徐連兵,陳 璟,魏書洲,楊 凱,張超群,張文振,劉 欣,王學(xué)斌,馬 侖

(1.國家能源集團(tuán) 山東電力有限公司,山東 濟(jì)南 250099;2.國電電力發(fā)展股份有限公司,北京 100101;3.三河發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 廊坊 065201;4.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 廊坊 065399;5.煙臺龍?jiān)措娏脊煞萦邢薰?山東 煙臺 264006;6.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;7.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

在我國電力結(jié)構(gòu)中,燃煤發(fā)電的量依然占據(jù)主要地位;同時燃煤發(fā)電也是主要的工業(yè)碳排放源之一,現(xiàn)有碳排放結(jié)構(gòu)中,燃煤發(fā)電占我國總二氧化碳排放量的34%左右[1]。因此,減少燃煤發(fā)電過程中碳排放是實(shí)現(xiàn)我國雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵。對現(xiàn)有燃煤鍋爐而言,摻燒零碳燃料氨是一種現(xiàn)實(shí)可行的燃煤發(fā)電減碳技術(shù)手段[2-6]。

目前,國內(nèi)外研究人員已開展了部分模擬與小型燃燒爐的試驗(yàn)研究,但燃煤鍋爐中摻氨燃燒的實(shí)際應(yīng)用研究尚處于起步階段[7-10]。日本IHI公司YAMAMOTO等[11]利用臥式試驗(yàn)爐進(jìn)行了燃煤耦合氨燃燒的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)將占比20%的氨氣由臥式爐側(cè)墻靠近燃燒器火焰區(qū)域送入爐內(nèi),可有效抑制低氮氧化物的生成。SAKIKO等[12]在某1 000 MW旋流鍋爐上開展了不同位置氨送入位置對NO排放特性影響的模擬研究,發(fā)現(xiàn)將氨從火焰區(qū)送入爐內(nèi)可實(shí)現(xiàn)較低NO排放。ZHANG等[13]在某小型旋流燃燒試驗(yàn)爐上進(jìn)行了煤粉與氨摻燒試驗(yàn)和數(shù)值模擬,結(jié)果表明摻混10%比例氨時,飛灰含碳量較低,但NO濃度較高;增加氨摻混比例,飛灰含碳量增加,NO排放量顯著降低;摻氨比例超過40%時,未燃盡氨逃逸。馬侖等[14]以20 kW沉降爐為研究對象,在深度空氣分級條件下探究了氨摻混比例、氨燃燒區(qū)當(dāng)量比、氨不同送入位置下對煤粉燃盡特性及NO生成特性的影響,發(fā)現(xiàn)氨摻混比例維持在20%左右、氨燃燒區(qū)當(dāng)量比維持在0.96左右、氨位置盡量靠近煤粉燃燒火焰區(qū),既可滿足煤粉的高效燃燒,又有效抑制煤粉耦合氨燃燒過程中NO的生成。煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司設(shè)計搭建了40 MW燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng),氨氣通過布置在煤粉管道周邊的氨氣管道引入煤粉管道與揮發(fā)分混合,并在此試驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了高達(dá)35%混氨比例的氨煤混合燃燒試驗(yàn)[15]。結(jié)果表明,摻混氨氣后具有良好的穩(wěn)燃與燃盡性能,且氨煤混燃條件下煤粉的燃盡優(yōu)于純?nèi)济汗r;通過分級燃燒,在高混氨比例下可實(shí)現(xiàn)鍋爐NO排放低于燃煤工況。相關(guān)研究表明[6,16],氨送入位置越靠近煤粉火焰區(qū),煤粉燃盡及NO排放特性越好?？紤]到在實(shí)際鍋爐應(yīng)用過程中,可能會從側(cè)墻將氨送入爐內(nèi)燃燒的應(yīng)用場景,以某40 MW煤粉燃燒試驗(yàn)爐為研究對象,基于數(shù)值模擬研究了煤粉大比例摻燒氨且不采用深度空氣分級條件下,純氨或氨/空氣混合氣從煤粉火焰區(qū)不同位置(根部、中部及尾部火焰區(qū))送入爐內(nèi)時燃燒及NO生成特性,為燃煤鍋爐耦合氨燃燒提供相關(guān)參考,對燃煤火電的碳減排具有一定指導(dǎo)意義。

1 燃燒爐簡介

研究對象為某40 MW燃燒試驗(yàn)爐,其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示,所用燃煤的煤質(zhì)特性見表1。該燃燒爐為“L”型結(jié)構(gòu),橫截面為六邊形結(jié)構(gòu),在燃燒室前墻布置單只旋流燃燒器。為探究大比例摻氨條件下,煤粉火焰區(qū)不同噴氨位置下爐內(nèi)燃燒特性及NO生成特性,從水平爐體側(cè)面不同位置火焰區(qū)域?qū)彼腿霠t內(nèi),3個位置分別為:距離燃燒爐前端1.0 m(火焰根部區(qū)送入)、2.0 m(火焰中部區(qū))、3.0 m(火焰尾部區(qū))。

