李加護(hù)， 王 智， 馬 馳， 吳少華， 李佳興

(華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

“十四五”規(guī)劃提出我國能源資源配置要更加合理,同時(shí)也要降低主要污染物的排放總量。其中國家“3060”排放目標(biāo)要求二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值,力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。國家能源局發(fā)布的《2021年能源工作指導(dǎo)意見》中也提出要積極推進(jìn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè),要使煤炭消費(fèi)比重下降到56%以下。可再生能源的開發(fā)利用,是當(dāng)前處理能源危機(jī)的重要措施。作為全球的第四大能源,生物質(zhì)能是由太陽能轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)于生物質(zhì)中的可再生能源,是唯一的一種可再生碳源[1]。我國生物質(zhì)能儲(chǔ)量十分豐富,每年相當(dāng)于有9億t的標(biāo)準(zhǔn)煤作為能源利用[2]。與煤相比生物質(zhì)的N、S含量低且含灰分少,因此燃燒產(chǎn)生的NOx和SOx會(huì)比較少,排放的煙塵也會(huì)更少[3-5]。在鍋爐中摻燒部分生物質(zhì),能夠有效利用生物質(zhì)能、節(jié)約煤炭燃料的使用,并減少污染物的排放[6]。

通過數(shù)值模擬來研究鍋爐燃燒是一種便利、經(jīng)濟(jì)、有效的方法[7]。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)摻燒有利于燃燒、提升鍋爐效率、降低污染物的排放。在影響鍋爐特性方面:Panagiotis Drosatos[8]等研究了在鍋爐中加入生物質(zhì)作為輔助燃料可以提高鍋爐的熱效率。Rubén Pérez-Jeldres[9]等研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)代替少量煤可以顯著改善燃料燃燒過程和鍋爐性能。文獻(xiàn)[10-12]等發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)能有效改善其著火特性。改變生物質(zhì)的摻混比例對(duì)整體混燃效果影響較明顯;Marjorie Rover[13]等通過對(duì)生物質(zhì)燃料的研究,認(rèn)為與煤有很好的混燃前景,并有望在電廠中完全取代煤。在降低污染物排放方面:李加護(hù)[14]和Ibrahim AI-Naiema[15]等都得到生物質(zhì)與煤粉共燒可以顯著減少污染物的排放量的結(jié)論。田紅等[16]通過研究得出在煤中適當(dāng)加入生物質(zhì)有利于促進(jìn)煤的充分燃燒,提高其燃燒效率,從而降低純煤燃燒所帶來的環(huán)境污染的結(jié)論。婁載強(qiáng)等[17]認(rèn)為生物質(zhì)摻燒可以促進(jìn)煤顆粒燃燒,使著火溫度降低,燃燒特性得到改善,降低SO2的排放。魏子明[18]和張小桃[19]等都研究發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)能降低NOX的排放。呂洪坤[20]得出大容量電站鍋爐混燃生物質(zhì)是可行的。

本文以某電廠1 000 MW機(jī)組為研究對(duì)象。進(jìn)行純煤粉燃燒與生物質(zhì)摻燒比為20%的混燃工況的數(shù)值模擬,在不改變鍋爐結(jié)構(gòu)的條件下,通過設(shè)置不同的生物質(zhì)噴口位置來分析爐膛內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和各組分濃度場(chǎng)的變化情況。為大型鍋爐的摻燒生物質(zhì)及生物質(zhì)的高效利用提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象

1.1 鍋爐概況

本文模擬對(duì)象為某電廠1 000 MW超超臨界參數(shù)前后墻旋流對(duì)沖鍋爐,爐膛的寬度為 33 973.4 mm、深度為15 558.4 mm、高度為64 000 mm。鍋爐采用正壓直吹制粉系統(tǒng)。燃燒器采用前后墻對(duì)沖布置,共48只新型HT-NR3低NOX旋流燃燒器按3層8列分別布置于前后墻,同時(shí)前后墻各布置2只側(cè)燃盡風(fēng)(SAP)噴口和8只燃盡風(fēng)(AAP)噴口,燃燒器包括中心風(fēng)、直流一次風(fēng)、直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)共4個(gè)部分,燃盡風(fēng)包含直流中心風(fēng)和旋流的二次風(fēng),布置方式如圖1所示。

圖1 燃燒器布置圖

1.2 網(wǎng)格劃分

模擬的結(jié)果與網(wǎng)格的質(zhì)量及數(shù)量息息相關(guān),本文采用Gambit軟件對(duì)鍋爐1∶1建模,考慮到鍋爐的尺寸較大、及計(jì)算機(jī)性能的限制,對(duì)整個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:

