宮 健, 馬達(dá)夫, 管玉保, 王明洋,葛成用, 郭鎧銘, 楊 琨

(1. 吉林電力股份有限公司 四平第一熱電公司, 吉林四平 136000;2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

“雙碳”目標(biāo)要求我國對(duì)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,進(jìn)一步提高可再生能源的消耗量,降低化石能源的消耗占比[1]。根據(jù)聯(lián)合國氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的不同能源方式的平均碳(二氧化碳)排放強(qiáng)度可知,燃燒煤、石油和天然氣發(fā)電的平均碳排放強(qiáng)度分別為1 001 g/(kW·h)、840 g/(kW·h)和469 g/(kW·h),而燃燒生物質(zhì)發(fā)電的平均碳排放強(qiáng)度僅為18 g/(kW·h)[2, 3]。

生物質(zhì)的能源化、肥料化、飼料化和材料化是目前生物質(zhì)資源的主要利用形式[4],其中生物質(zhì)能源化利用可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；蜔o害化。生物質(zhì)能源化利用的主要方式為直接燃燒發(fā)電和氣/液化后再燃燒發(fā)電[5]。燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)可以利用現(xiàn)有燃煤電站的基礎(chǔ)設(shè)施,節(jié)約新建生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的成本。同時(shí),燃煤機(jī)組具有大容量、高參數(shù)的優(yōu)勢(shì),燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)的發(fā)電效率遠(yuǎn)高于生物質(zhì)電站[6]。我國在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)了摻燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的重要性[7],但是我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步晚,相關(guān)項(xiàng)目仍處于示范階段。

譚厚章等[8]在某660 MW鍋爐開展了摻燒生物質(zhì)壓塊燃料的試驗(yàn),結(jié)果表明摻燒生物質(zhì)降低了氮氧化物(NOx)的排放,并且對(duì)鍋爐效率和粉煤灰性質(zhì)基本沒有影響。劉家利等[9]對(duì)煤粉鍋爐直接摻燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的技術(shù)壁壘進(jìn)行了綜述,認(rèn)為生物質(zhì)原料的密度小、體積大,難以研磨,磨煤機(jī)很難將其磨制成與煤粉顆粒相同的粒徑,同時(shí)生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高,大比例摻燒時(shí)磨煤機(jī)內(nèi)極易發(fā)生自燃現(xiàn)象。

筆者通過數(shù)值模擬對(duì)某燃煤電廠350 MW四角切圓燃燒鍋爐摻燒生物質(zhì)及NOx排放特性進(jìn)行仿真,對(duì)比分析摻燒不同熱值比生物質(zhì)后爐膛溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)和壁面熱流密度的變化,探究摻燒生物質(zhì)可能對(duì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行的影響,為后續(xù)開展生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)工作提供參考。

1 研究對(duì)象及模擬工況

研究對(duì)象為某燃煤電廠350 MW亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐為П形布置,采用四角切圓燃燒方式,其設(shè)計(jì)煤種為褐煤。鍋爐本體及燃燒器布置見圖1。通過低溫?zé)峤夤に噷⑸镔|(zhì)原料處理成疏水性較高、能量密度較大、易研磨、便于運(yùn)輸且堆放存儲(chǔ)中不易腐爛的固體顆粒(處理后呈黑色),極大程度地緩解了秸稈燃料的運(yùn)輸存儲(chǔ)問題。成型后生物質(zhì)和褐煤的工業(yè)分析、元素分析見表1。由表1可知:生物質(zhì)的水分含量低、揮發(fā)分含量極高、熱值較高,褐煤的水分和灰分含量較高。因此,摻燒生物質(zhì)可以起到穩(wěn)定燃燒和緩解爐內(nèi)結(jié)渣的作用。

表1 燃料的工業(yè)分析和元素分析

圖1 鍋爐本體及燃燒器布置

考慮到制粉系統(tǒng)出力和對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響,每臺(tái)磨煤機(jī)最多摻燒40%熱值比的生物質(zhì)。為了使生物質(zhì)充分燃燒,優(yōu)先選擇在底部燃燒器進(jìn)行摻燒。保持總風(fēng)量和總?cè)霠t熱量不變,按熱值比將部分褐煤替換為生物質(zhì),A、B、C、D和E磨煤機(jī)的具體摻燒工況見表2。

表2 生物質(zhì)在各磨煤機(jī)的熱值比

2 數(shù)值模擬及計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

使用GAMBIT軟件對(duì)鍋爐進(jìn)行全尺寸建模并完成網(wǎng)格劃分。鍋爐結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,爐頂過熱器僅考慮面積較大的受熱面。因此,可以將模型劃分為灰斗部分、主燃區(qū)、爐膛上部和爐頂過熱器區(qū)域,主燃區(qū)上、下面定義為交界面。

為了保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性,鍋爐各部分均被劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。同時(shí),為了防止擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生,爐膛網(wǎng)格流向與煤粉氣流的射流方向保持一致[10]。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后,選取網(wǎng)格數(shù)為120萬的網(wǎng)格,鍋爐總體和爐膛截面的網(wǎng)格見圖2。

