生物質(zhì)氣與煤混燃燃燒過(guò)程數(shù)值模擬及燃燒分析

宋前進(jìn)

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州　450000）

生物質(zhì)氣與煤混燃燃燒過(guò)程數(shù)值模擬及燃燒分析

宋前進(jìn)

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州450000）

為了分析生物質(zhì)氣與煤混燃污染物排放的變化，利用GAMBIT軟件對(duì)鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分；并且基于FLUENT軟件，搭建生物質(zhì)氣和煤混合燃燒模型，對(duì)混合燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算，分析隨著生物質(zhì)氣摻燒比和燃燒溫度的變化爐內(nèi)NOx和SO2排放規(guī)律。當(dāng)含有一定可燃?xì)怏w的生物質(zhì)氣進(jìn)入鍋爐與煤混燃，隨著摻燒比從0%增加至30%，爐膛中心截面的最高溫度從1 910k至1 770k逐漸降低，NOx濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8.92e-04%降至6.21e-04%，SO2的濃度也從9.12e-04%降低至8.37-04%。生物質(zhì)氣的摻燒對(duì)減少污染物的排放有利。

生物質(zhì)氣；混燃；數(shù)值模擬；污染物

在鍋爐內(nèi)，煤粉的燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。根據(jù)爐內(nèi)的燃燒情況，運(yùn)用數(shù)值模擬的知識(shí)，建立數(shù)學(xué)模型，以研究其在燃燒過(guò)程中各種情況的變化。在這些方面，已經(jīng)有一定的研究成果。浙江大學(xué)錢(qián)力庚教授等［1］運(yùn)用數(shù)值模擬的方法模擬了330MW對(duì)沖燃燒鍋爐在煤粉燃燒室爐內(nèi)氣體的流動(dòng)、燃燒時(shí)的傳熱等。華中科技大學(xué)的徐明厚教授［2］同樣運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)一臺(tái)350MW燃煤電站鍋爐進(jìn)行模擬研究，詳細(xì)了解了鍋爐在不同負(fù)荷下的燃燒狀況。湖北省電力試驗(yàn)研究所的黃偉等［3］對(duì)一臺(tái)300MW四角切圓鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，詳細(xì)分析其燃燒之后產(chǎn)物NOx的生成過(guò)程。清華大學(xué)郭印誠(chéng)等［4］認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)煤粉在鍋爐內(nèi)的燃燒有很大的影響［5-6］，并據(jù)此對(duì)爐內(nèi)的燃燒狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。Srdian Belosevic等［7-8］采用Eulerian-Lagrang?ian方法成功地預(yù)測(cè)除了在不同工況下鍋爐的運(yùn)行參數(shù)。浙江大學(xué)的潘維等［9-10］通過(guò)數(shù)值模擬得出了不同的配風(fēng)比例對(duì)鍋爐燃燒的影響。但是，對(duì)于生物質(zhì)氣與煤粉混燃對(duì)NOx和SO2排放的研究不多。

1　生物質(zhì)氣與煤混合燃燒過(guò)程

1.1生物質(zhì)氣與煤混合燃燒過(guò)程及鍋爐特點(diǎn)

生物質(zhì)氣是由生物質(zhì)氣化得來(lái)，其包含成分復(fù)雜，主要含有的可燃?xì)怏w成分包括CO、H2和CH4等。生物質(zhì)氣通過(guò)燃燒器進(jìn)入鍋爐，和進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)行混合燃燒，將引起鍋爐燃燒狀況及煙氣產(chǎn)物的變化。生物質(zhì)氣與煤混燃過(guò)程如圖1所示。

圖1　生物質(zhì)氣化及與煤混燃流程

其中，生物質(zhì)氣化采用的氣化爐是常壓循環(huán)流化床氣化爐，混燃鍋爐模型為東方鍋爐廠DG1025/17.5-П4型300MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐，該鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 095t/h，過(guò)熱蒸汽出口壓力為17.5MPa，過(guò)熱蒸汽出口溫度為540℃。再熱蒸汽量為962t/h，再熱蒸汽出口壓力為3.42MPa，再熱蒸汽出口溫度為541℃，給水溫度為276℃。爐膛高度為36.10m，寬度為14.02m，深度為12.35m，一次風(fēng)噴嘴截面尺寸為0.32m×0.48m，二次風(fēng)噴嘴截面為0.42m×0.64m。

