300 MW電站煤粉鍋爐耦合摻燒生物質(zhì)的CFD數(shù)值模擬

趙小軍，王學(xué)斌，孫錦余，薛東發(fā)

(1.南電能源綜合利用有限公司，廣東 廣州 510670；2.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

近年來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和已被納入國(guó)家整體的戰(zhàn)略布局，而可再生能源的利用將是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必由之路。我國(guó)生物質(zhì)資源產(chǎn)量極其豐富，且可利用總量約為一次能源的1/3，是僅次于煤的一次能源。氣化和直燃技術(shù)是目前生物質(zhì)利用的2種重要模式，后者由于經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢(shì)已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛推廣。生物質(zhì)灰中含有大量堿金屬，通常與煤混燃以減少爐內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以利用現(xiàn)存的燃煤設(shè)備，大大降低初期投資成本。RüDIGER等[1]在0.5 MW 燃燒爐內(nèi)開(kāi)展生物質(zhì)與煤的混燃試驗(yàn)，研究了生物質(zhì)粒徑、混燃比例、空燃比等因素對(duì)爐內(nèi)NOx排放以及燃盡率的影響，發(fā)現(xiàn)混燒比例低于20%工況均能實(shí)現(xiàn)整體燃盡率大于99%，而生物質(zhì)作為再燃燃料對(duì)于NOx還原作用顯著增強(qiáng)。MUN等[2]對(duì)550 MW耦合摻燒生物質(zhì)的鍋爐進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)中水分與熱值是影響鍋爐效率的主要因素。AGBOR等[3]對(duì)北美生物質(zhì)混燃項(xiàng)目進(jìn)行了回顧，指出生物質(zhì)相比煤含有更少量的S和N元素，與煤混燃能有效降低NOx和SOx的排放。LU等[4]采用可視化技術(shù)對(duì)0.5 MW爐內(nèi)摻燒生物質(zhì)的火焰穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)的火焰更明亮，火焰溫度比純燒煤工況更高，而由于生物質(zhì)水分高、粒徑大，各混燒工況存在不同程度的著火延遲。我國(guó)最具代表性的是十里泉發(fā)電站[5]，采用附近回收的秸稈為生物質(zhì)燃料，采用了多套磨煤系統(tǒng)，示范結(jié)果較為成功。WANG等[6]在寶雞電廠的300 MW煤粉爐中開(kāi)展了生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)，以霉菌生物質(zhì)顆粒作為原料實(shí)現(xiàn)了與煤的耦合摻燒，該系統(tǒng)不需要額外的生物質(zhì)磨粉，結(jié)果表明摻燒生物質(zhì)后爐內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，NOx排放大幅降低。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了眾多生物質(zhì)與煤摻燒的數(shù)值模擬工作，為生物質(zhì)燃料在大型電站鍋爐中的耦合摻燒提供參考。LVAREZ[7]等在小型沉降爐中的模擬結(jié)果表明，生物質(zhì)與煤的耦合摻燒能顯著提高爐內(nèi)的綜合燃燒性能，即隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，爐內(nèi)最高溫度降低，NOx排放也顯著降低，且在富氧燃燒模式下?lián)綗镔|(zhì)能實(shí)現(xiàn)CO2負(fù)排放；ZHANG等[8]利用小型的IFRF NO.1試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)使得爐內(nèi)平均溫度更低，溫度場(chǎng)更均勻；王俊等[9]采用渦耗散模型對(duì)660 MW機(jī)組開(kāi)展了生物質(zhì)摻燒研究，探究了燃料直徑、生物質(zhì)射入位置等因素對(duì)爐內(nèi)燃燒及污染物排放的影響。劉家利等[10]綜述了大型燃煤電站鍋爐摻燒生物質(zhì)的研究進(jìn)展，得到了摻燒比例在15%以下較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)論。然而，針對(duì)生物質(zhì)摻燒比例、送風(fēng)溫度等參數(shù)對(duì)于爐內(nèi)燃燒情況的影響仍有待討論。