圖2 鍋爐總體及爐膛截面網(wǎng)格

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用Realizablek-ε方程計(jì)算爐內(nèi)的湍流流動(dòng);選擇P1輻射模型;燃燒模型采用組分輸運(yùn)渦耗散模型,采用兩步反應(yīng)描述煤和生物質(zhì)燃燒;采用單速率揮發(fā)模型描述揮發(fā)分析出,動(dòng)力擴(kuò)散模型描述焦炭燃燒,隨機(jī)軌道模型描述燃料顆粒在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況。耦合方法選擇壓力速度SIMPLE算法,所有求解方程均采用一階迎風(fēng)算法。

計(jì)算初值對(duì)收斂時(shí)間的影響較大,因此需要先完成爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算,然后加入燃料進(jìn)行燃燒熱態(tài)仿真,最后進(jìn)行爐內(nèi)NOx的計(jì)算。模擬過程中設(shè)置鍋爐為滿負(fù)荷。

2.3 邊界條件

設(shè)置一次風(fēng)、二次風(fēng)等入口為速度入口,爐膛出口為壓力出口,爐膛壓力為-50 Pa,冷灰斗溫度為200～417 ℃,爐膛水冷壁溫度為417 ℃,過熱器溫度為467～547 ℃。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心截面和燃燒器截面的溫度云圖見圖3。由圖3可見,摻燒生物質(zhì)后,爐膛火焰的充滿度和溫度增加。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)的揮發(fā)分含量較高,對(duì)鍋爐燃燒穩(wěn)定性和擴(kuò)散性有促進(jìn)作用。

圖3 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心及燃燒器截面的溫度

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況下沿爐膛高度方向的平均溫度見圖4。

圖4 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的爐內(nèi)高度方向平均溫度

由圖4可知,摻燒生物質(zhì)可以提高爐膛平均溫度約22 K。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)的熱值較高,并且含水量較低,減少了水分揮發(fā)所需的熱量。主燃區(qū)的平均溫度上升20 K,燃盡風(fēng)至折焰角區(qū)域的平均溫度上升37 K。當(dāng)摻燒生物質(zhì)的熱值比從20%提升至40%后,主燃區(qū)、燃盡區(qū)和全爐膛的平均溫度沒有明顯變化。

杭州瑞年貿(mào)易有限公司技術(shù)研究員何金鋼介紹：“多數(shù)蔬菜和瓜果類作物從前期生根到后期膨果階段對(duì)鈣的需求量非常高，甚至超過常見的大量元素。但因種植者鈣肥施用方式不合理和方法不科學(xué)，導(dǎo)致鈣肥吸收利用率一直上不去，甚至缺失，從而出現(xiàn)一些生理性病害。”

3.2 對(duì)爐內(nèi)氧氣(O2)分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心截面及燃燒器截面O2分布云圖見圖5。由圖5可知,摻燒生物質(zhì)后,主燃燒器的O2射流有變小趨勢(shì),這是因?yàn)樯镔|(zhì)的揮發(fā)分含量高,對(duì)氧量的消耗量大。此外,摻燒生物質(zhì)后水平煙道處的O2含量明顯減少。生物質(zhì)的氧元素含量比褐煤高出2.41倍,但是其碳、氫元素含量分別是褐煤的1.48和2.30倍(見表1),所需的氧量比自身提供的氧量多。

圖5 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心及燃燒器截面O2的體積分?jǐn)?shù)

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況下沿爐膛高度方向的O2含量見圖6。從圖6可以看出:摻燒生物質(zhì)后主燃區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)降低0.5%～1.0%,3種工況標(biāo)高45 m處的運(yùn)行O2體積分?jǐn)?shù)分別為3.6%、3.2%、2.9%。因此,生物質(zhì)在主燃區(qū)和燃盡區(qū)的耗氧能力比褐煤更強(qiáng)。

圖6 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)

3.3 對(duì)爐內(nèi)一氧化碳(CO)分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心截面及燃燒器截面CO分布云圖見圖7。由圖7可知,摻燒生物質(zhì)后,主燃區(qū)的CO含量急劇增加,這是因?yàn)樯镔|(zhì)揮發(fā)分和固定碳含量較高。燃盡風(fēng)以上區(qū)域的CO含量接近0。這說明摻燒生物質(zhì)使主燃區(qū)的不完全燃燒程度增加,但是高揮發(fā)分含量的生物質(zhì)使燃盡率很高。

圖7 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心及燃燒器截面CO的體積分?jǐn)?shù)

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況沿爐膛高度方向的CO含量見圖8。

圖8 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的爐內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)