(1)鍋爐爐膛在寬度方向是對(duì)稱的,只取寬度的一半作為計(jì)算區(qū)域,在減少網(wǎng)格數(shù)量的同時(shí),不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有很大的誤差,簡(jiǎn)化后燃燒器前墻布置簡(jiǎn)圖見圖2(a)。

圖2 鍋爐網(wǎng)格劃分

(2)因?yàn)閷?duì)燃燒作用影響有限,不對(duì)各個(gè)換熱器具體建模。

(3)豎井煙道對(duì)生物質(zhì)與煤粉混燃的燃燒特性無影響,不對(duì)其建模。

(4)忽略燃燒器的結(jié)構(gòu),由圓形及圓環(huán)柱體代替。

為提高網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)爐膛模型進(jìn)行適當(dāng)劃分,分別畫出網(wǎng)格,通過網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算,本文最終采取234萬網(wǎng)格數(shù)量,第三列燃燒器中心截面網(wǎng)格見圖2(b)。

2 研究工況及邊界條件

2.1 燃料參數(shù)

本文以鍋爐額定工況下,燃用校核煤種為基準(zhǔn)工況,摻燒生物質(zhì)為變工況。模擬采用的煤和生物質(zhì)的元素分析及工業(yè)分析見表1所示。用Qnet,ar表示燃料的收到基低位發(fā)熱量。

表1 燃料的工業(yè)分析和元素分析

2.2 研究工況

首先計(jì)算純?nèi)济汗r,然后計(jì)算生物質(zhì)摻燒比為20%的混燃工況,爐膛過量空氣系數(shù)維持1.14不變,各風(fēng)的分配比例保持不變。在不改變鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)的條件下,為保障各燃燒器不同種類的入口邊界條件都處于合理的范圍內(nèi),摻燒時(shí)煤粉與生物質(zhì)由不同的燃燒器噴口分別噴入,共選取8個(gè)燃燒器作為生物質(zhì)顆粒噴入口。在模型的簡(jiǎn)化及對(duì)沖鍋爐布置的特性情況下,燃燒器位置排序如圖2(a)所示。保持生物質(zhì)燃燒器的對(duì)沖、前后墻都選取2個(gè)燃燒器作為生物質(zhì)燃燒器。具體工況見表2,即分別由第一層、第二層、第三層前后墻的第2、3列燃燒器作為生物質(zhì)噴口,及第一層和第三層的1、3列作為生物質(zhì)燃燒器等共5個(gè)混燃工況。

表2 模擬工況介紹

2.3 計(jì)算邊界條件

將燃燒器的旋流外二次風(fēng)及燃盡風(fēng)的旋流二次風(fēng)的入口邊界條件設(shè)為質(zhì)量入口,其余入口設(shè)為速度入口,爐膛出口設(shè)置為壓力出口,取負(fù)壓-100 Pa。計(jì)算結(jié)果見表3、表4所示。

表3 不同工況計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 燃燒器入口邊界條件

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度場(chǎng)分析

圖3為純?nèi)济汗r的第3列和各層燃燒器的中心截面的速度分布云圖。可以看出各層煙氣的速度場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布,由于出口負(fù)壓,對(duì)沖的氣流有向上流動(dòng)的趨勢(shì),在通入燃盡風(fēng)區(qū)域,匯聚為一股位于爐膛中心的氣流且速度有所增大。各燃燒器之間的相互影響很小,都可單獨(dú)形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流實(shí)現(xiàn)燃料的著火和穩(wěn)燃,與實(shí)際情況相符。

圖3 不同位置速度云圖

圖4為各工況隨爐膛高度變化的平均速度變化趨勢(shì)。與純?nèi)济汗r相比,混燃時(shí)噴生物質(zhì)顆粒的燃燒器入口速度更大,需要噴入更多的空氣,而噴煤粉顆粒的燃燒器入口速度相對(duì)小,且輸入爐膛的總風(fēng)量少。在燃盡區(qū),混燃工況1的平均速度最大,混燃工況3和混燃工況5與純?nèi)济汗r相差不大。工況4的速度最小,說明噴生物質(zhì)燃燒器布置在越下層,對(duì)爐膛燃盡區(qū)速度場(chǎng)的影響越大。適當(dāng)?shù)臒煔饬魉倏纱龠M(jìn)未燃盡顆粒與空氣的混合,提高燃料燃盡率,但流速過快會(huì)導(dǎo)致燃料在爐膛停留時(shí)間過短,使燃料燃燒不充分,而降低鍋爐熱效率。經(jīng)過折焰角后,混燃工況的速度均低于純?nèi)济汗r。這是由于在爐膛輸入相同的總熱量時(shí),生物質(zhì)的燃燒比煤產(chǎn)生的煙氣更少,會(huì)使煙氣的速度相對(duì)更低。