燃燒方式為四角布置切向燃燒，整組燃燒器設(shè)置四層一次風(fēng)噴口、四層二次風(fēng)噴口、二次風(fēng)和一次風(fēng)間隔布置，每角燃燒器分為上下兩組，整組燃燒器高為10.07m。鍋爐參數(shù)如表1所示。

表1　鍋爐參數(shù)表

1.2混合燃燒理論

為了更好地顯現(xiàn)出生物質(zhì)氣與煤粉混合燃燒的特性，特選取純煤粉燃燒的工況進(jìn)行對(duì)比。

選取的煤種特性及生物質(zhì)氣特性分別如表2和表3所示。

表2　煤元素分析及低位熱值

表3　生物質(zhì)氣成分

首先考慮純煤粉燃燒時(shí)所需的燃料消耗量，以便于求得生物質(zhì)氣摻燒之后煤粉消耗量的變化。因此，純煤粉燃燒時(shí)煤粉消耗量Bcoal公式如下：

式（1）中，Dsh為過(guò)熱蒸汽流量，kg/s；為過(guò)熱蒸汽焓，kJ/kg；ifw為給水焓，kJ/kg；Drh為再熱蒸汽流量，kg/s；i″

為保證進(jìn)入鍋爐的總熱量不變，以純煤粉燃燒時(shí)的燃料的總熱量為基準(zhǔn)總熱量，基準(zhǔn)總熱量Q的計(jì)算公式為：

式（2）中，Bcoal為煤粉消耗量，kg/s；Qcoal為煤的低位熱值，kJ/kg。

隨著摻燒比例的增加，生物質(zhì)氣的含量增多，因此根據(jù)生物質(zhì)氣和煤粉的低位熱值，可以求得生物質(zhì)氣的質(zhì)量流量。生物質(zhì)氣摻燒比例的公式如下：

式（3）中，α為生物質(zhì)氣的摻燒比；Mcoal為煤粉質(zhì)量，kg；Mgas為生物質(zhì)氣總質(zhì)量，kg。

生物質(zhì)氣的質(zhì)量流量Bgas：

式（4）中，Bcoal為煤粉消耗量，kg/s；Qcoal為煤粉的低位發(fā)熱值，kg/kJ；Qgas為生物質(zhì)氣的低位發(fā)熱值，kg/kJ。

設(shè)計(jì)生物質(zhì)氣從爐膛下一次風(fēng)噴口進(jìn)入，爐膛一次風(fēng)噴口面積已知，可以得出噴入生物質(zhì)氣的噴口速度Vgas：

式（5）中，ρgas為生物質(zhì)氣的密度，kg/m3；S為一次風(fēng)噴口面積，m2。

模擬煤粉燃燒時(shí)，空氣量是關(guān)系著煤粉是否能完全燃燒的重要因素，根據(jù)煤粉的元素分析，可以得出煤粉燃燒的理論空氣量。

在煤粉燃燒時(shí)，根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)，可以求得所需的實(shí)際空氣量。純煤粉燃燒選取過(guò)量空氣系數(shù)β=1.05，則煤粉燃燒實(shí)際所需的空氣量為：

式（6）中，V1為煤粉燃燒實(shí)際所需的空氣量，m3/kg。根據(jù)實(shí)際空氣量，可以算出二次風(fēng)噴口的速度：

式（7）中，S1為二次風(fēng)噴口面積，m2。生物質(zhì)氣燃燒所需的空氣量為：

式（8）中：V2為生物質(zhì)氣燃燒所需空氣量，kg/s；VH2、VCO、VH2

分別為生物質(zhì)氣中H2、CO、CH4的質(zhì)量流量，kg/s。

輸入鍋爐的總的空氣流量為：

式（9）中，V為輸入鍋爐的總的空氣流量為，kg/s；Bcoal為輸入鍋爐的煤的質(zhì)量流量，kg/s。

由以上式子可得初始參數(shù)表如表4所示。

表4　初始參數(shù)表

2　結(jié)果分析

2.1燃燒器區(qū)域速度場(chǎng)