由圖8可知:摻燒20%和40%熱值比生物質(zhì)后,爐膛平均CO體積分?jǐn)?shù)由1 094×10-6分別上升至2 540×10-6和3 198×10-6,主燃區(qū)的CO體積分?jǐn)?shù)由1 587×10-6分別上升至3 690×10-6和4 549×10-6,燃盡風(fēng)至折焰角區(qū)域的CO由10×10-6分別上升至241×10-6和495×10-6。

3.4 對(duì)爐內(nèi)NOx分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)的鍋爐中心截面及燃燒器截面NOx分布云圖見圖9。生物質(zhì)中氮元素的含量高于褐煤(見表1),但是摻燒生物質(zhì)后NOx含量相比于純煤工況明顯下降。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)中的氮元素主要以胺基存在[7],還原氣氛下易生成CHi、NHi基團(tuán),將NOx還原為N2。

圖9 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的鍋爐中心及燃燒器截面NOx的體積分?jǐn)?shù)

在電廠實(shí)際測(cè)量中,NOx(其中NO體積分?jǐn)?shù)占NOx體積分?jǐn)?shù)的95%)的測(cè)量單位通常為mg/m3。因此,需要進(jìn)行特定的換算[11],換算過程見式(1),式中2.05為NO2從體積分?jǐn)?shù)到質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(1)

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況下沿爐膛高度方向的NOx質(zhì)量濃度的變化見圖10。由圖10可以看出:摻燒生物質(zhì)后沿爐膛高度方向上的NOx質(zhì)量濃度均有不同程度的下降,相比于純煤工況,當(dāng)分別摻燒20%和40%熱值比的生物質(zhì),NOx質(zhì)量濃度由706 mg/m3分別下降至601 mg/m3和537 mg/m3。不同比例的生物質(zhì)對(duì)A、B、C層燃燒器區(qū)域的NOx含量影響并不大。主燃區(qū)的NOx質(zhì)量濃度下降了140～182 mg/m3,并且下降質(zhì)量濃度與摻燒比呈正相關(guān)。在標(biāo)高45 m處,純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況的NOx質(zhì)量濃度分別為852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,說明加入更高比例的生物質(zhì)有利于降低NOx的排放濃度。

圖10 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的爐內(nèi)NOx質(zhì)量濃度

3.5 對(duì)水冷壁熱流密度的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況的水冷壁熱流密度分布情況見圖11(圖中負(fù)值表示熱流密度由爐膛向外傳遞)。摻燒生物質(zhì)后,上爐膛水冷壁溫度云圖出現(xiàn)紅色,意味著摻燒后上爐膛水冷壁吸熱更多,這主要是因?yàn)閾綗笊蠣t膛煙氣溫度增加(見圖3和圖4)?？傮w上,摻燒前后水冷壁熱流密度變化不大,不會(huì)明顯影響爐內(nèi)水冷壁的吸熱情況。

圖11 摻燒不同熱值比生物質(zhì)工況的爐膛水冷壁熱流密度

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬研究了350 MW四角切圓燃燒鍋爐滿負(fù)荷下?lián)綗煌瑹嶂当壬镔|(zhì)(經(jīng)過低溫?zé)峤馓幚?的燃燒狀況和O2、CO、NOx分布特性,具體結(jié)論如下:

(1) 相比于純煤工況,摻燒20%熱值比的生物質(zhì)后,爐膛、主燃區(qū)、燃盡風(fēng)至折焰角區(qū)域的平均溫度分別增加22 K、20 K和37 K。當(dāng)摻燒生物質(zhì)的熱值比從20%提升至40%后,溫度幾乎不變。生物質(zhì)的加入對(duì)鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和擴(kuò)散性有促進(jìn)作用。

(2) 摻燒生物質(zhì)可以使?fàn)t膛煙氣的O2體積分?jǐn)?shù)降低0.5%～1.0%,3種工況標(biāo)高45 m處的O2體積分?jǐn)?shù)分別為3.6%、3.2%、2.9%,氧量的降低幅度與摻燒量呈正相關(guān)。

(3) 生物質(zhì)的摻燒可以使?fàn)t膛主燃區(qū)CO的體積分?jǐn)?shù)上升2 103×10-6～2 962×10-6,CO含量的增加幅度與摻燒量呈正相關(guān)。但是,摻燒前后燃盡風(fēng)區(qū)域的CO體積分?jǐn)?shù)始終接近0。

(4) 摻燒生物質(zhì)后,主燃區(qū)的NOx質(zhì)量濃度降低140～182 mg/m3。在標(biāo)高45 m處,純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質(zhì)工況下NOx的質(zhì)量濃度分別為852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,說明加入更高比例的生物質(zhì)有利于降低NOx排放濃度。

(5) 摻燒生物質(zhì)可以使上爐膛水冷壁的熱流密度輕微增加,但熱流密度總體上改變不大,因此不會(huì)影響水冷壁的吸熱情況。

因此,在燃燒褐煤的機(jī)組摻燒該生物質(zhì)有助于改善鍋爐燃燒的穩(wěn)定性,可以減少NOx排放,不會(huì)明顯影響水冷壁的吸熱情況。