圖4 爐膛橫截面平均速度沿爐膛高度變化圖

3.2 溫度分布

圖5為選取純?nèi)济汗r第3列燃燒器及各層燃燒器的中心截面的溫度分布圖,從圖中可以看出爐膛中間溫度高,兩邊溫度低,最高溫在中心區(qū)域,整個(gè)爐膛的溫度分布對(duì)稱性良好,火焰充滿度良好,下層燃燒器區(qū)域的溫度低于上層燃燒器區(qū)域的溫度。6種工況爐膛的最高溫度分別為2 068 K、1 994 K、1 974 K、1 967 K、2 035 K、1 966 K。與純?nèi)济合啾?生物質(zhì)的混燃降低了爐膛的最高溫度,是因?yàn)樯镔|(zhì)的發(fā)熱量比煤小。各混燃工況相比時(shí),混燃工況4最高溫最大,混燃工況5最小,且生物質(zhì)噴口位置越高,爐膛的最高溫度越低。說明在第一層燃燒器噴入生物質(zhì)時(shí)燃燒效果最好?；烊脊r5與混燃工況3只相差1 K,結(jié)合速度場(chǎng)的分布,可知在第三層燃燒器噴入生物質(zhì)的兩種方式,對(duì)爐膛的流場(chǎng)與最高溫的影響程度是一致的。

圖6更直觀的給出了各工況沿爐膛高度截面的平均溫度變化,5種混燃工況的平均溫度分布與純?nèi)济汗r分布趨勢(shì)保持一致。在主燃燒區(qū),燃料燃燒放出大量的熱量,是爐膛溫度最高的區(qū)域,且在最上層燃燒器之后、燃盡風(fēng)輸入之前達(dá)到最大值。這是由于氣流的上升,會(huì)使下層燃燒器會(huì)對(duì)上層燃燒器的燃燒有所促進(jìn)。在高度32 m左右,有高速低溫燃盡風(fēng)的輸入,大幅降低了燃盡風(fēng)層附近高度的溫度場(chǎng),為主燃區(qū)未燃盡的燃料提供充足的空氣繼續(xù)燃燒,到45 m左右煙氣經(jīng)過折焰角時(shí),上升截面減小,會(huì)促進(jìn)燃料與空氣的混合,加強(qiáng)還未完全燃燒燃料的反應(yīng),經(jīng)過折焰角后,燃燒過程基本趨于結(jié)束。

在主燃區(qū),同高度時(shí)的混燃工況溫度均低于純?nèi)济汗r,而在通入燃盡風(fēng)之后,混燃工況的平均溫度超過純?nèi)济汗r,且噴入生物質(zhì)位置越低,整體平均溫度也相對(duì)越低。純?nèi)济杭盎烊?～5工況的出口平均溫度分別為1 456 K、1 471 K、1 478 K、1 493 K、1 474 K、1 485 K。說明在第3層噴入生物質(zhì)時(shí)有利于提高爐膛燃盡區(qū)的溫度。這是由于生物質(zhì)顆粒的密度比煤粉小、質(zhì)量輕、容易被二次風(fēng)攜帶至整個(gè)爐膛,比煤容易燃燒,主燃區(qū)處于還原性氛圍中,混燃工況時(shí)在主燃區(qū)生物質(zhì)消耗了更多的氧氣,導(dǎo)致相對(duì)更多的煤粉需要在燃盡風(fēng)通入后才能完全燃燒。

3.3 煙氣組分分析

圖7分別為煙氣組分中O2、CO、CO2的濃度隨爐膛高度變化曲線圖。在圖7(a)中,通過分析6種工況的氧氣濃度曲線,在主燃區(qū)在第一個(gè)峰值時(shí),混燃工況1和4的平均O2濃度明顯低于其他工況,是因?yàn)樯镔|(zhì)的揮發(fā)分比煤粉高,更易于燃燒,相對(duì)消耗了更多的氧氣。因此在第一層噴入生物質(zhì)時(shí),第一層燃燒器高度面的平均O2濃度會(huì)低于其他工況。其它混燃工況依舊遵循這一變化規(guī)律。燃盡風(fēng)進(jìn)入爐膛后,5種混燃工況濃度都相差不大,由于混燃工況時(shí)有更多的燃料需要在燃盡區(qū)燃燒,因此混燃工況的O2濃度都低于純?nèi)济汗r。

