耗氧量大，但一次風不能滿足煤粉燃盡所需，因而產(chǎn)生較大量的不完全燃燒產(chǎn)物，CO體積分數(shù)高，隨著二次風的加入，在爐膛高度方向上O2體積分數(shù)逐漸提高，燃料得以充分燃燒，而CO體積分數(shù)降低。生物質燃料代替部分煤粉后，由于生物質更易著火并完全燃燒，消耗了大量O2，煤粉燃燒更不完全，CO體積分數(shù)明顯升高，且均在生物質噴口處達到峰值，但不同生物質噴口位置對最終CO體積分數(shù)無顯著影響。

圖7 沿爐膛高度方向的平均CO體積分數(shù)分布Fig.7 Distribution of average CO volume fractionalong the height of the furnace

3.4 生物質燃料噴入位置對污染物分布的影響

煤粉單獨燃燒以及在不同位置噴入粒徑50 μm生物質工況下，鍋爐各水平截面平均NOx質量濃度沿高度方向的分布如圖8所示，可知各工況煙氣中NOx平均質量濃度分布情況大致相同。在主燃燒區(qū)域，CO體積分數(shù)較高，還原性氛圍強，NOx平均質量濃度低。隨著燃料燃盡，產(chǎn)生的NOx增多，NOx平均質量濃度升高，最終逐漸趨于平穩(wěn)。工況1～3的NOx平均質量濃度明顯低于原始工況。這是由于生物質燃料中N元素含量遠少于煤粉，生物質燃料代替部分煤粉后，生成燃料型NOx較少。生物質燃料燃點低、揮發(fā)分高，生物質受熱分解后析出的碳氫化合物等揮發(fā)分成分有助于還原NOx反應的發(fā)生[27]，還原性氛圍易在燃燒初期形成，更利于還原NOx。生物質燃料從最下層一次風口噴入時，生物質燃料燃燒時間較早，易形成還原性氣氛，煙氣中NOx平均質量濃度更低。原始工況和工況1～3爐膛出口煙氣NOx平均質量濃度分別為298.92、243.79、282.84和255.02 mg/m3，其中工況1～3的NOx平均質量濃度相對于原始工況分別下降了18.4%、5.4%和14.7%。由此可見摻燒生物質燃料有助于降低NOx排放，且工況1的減排效果最好。

圖8 沿爐膛高度方向的平均NOx質量濃度分布Fig.8 Average NOx mass concentration distributionalong the height of the furnace

3.5 生物質顆粒粒徑對溫度場的影響

不同粒徑的生物質顆粒從最下層一次風噴口噴入時生物質噴口水平截面溫度對比如圖9所示，不同粒徑生物質顆粒從最下層一次風噴口噴入時鍋爐各水平截面平均溫度沿高度方向的分布如圖10所示。

圖9 生物質噴口橫截面溫度分布Fig.9 Temperature distribution of biomass nozzle

圖10 截面平均溫度沿爐膛高度方向分布Fig.10 Distribution of mean temperature on horizontalcross-sections along the furnace height direction

由圖9可知，與工況4、5相比，工況1高溫區(qū)較集中，火焰溫度較高，這是由于小顆粒生物質相對易著火、燃燒更迅速、更易燃盡，隨著生物質顆粒粒徑增加，火焰溫度逐漸降低，但生物質噴口橫截面溫度分布仍保持對稱。由圖10可知，不同粒徑下爐內(nèi)溫度分布趨勢基本相同，主燃區(qū)附近溫度較高。冷灰斗及燃燒器下部附近溫度稍有差異，這是由于大顆粒生物質相對不易著火[28]，燃燒不及小顆粒生物質迅速，更多生物質顆粒進入冷灰斗附近區(qū)域才燃盡，導致冷灰斗附近溫度升高，之后隨著燃料燃盡，溫度分布曲線基本相同。工況1、4、5出口溫度分別為1 488、1 482和1 478 K，顆粒粒徑對爐內(nèi)溫度場分布影響較小。

3.6 生物質顆粒粒徑對組分場的影響

不同粒徑的生物質顆粒從最下層一次風噴口噴入時，鍋爐各水平截面平均O2體積分數(shù)沿高度方向的分布如圖11所示，可知在不同生物質顆粒粒徑條件下，O2體積分數(shù)沿爐膛高度方向分布狀況大致相同。與工況4、5相比，工況1冷灰斗及燃燒器下部區(qū)域煙氣中O2體積分數(shù)較高，這是由于小顆粒生物質更易著火，燃燒較迅速，進入冷灰斗區(qū)域的生物質燃燒相對較少，耗氧量少，O2體積分數(shù)高。隨著燃燒的進行，燃料逐漸燃盡，3條O2體積分數(shù)曲線趨于重合。工況1、4、5出口煙氣中O2體積分數(shù)分別為3.26%、3.24%和3.24%，粒徑對爐膛內(nèi)O2體積分數(shù)分布影響較小。