表1 煤質(zhì)分析

圖1 40 MW燃燒試驗(yàn)爐示意Fig.1 Schematic diagram of 40 MW combustion test furnace

2 計算方法與工況

表2 氣相反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)[8,11-20]

煤粉與氨混燒中氨摻混比例保持30%,過量空氣系數(shù)為1.30。攜帶煤粉進(jìn)入爐內(nèi)的一次風(fēng)、二次風(fēng)溫度分別為293、458 K,氨氣溫度為313 K。當(dāng)氨/空氣混合送入爐內(nèi)時,為減少過量的預(yù)混空氣對氨燃燒NO生成的影響,將與氨混合送入空氣的過量空氣系數(shù)設(shè)置為小于1(本文取0.8)。煤粉粒徑滿足Rosin-Rammler分布,最小粒徑為10 μm,最大粒徑為200 μm,平均粒徑為65 μm,分布指數(shù)為1.0。網(wǎng)格劃分如圖2所示,在燃燒器出口及主燃燒區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密。單煤燃燒時開展了網(wǎng)格無關(guān)性測試(網(wǎng)格數(shù)量分別為701 256、865 563、905 322及994 125個),對比了出口NO濃度,發(fā)現(xiàn)701 256個網(wǎng)格數(shù)量下NO明顯高于其他3種網(wǎng)格數(shù)量下NO排放濃度,865 563、905 322以及994 125個網(wǎng)格數(shù)量下NO濃度較相近。因此,最終選擇了865 563個網(wǎng)格進(jìn)行相關(guān)模擬計算。

圖2 網(wǎng)格劃分示意及網(wǎng)格無關(guān)性測試Fig.2 Schematic diagram of grid division and mesh-independence test

計算過程中,入口設(shè)置為質(zhì)量入口邊界;壁面為無滑移溫度邊界,發(fā)射率為0.7;出口壓力設(shè)置為-50 Pa。壓力和速度場耦合采用SIMPLE算法,其他采用一階迎風(fēng)差分格式。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

由于未開展煤粉與氨混燃試驗(yàn),缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證混燃模擬結(jié)果?；诖?對比單煤燃燒時模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果:燃燒爐出口NO質(zhì)量濃度試驗(yàn)值為405 mg/m3(6% O2),模擬值為350 mg/m3(6% O2);出口CO體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值為145×10-6,模擬值為105×106。模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量值一致性相對較好,表明采用模型較合理。

3.2 不同煤粉火焰區(qū)位置送入爐純氨的影響

為使氨能噴射至高溫火焰區(qū),氨的噴射速度相對較高,其送入位置顯著影響爐內(nèi)流動特性。純氨從煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平截面速度分布如圖3所示。

圖3 純氨從不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平截面速度云圖Fig.3 Velocity contours at the burner horizontal cross-section when pure ammonia is injected into the furnace from different locations

由圖3可以看出,在不同工況下燃燒器出口區(qū)域都形成了明顯回流區(qū),這有利于煤粉的著火及穩(wěn)定燃燒。但是不同工況下存在一定差異:由于氨從側(cè)墻對沖送入爐內(nèi),在氨燃燒截面上會對燃燒器氣流軸向流動產(chǎn)生一定擾動和阻礙效應(yīng),導(dǎo)致?lián)交彀焙髿饬髁鲃泳嚯x低于不摻燒氨工況;由火焰中部區(qū)送入爐內(nèi)也會阻礙旋流二次風(fēng)的正常流動;然而純氨從煤粉火焰尾部區(qū)域送入爐內(nèi)對煤粉旋流二次風(fēng)流動影響相對較小。

純氨從煤粉火焰區(qū)不同位置送入時爐內(nèi)溫度分布如圖4所示。煤粉在旋流燃燒器一次風(fēng)與旋流二次風(fēng)之間回流區(qū)快速著火,火焰穩(wěn)定性相對較好。從煤粉火焰根部和中部區(qū)域?qū)⒓儼彼腿霠t內(nèi)時,氨與旋流二次風(fēng)快速混合,氨燃燒存在明顯的火焰高溫區(qū);由煤粉火焰尾部區(qū)域送入爐內(nèi)時,氨燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)相對較小,這主要是煤粉火焰尾部區(qū)域氧濃度相對較低,氨燃燒劇烈程度降低導(dǎo)致。從噴氨位置對火焰形狀影響角度來說,從煤粉火焰尾部送入對煤粉火焰形狀影響相對較小。從沿程平均溫度分布來看,純氨從煤粉火焰中部和尾部區(qū)域送入爐內(nèi)時,平均溫度曲線較為接近;而從煤粉火焰根部送入爐內(nèi)工況下的平均溫度在燃燒前期明顯高于從中部和尾部區(qū)域送入,在燃燒后期明顯低于以上2個工況。這也表明由煤粉火焰尾部區(qū)送入對爐內(nèi)平均溫度影響相對較小。