圖7 煙氣組分沿爐膛高度變化

圖7(b)CO的體積分?jǐn)?shù)曲線圖中6種工況區(qū)別明顯。在低于第一層燃燒器高度時(shí),混燃工況1與4的數(shù)值遠(yuǎn)大于純?nèi)济汗r,而混燃工況2、3和5則低于純?nèi)济汗r。是由于燃工況1與4在第一層燃燒器噴入生物質(zhì)時(shí),生物質(zhì)比煤更易于被氧化燃燒,但此時(shí)氧氣的含量不足,且根據(jù)計(jì)算第一層有占總熱量36%的燃料進(jìn)行燃燒,高于純?nèi)济汗r時(shí)只有占總熱量1/3的燃料燃燒,因此相對(duì)更多的燃料未完全燃燒產(chǎn)生更多的CO。而混燃工況2、3和5在第一層噴入爐膛的煤粉量少于純?nèi)济汗r,所產(chǎn)生的CO量也會(huì)少于純?nèi)济汗r。在第二層燃燒器高度面時(shí),混燃工況2的CO體積分?jǐn)?shù)快速增大。混燃工況1與4則由于在第一層時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生大量的CO,因此要高于純?nèi)济汗r和混燃工況3與5。到第三層燃燒器時(shí),所有混燃工況都高于純?nèi)济汗r。至爐膛出口時(shí),所有工況CO體積分?jǐn)?shù)都接近為0。

在圖7(c)中,CO2的體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度的變化趨勢(shì)與O2的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì),在冷灰斗區(qū)域,CO2的濃度最高,在主燃區(qū)CO2濃度曲線大幅度波動(dòng)。噴入燃盡風(fēng)后,隨著未完全燃燒物質(zhì)的完全反應(yīng),CO2濃度逐漸升高?；烊脊r1與4,由于在前期生成的CO較多,所以CO2的濃度低于其它工況。噴入燃盡風(fēng)后,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,混燃工況的CO2濃度都高于純?nèi)济汗r,說明生物質(zhì)促進(jìn)了燃燒反應(yīng),煙氣中產(chǎn)生CO2的體積分?jǐn)?shù)更高。

通過對(duì)煙氣組分的分析,6種模擬工況的O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)分別隨爐膛高度變化的趨勢(shì)大體上保持一致。摻燒生物質(zhì)后O2的出口濃度比純?nèi)济簳r(shí)要低,CO2濃度則相對(duì)要高,CO濃度在爐膛內(nèi)的變化波動(dòng)較純?nèi)济簳r(shí)更為劇烈。

3.4 污染物體積分?jǐn)?shù)分布

由圖8可以看出,6種工況的NO體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度變化的趨勢(shì)都有上升與下降的波動(dòng),表現(xiàn)出爐膛燃燒過程中NO的產(chǎn)生與還原情況。由于生物質(zhì)的含N量極低,是混燃工況1與4在第一層燃燒器高度以下區(qū)域生成NO的主要影響因素,因此混燃工況1與4在爐膛底部的NO濃度極低,且在爐膛中的NO濃度變化趨勢(shì)與其它工況有明顯的不同,在主燃區(qū)波動(dòng)少、上升快。混燃工況2、3和5在爐膛底部的NO濃度高于純?nèi)济汗r?；烊脊r2在第二層燃燒器高度后,NO濃度快速降低?；烊脊r3和5則在第三層燃燒器高度后,NO濃度快速降低。在燃盡風(fēng)噴入后趨于平穩(wěn),且混燃工況的NO濃度都低于純?nèi)济汗r,說明摻燒生物質(zhì)能夠有效降低鍋爐NOX的排放。在燃盡風(fēng)噴入后,可清晰看出混燃工況產(chǎn)生的NO濃度由高到低依次是混燃工況4、工況1、工況2、工況3、工況5,表明在越上層噴入生物質(zhì)越能減少NO的排放,即在第三層燃燒器位置噴入生物質(zhì)最有利于降低污染物的排放?；烊脊r5即在第三層,第1、3列燃燒器噴入生物質(zhì)是降低NOX排放的最佳工況。

圖8 爐膛高度截面NO體積分?jǐn)?shù)分布

4 結(jié) 論

(1)在鍋爐中摻燒生物質(zhì)顆粒,強(qiáng)化了爐內(nèi)煙氣擾動(dòng)效果,促進(jìn)燃料與氧化劑的混合,促進(jìn)燃料的燃燒。最下層噴入對(duì)整個(gè)爐膛速度場(chǎng)影響最大。

(2)相比于純?nèi)济汗r,生物質(zhì)摻燒比為20%的混燃工況降低了爐膛的最高溫度,提高了爐膛出口煙氣溫度,出口煙氣溫度隨噴入生物質(zhì)位置的升高而升高。

(3)通過對(duì)爐膛內(nèi)各組分濃度場(chǎng)的分析,混燃時(shí)爐膛出口的O2濃度更低、CO2的體積分?jǐn)?shù)更高,生物質(zhì)摻燒比為20%的混燃工況會(huì)促進(jìn)燃料的燃燒。

(4)所有混燃工況排放的NO都低于純?nèi)济汗r,在第三層燃燒器噴入生物質(zhì)時(shí),NO的排放量最低,從第三層相間隔的燃燒器噴入生物質(zhì)為最佳混燃方式。