圖2　速度場(chǎng)分布

圖2中，a為α=0，b為α=0.1，c為α=0.2，d為α=0.3。從圖2中可以看出，燃煤時(shí)爐內(nèi)在燃燒器區(qū)域，包括與冷灰斗交界面處都有回流產(chǎn)生，形成漩渦。從燃燒器出來(lái)的氣流大部分向上流動(dòng)，有一小部分向下流動(dòng)，進(jìn)入冷灰斗。在4個(gè)圖中可以清晰地看出在一次風(fēng)截面及二次風(fēng)截面有很明顯的速度切圓。隨著摻入生物質(zhì)氣的比例增加，爐膛中心截面速度變化不大，約為20～50m/s，爐膛出口出口截面速度約為5～10m/s，但是在靠近折焰角附近的速度逐漸增大，當(dāng)α=0時(shí)，速度為25m/s；α=0.1時(shí)，為28m/s；當(dāng)α=0.2，速度為30m/s；α=0.3時(shí)，速度為32m/s。這就導(dǎo)致此處的湍流強(qiáng)度逐漸增大，混合加強(qiáng)，促進(jìn)煤粉燃盡，加強(qiáng)了爐內(nèi)燃燒。

2.2沿爐膛高度溫度分布

圖3　溫度場(chǎng)分布

圖3中，a為α=0，b為α=0.1，c為α=0.2，d為α=0.3。從圖3可以看出：高溫區(qū)出現(xiàn)在爐膛的中上部，向爐膛出口逐漸遞減，這與實(shí)際鍋爐燃燒情況基本相符。在一次風(fēng)截面即燃料入口截面，由于爐內(nèi)的燃料被迅速加熱，所以在該區(qū)域燃燒情況較為劇烈，且溫度分布呈旋渦狀，在燃燒區(qū)上部出現(xiàn)高溫區(qū)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：在燃燒時(shí)，最高溫度都維持在1 400～1 800k，與實(shí)際情況相同。α=0時(shí)，純煤粉燃燒，爐膛中心截面達(dá)到最高溫度，為1 900k，燃燒器區(qū)域爐膛截面溫度為1 700k；α=0.1時(shí)，爐膛中心截面達(dá)到最高溫度為1 800k，燃燒器區(qū)域爐膛截面溫度為1 600k；α=0.2時(shí)，其中心截面最高溫度為1 700k，燃燒器區(qū)域爐膛截面溫度為1 500k；α=0.3時(shí)，中心截面最高溫度為1 600k，燃燒器區(qū)域爐膛截面溫度為1 400k。隨著生物質(zhì)氣的比例不斷增加，煤粉的燃燒溫度略有降低。由此可見(jiàn)，摻入生物質(zhì)氣后，對(duì)鍋爐效率影響不大，同時(shí)減少了煤粉含量，節(jié)約了能源。當(dāng)生物質(zhì)氣的比例增加時(shí)，可以看出燃燒區(qū)域的溫度逐漸升高，說(shuō)明摻入的生物質(zhì)氣容易燃燒，比單獨(dú)煤粉燃燒較早的達(dá)到較高的溫度，使煤粉的著火提前，有助于煤粉的燃燒。

2.3沿爐膛高度截面CO濃度分布

圖4　CO濃度分布

圖5　CO濃度隨爐膛高度分布圖

隨著摻燒比例的增加，爐膛中心截面的CO濃度逐漸降低（見(jiàn)圖4和圖5）。α=0時(shí)，純煤粉燃燒，爐膛中心截面CO濃度為4.83e-03%；α=0.1時(shí)，爐膛中心截面CO濃度為4.03e-03%；α=0.2時(shí)，爐膛中心截面CO濃度為2.74e-03%；α=0.3時(shí)，爐膛中心截面CO濃度為1.53e-03%。這是因?yàn)樵跔t膛中心截面，燃料在富氧下燃燒，迅速燃盡，CO的濃度很快降低。