圖4 純氨從不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平/豎直截面溫度云圖及沿程平均溫度分布Fig.4 Temperature contours at the burner horizontal/vertical cross-sections and average temperature distribution when pure ammonia is injected into the furnace from different locations

NH3+O2反應(yīng)對氨燃燒氮氧化物的生成至關(guān)重要。純氨從煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時,氮氧化物體積濃度云圖及沿程平均NO濃度分布如圖5所示,NH3+O2反應(yīng)速率如圖6所示。可知當(dāng)純氨從煤粉火焰區(qū)根部和中部送入爐內(nèi)時,氨與旋流二次風(fēng)氧氣快速混合,氧量充足,使NH3+O2反應(yīng)速率明顯較大,促進(jìn)氮氧化物大量生成;而將純氨從煤粉火焰尾部區(qū)送入爐內(nèi)時,由于煤粉燃燒消耗了大量氧氣,使純氨劇烈燃燒區(qū)域氧濃度相對較低,不利于NH3+O2反應(yīng)進(jìn)行,其反應(yīng)速率相對較小,有效抑制了氮氧化物生成。由沿程平均NO濃度分布來看,純氨送入位置區(qū)域NO平均濃度高;隨純氨送入位置逐漸從煤粉火焰根部區(qū)域后移到尾部區(qū)域,燃燒后期區(qū)域NO平均濃度逐漸降低。表明從煤粉火焰尾部區(qū)送入時爐內(nèi)NO平均濃度相對較低。

圖6 純氨從不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平截面NH3+O2反應(yīng)速率云圖Fig.6 NH3+O2 reaction rate contours at the burner horizontal cross-section when pure ammonia is injected into the furnace from different locations

對比出口參數(shù)發(fā)現(xiàn)氨濃度較低,表明燃燒過程中氨逃逸較少,這主要是未采用空氣分級燃燒,爐內(nèi)主燃區(qū)氧量充足,氨燃燒較為充分。純氨由不同位置送入爐內(nèi)時飛灰含碳量及出口NO濃度統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示?？芍儼彼腿霠t內(nèi)在燃燒過程中氨可能與煤粉搶氧燃燒,使飛灰含碳量增加;隨純氨送入位置由火焰根部區(qū)移動到尾部區(qū)域,搶氧效應(yīng)減弱,使飛灰含碳量逐漸降低(由1.25%降至1.15%)。同時,由于未采用分級燃燒方式,爐內(nèi)主燃區(qū)氧量相對充足,氨反應(yīng)生成大量NO,出口NO濃度明顯高于單煤燃燒時;且隨噴純氨位置由火焰根部區(qū)移動到尾部區(qū)域,氨燃燒區(qū)氧濃度降低,生成NO的反應(yīng)減弱,出口NO質(zhì)量濃度逐漸降低(由4 962 mg/m3降至4 414 mg/m3)。綜合考慮燃盡及出口NO濃度,純氨由側(cè)墻火焰尾部區(qū)域送入時,既可有效減弱摻氨對煤粉燃盡特性的影響,又可控制NO生成。

圖7 純氨從不同位置送入時出口參數(shù)Fig.7 Parameters at the outlet when pure ammonia is injected into the furnace from different locations

3.3 燃燒及NO排放特性的影響

氨與空氣預(yù)混送入爐內(nèi)有助于增加氨反應(yīng)初期氧濃度,促進(jìn)氨的充分反應(yīng),減少燃燒過程中氨逃逸;但同時部分空氣從燃燒器轉(zhuǎn)移至氨噴口,這可能對煤粉燃盡特性產(chǎn)生一定影響。氨/空氣混合氣體由煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時速度分布如圖8所示,由于部分二次風(fēng)空氣與氨混合后從側(cè)墻送入爐內(nèi),導(dǎo)致旋流二次風(fēng)風(fēng)量減少,二次風(fēng)流動剛性減弱。將氨/空氣混合氣體從火焰根部和中部區(qū)域送入爐內(nèi)時,對旋流氣流流動特性的阻礙效應(yīng)較顯著;而當(dāng)氨/空氣混合氣體從火焰尾部區(qū)域送入爐內(nèi)對旋流二次風(fēng)的流動影響相對較小。

圖8 氨/空氣從不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平截面速度云圖Fig.8 Velocity contours at the burner horizontal cross-section when ammonia/air are injected into the furnace from different locations