筆者對(duì)300 MW電站煤粉爐內(nèi)耦合摻燒生物質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，采用陜北地區(qū)分布廣泛的榆林煤和麥稈作為燃料，重點(diǎn)討論了生物質(zhì)摻燒比例、送粉溫度等對(duì)于爐內(nèi)參數(shù)的影響，以期為生物質(zhì)在實(shí)際爐內(nèi)的摻燒提供借鑒。

1 模型及設(shè)置

1.1 爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃料特性

本數(shù)值模擬工作在某300 MW四角切圓鍋爐中展開(kāi)。該鍋爐采用π型布置，本研究?jī)H限于對(duì)爐膛燃燒部分。圖1展示了針對(duì)該爐膛簡(jiǎn)化后的幾何建模。其中爐膛總高度約為55 m，燃燒器區(qū)域剖面尺寸寬為13.5 m，長(zhǎng)14 m。

圖1 鍋爐幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Furnace geometry

該煤粉爐的一次風(fēng)與二次風(fēng)噴口采用交叉布置，并配有3層SOFA風(fēng)噴口。燃燒器分2組，每組燃燒器采用3個(gè)一次風(fēng)噴口和4個(gè)二次風(fēng)噴口交叉布置。其中一次風(fēng)口用單個(gè)字母標(biāo)出，二次風(fēng)由2個(gè)字母標(biāo)出，SOFA單獨(dú)標(biāo)出。由下至上的噴口分別為AA、A、AB、B、BC、C、CC、DD、D、DE、E、EF、F、FF、SOFA1、SOFA2、SOFA3。其中生物質(zhì)將從B、C兩個(gè)燃燒器中送入爐膛，通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)燃燒器的生物質(zhì)送粉量來(lái)改變生物質(zhì)的摻燒比例。

榆林煙煤在陜北地區(qū)分布廣泛，是十分優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力用煤。小麥則是我國(guó)北方地區(qū)重要的農(nóng)作物，麥稈廢棄物資源十分可觀。因此，本數(shù)值模擬選擇以上2種原料進(jìn)行研究，燃料的工業(yè)分析、元素分析見(jiàn)表1。

表1 燃料元素分析及工業(yè)分析

1.2 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

實(shí)際鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，有必要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)。本模型中，布滿受熱面的鍋爐壁面可簡(jiǎn)化為恒溫壁面，燃燒器統(tǒng)一簡(jiǎn)化為矩形噴口以降低收斂難度[11]。

本模型采用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)剖分，爐膛劃分為3個(gè)區(qū)域，分別是冷灰斗區(qū)、主燃區(qū)以及爐膛上部區(qū)域。其中主燃區(qū)的網(wǎng)格剖面如圖2所示。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，最終采用剖分?jǐn)?shù)量為183萬(wàn)的網(wǎng)格開(kāi)展后續(xù)的數(shù)值模擬工作。

圖2 主燃區(qū)網(wǎng)格剖面Fig.2 Mesh section of main combustion zone

1.3 計(jì)算方法和模型設(shè)置

固體燃料在爐內(nèi)的燃燒過(guò)程涉及多個(gè)物理化學(xué)過(guò)程及相互耦合作用[12]。在大型煤粉爐內(nèi)的數(shù)值模擬研究中，高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)可視為湍流，本研究中采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行求解[13]；大型電站鍋爐內(nèi)的顆粒相占?xì)庀嗟谋壤话悴蛔?0%，因此可以采用離散相模型描述顆粒運(yùn)動(dòng)，即采用歐拉法對(duì)連續(xù)相進(jìn)行求解，而采用拉格朗日法對(duì)離散相進(jìn)行求解。煤和生物質(zhì)顆粒在噴入爐膛前經(jīng)磨煤機(jī)磨制，粒徑較小，符合顆粒內(nèi)部溫度均勻的等溫假說(shuō)條件。而前人對(duì)燃燒生物質(zhì)顆粒的研究結(jié)果也表明，當(dāng)顆粒小于幾百微米時(shí)，顆粒內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞行為并不顯著，對(duì)于顆粒的燃燒過(guò)程影響很小[14]。