4種工況下CO濃度的峰值都是在煤粉燃燒器區(qū)域，隨著生物質(zhì)氣摻燒量的增加，CO濃度水平明顯下降。從污染物控制方面考慮，燃燒器區(qū)域形成CO濃度較高的還原性氣氛，有利于減少NOx。

2.4沿爐膛高度截面O2的濃度分布

圖6　O2濃度分布

α=0時(shí)，純煤粉燃燒，燃燒器區(qū)域截面O2濃度為2.28e-01%；α=0.1時(shí)，燃燒器區(qū)域截面O2濃度為2.26e-01%；α=0.2時(shí)，燃燒器區(qū)域截面O2濃度為2.24e-01%；α=0.3時(shí)，燃燒器區(qū)域截面O2濃度為2.20-01%（見(jiàn)圖6和圖7）。這是因?yàn)樵诙物L(fēng)口附近，新鮮的來(lái)流使O2的濃度達(dá)到最大值；相反，在一次風(fēng)口附近，新鮮來(lái)流形成噴口附近燃料濃度的最大值，消耗大量的O2，造成此處的O2濃度較低，隨著生物質(zhì)氣的比例增加，其中部分氣體與氧氣發(fā)生反應(yīng)，也消耗了氧氣，所以在燃燒器區(qū)域氧氣濃度減低。

圖7　O2濃度隨爐膛高度分布圖

3　結(jié)論

基于FLUENT軟件，搭建生物質(zhì)氣和煤混合燃燒模型，研究生物質(zhì)氣與煤混燃爐膛內(nèi)NOx和SO2排放的分布特性。

①隨著生物質(zhì)氣摻入的比例增加，NOx和SO2的濃度逐漸降低，由于摻燒生物質(zhì)氣的比例增加，爐膛內(nèi)的溫度水平整體下降，而NOx和SO2的濃度受溫度影響較大。另外，因?yàn)槿紵鲄^(qū)域周?chē)捎谏镔|(zhì)氣中CO、H2等還原性氣體增加，對(duì)NO和SO2具有還原作用，這些都是NOx和SO2濃度降低的原因。

②爐內(nèi)NOx的濃度隨爐膛高度先上升后下降，SO2的濃度隨爐膛高度先上升后下降，在燃燒器區(qū)域濃度較高，這是因?yàn)闋t內(nèi)的高溫區(qū)主要集中在燃燒器區(qū)域。在相同條件下，溫度高的地方，NOx和SO2的濃度較大。

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Numerical Simulation and Combustion Analysis of Biomass Gas and Coal Co-firing Process

Song Qianjin
（Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing，Zhengzhou Henan 450000）

In order to analyze the emission changes of biomass gas and coal co-firing pollutants，GAMBIT software was used to partition the furnace structure of the boiler.And based on FLUENT software，biomass gas and coal mixed combustion model was builded，the mixed combustion process was simulated and calculated，and the NOxand SO2emissions in the furnace were analyzed with the change of the biomass gas combustion ratio and the temperature. When the combustible gases containing a certain mixed with coal combustion of biomass gas into the boiler，with the mixing ratio increased from 0%to 30%，the maximum temperature of the center section of the furnace was gradually reduced from 1 910k to 1 770k，the concentration of NOxconcentration dropped from 8.92e-04%to 6.21e-04%，and the concentration of SO2concentration dropped from 9.12e-04%to 8.37-04%.The combustion of biomass gas is ben?eficial to reduce the emission of pollutants.

biomass gas；co-firing；numericalsimulation；pollutant

TK224.1

A

1003-5168（2016）08-0025-04

2016-07-20

宋前進(jìn)（1978-），男，本科，研究方向：承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)。