氨/空氣混合氣體從煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時溫度云圖及沿程平均溫度分布如圖9所示。隨氨/空氣混合氣體送入位置從煤粉火焰根部后移到火焰尾部區(qū)域,中心水平截面的氨燃燒上游煤粉高溫區(qū)逐漸增大,下游高溫區(qū)逐漸減小。由沿程平均溫度分布來看,隨氨/空氣混合氣體送入位置逐漸由煤粉火焰根部區(qū)域后移到尾部區(qū)域,燃燒前期平均溫度逐漸降低,燃燒后期平均溫度逐漸升高。從摻氨對火焰形狀影響角度來看,將氨/空氣混合氣體由煤粉火焰尾部區(qū)送入爐內(nèi)對煤粉火焰形狀影響相對較小。氨/空氣混合氣由煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時,氮氧化物體積濃度云圖及沿程平均NO濃度分布如圖10所示。NH3+O2反應(yīng)速率如圖11所示。

圖10 氨/空氣從不同位置送入爐內(nèi)時燃燒器水平/豎直截面NO體積濃度云圖及沿程平均NO濃度分布Fig.10 NO mole fraction at the burner horizontal/vertical cross-section and average NO distribution when ammonia/air are fed into the furnace from different locations

圖11 氨/空氣從不同位置送入時燃燒器水平截面NH3+O2反應(yīng)速率云圖Fig.11 NH3+O2 reaction rate contours at the burner horizontal cross-section when ammonia/air are injected into the furnace from different locations

氨/空氣混合氣送入爐內(nèi)與第3.1中純氨送入爐內(nèi)氮氧化物生成規(guī)律不同。當(dāng)氨/空氣混合氣從煤粉火焰中部和尾部區(qū)送入爐內(nèi)時,NH3+O2反應(yīng)速率明顯較大,促進(jìn)氮氧化物大量生成;從煤粉火焰根部區(qū)送入時,NH3+O2反應(yīng)速率相對較小,在一定程度上抑制了氮氧化物的生成,爐內(nèi)氮氧化物明顯低于氨/空氣混合氣從煤粉火焰區(qū)中部及尾部區(qū)送入工況。從沿程平均NO濃度分布來看,氨/空氣混合氣體送入位置區(qū)域NO平均濃度高;隨純氨送入位置逐漸從煤粉火焰根部區(qū)域后移至尾部區(qū)域,燃燒后期區(qū)域平均NO濃度顯著增加,表明氨/空氣混合氣體由煤粉火焰根部區(qū)送入爐內(nèi),NO平均濃度相對較低。

氨/空氣混合氣由煤粉火焰區(qū)不同位置送入爐內(nèi)時,飛灰含碳量及出口NO濃度如圖12所示。可知氨/空氣混合氣體送入爐內(nèi)對煤粉的燃盡影響相對較小,飛灰含碳量略增加,這表明氨/空氣混合氣送入爐內(nèi)在燃燒過程中氨與煤粉燃燒搶氧效應(yīng)相對較弱;且隨氨/空氣混合氣送入位置由煤粉火焰根部區(qū)下移到火焰尾部區(qū)域,飛灰含碳量略有增加(由1.10%降至0.95%)。同時,隨氨/空氣混合氣送入位置從煤粉火焰根部區(qū)移動到尾部區(qū),出口NO的質(zhì)量濃度顯著增加(由3 003 mg/m3降至4 918 mg/m3)。綜合考慮燃盡及NO生成特性,氨/空氣混合氣從側(cè)墻火焰根部區(qū)送入時,既可有效減弱摻氨對煤粉燃盡特性的影響,又可控制NO生成。

圖12 氨/空氣從不同位置送入爐內(nèi)時出口參數(shù)Fig.12 Parameters at the outlet when ammonia/air are injected into the furnace from different locations

4 結(jié) 論

1)純氨或氨/空氣混合氣體送入爐內(nèi),均使飛灰含碳量略增加;由于未采用空氣分級燃燒方式,主燃區(qū)氧量相對充足,氨送入爐內(nèi)后NO生成顯著且爐膛出口NO濃度高于單煤燃燒。

2)采用純氨送入方式時,隨噴氨位置由火焰根部區(qū)移動至火焰尾部區(qū)域,飛灰含碳量逐漸降低,爐膛出口NO濃度逐漸降低。

3)采用氨/空氣混合氣體送入方式時,隨著噴氨位置從火焰根部區(qū)移動到火焰尾部區(qū)域,飛灰含碳量逐漸增加且爐膛出口NO濃度逐漸增加。

4)在無空氣分級燃燒條件下,綜合考慮燃盡及NO排放特性,采用純氨送入方式時建議從側(cè)墻火焰尾部區(qū)送入爐內(nèi),采用氨/空氣混合氣體送入時建議從側(cè)墻火焰根部區(qū)送入爐內(nèi),可有效改善煤粉燃盡特性,同時又抑制NO生成。