不同粒徑的生物質顆粒從最下層一次風噴口噴入時鍋爐各水平截面平均CO體積分數(shù)沿高度方向的分布如圖12所示，可知3種粒徑條件下CO體積分數(shù)分布趨勢大致相同。與工況4、5相比，工況1煙氣中平均CO體積分數(shù)更高，這是由于小顆粒生物質更易燃盡，搶奪了煤粉燃燒所需氧氣，導致煤粉不完全燃燒產(chǎn)生CO，隨著生物質顆粒粒徑增大，CO體積分數(shù)逐漸降低，但隨著燃料的燃盡這種影響減小。此外，摻燒生物質顆粒時CO體積分數(shù)峰值位置均在生物質燃料噴口附近，且隨著顆粒粒徑的增大峰值位置前移，到達燃盡區(qū)后，剩余燃料充分燃燒，CO體積分數(shù)緩慢下降最終趨近于0。

圖12 沿爐膛高度方向的平均CO體積分數(shù)分布Fig.12 Distribution of average CO volume fractionalong the height of the furnace

3.7 生物質顆粒平均粒徑對污染物分布的影響

不同粒徑生物質顆粒從最下層一次風噴口噴入時，鍋爐各水平截面平均NOx質量濃度沿高度方向的分布如圖13所示，可知3種粒徑條件下煙氣中NOx平均質量濃度沿爐膛高度方向的分布趨勢基本一致。與工況4、5相比，工況1在冷灰斗及燃燒器下部區(qū)域O2體積分數(shù)較多，更多煤粉充分燃燒產(chǎn)生NOx，導致NOx平均質量濃度增大。但在主燃區(qū)及燃盡區(qū)，工況1中生物質顆粒粒徑較小，進入爐膛后燃燒迅速，在燃燒初期搶奪了煤粉所需氧氣，導致煤粉不完全燃燒產(chǎn)生的CO升高，易形成還原性氣氛。工況4、5生物質顆粒粒徑較大，進入爐膛后燃燒速率較慢，導致CO體積分數(shù)不及工況1，還原性氣氛相對較弱，對NOx還原效果差，因而NOx平均質量濃度低于工況4、5。工況1、4、5出口煙氣中NOx平均質量濃度分別為243.79、248.27和254.13 mg/m3，由此可見生物質顆粒粒徑越低，出口煙氣中NOx平均質量濃度越低。

圖13 沿爐膛高度方向的平均NOx質量濃度分布Fig.13 Average NOx mass concentration distribution along the height of the furnace

3.8 燃盡率對比

在不同位置摻燒生物質顆粒后，煤粉燃盡率從原始工況的99.92%分別升高至工況1、2、3的99.94、99.96和99.97%，生物質顆粒燃盡率均為100%，說明摻燒生物質顆粒能促進煤粉燃盡，且隨著噴口位置的升高而增強。這是由于生物質顆粒燃點低、易燃盡，生物質進入爐膛后，在較低溫度下開始脫揮發(fā)分并著火放熱，促進了煤粉著火，起到一定預熱作用，提升了煤粉燃盡率。隨著生物質噴口位置升高，生物質顆粒與煤粉混合程度更大，更有利于促進煤粉燃盡。隨著生物質顆粒粒徑的增大，生物質著火與燃盡延遲，不利于預熱煤粉，煤粉燃盡率由工況1的99.94%分別降低至工況4、5的99.93%和99.92%，煤粉燃盡率略有降低。

4 結 論

1)與原始工況相比，加入生物質燃料后，鍋爐中心下部溫度有所下降，爐膛出口溫度略升高，但整體溫度分布與原始工況基本相同，生物摻燒并未引起爐膛溫度場較大變化。

2)生物質噴口位置的變化對爐膛內(nèi)煙氣溫度、O2和CO體積分數(shù)影響較小。生物質從最下層一次風噴口噴入時，爐膛出口煙氣中NOx平均質量濃度最低降至243.97 mg/m3，比原始工況下降了18.4%。

3)生物質顆粒粒徑對爐膛內(nèi)煙氣溫度、O2和CO體積分數(shù)影響較小，但顆粒粒徑越大，出口煙氣中NOx平均質量濃度越大。所以生物質燃料顆粒粒徑應盡量保持在50 μm以下，以保證較好的還原效果，有利于減少NOx排放。

4)加入生物質顆粒對煤粉燃盡有一定促進作用，這種作用隨著生物質噴口位置的升高而增大，隨著生物質顆粒粒徑的增加而減小。