固體燃料在爐內(nèi)經(jīng)歷揮發(fā)分釋放和燃燒、焦炭燃燒和燃盡等過(guò)程。而生物質(zhì)和煤在燃燒過(guò)程中的相關(guān)過(guò)程可能具有顯著的差異性。在本文模擬過(guò)程中，煤揮發(fā)分的釋放采用雙競(jìng)爭(zhēng)模型[15]，焦炭消耗采用擴(kuò)散/動(dòng)力模型；而對(duì)于生物質(zhì)，其本身?yè)]發(fā)分含量更高，且更易揮發(fā)，麥稈的揮發(fā)分釋放模擬采用了YIN等[16]提出的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，活化能A=1.9×103kJ/mol；目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于生物質(zhì)焦炭的燃燒模擬常采用煤焦的相關(guān)參數(shù)，然而生物質(zhì)內(nèi)部的焦炭更容易著火和燃燒，本文采用Intrinsic 模型對(duì)生物質(zhì)焦炭燃燒進(jìn)行描述。以上2種焦炭消耗模型均可由方程(1)控制[17]:

(1)

其中，mp為煤粉顆粒的質(zhì)量；Ap為顆粒表面積；ρ、R、T∞、Yox、Mw,ox分別為顆粒表面氧化劑的密度、通用氣體常數(shù)、焦炭反應(yīng)溫度、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相對(duì)分子質(zhì)量；D0為氧化劑的擴(kuò)散系數(shù)；ω為Arrhenius 形式的動(dòng)力學(xué)速率。描述焦炭燃燒的擴(kuò)散/動(dòng)力模型與Intrinsic模型的主要區(qū)別在于ω項(xiàng)，后者進(jìn)一步考慮了氧氣在煤焦孔隙內(nèi)的擴(kuò)散作用。描述生物質(zhì)焦燃燒的動(dòng)力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[18]，其中控制質(zhì)量擴(kuò)散的系數(shù)為5×10-12,控制動(dòng)力反應(yīng)的指前因子和活化能分別為0.66 和7.48×104J/mol，焦炭孔隙率為0.4，平均孔半徑為1.6×10-6mm。

數(shù)值模擬過(guò)程中，生物質(zhì)和煤的揮發(fā)分通常假設(shè)為單一組分，因此參照WANG等[18]工作并根據(jù)元素守恒，假設(shè)揮發(fā)分組成為CxHyOz，進(jìn)一步采用有限速率模型，對(duì)揮發(fā)分在湍流中的燃燒進(jìn)行計(jì)算。本研究煤和生物質(zhì)的揮發(fā)分組分分別為C1.65H3.29O0.36與C1.02H2.53O0.88。假設(shè)其燃燒過(guò)程是中間產(chǎn)物為CO的兩步反應(yīng)，相關(guān)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模擬中采用WSGGM模型對(duì)三原子氣體的吸收系數(shù)進(jìn)行求解，該模型相對(duì)于譜帶模型形式簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用在鍋爐燃燒領(lǐng)域[19]。采用離散坐標(biāo)法(DO模型)對(duì)爐內(nèi)的輻射作用進(jìn)行建模。由于N元素在煤中含量相對(duì)可燃基占比很小，在計(jì)算熱態(tài)場(chǎng)的過(guò)程中常不考慮N元素的轉(zhuǎn)化，而爐內(nèi)NOx生成的計(jì)算實(shí)際是基于收斂熱態(tài)場(chǎng)的后處理過(guò)程。本研究同時(shí)考慮燃料型NOx和熱力型NOx。根據(jù)工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù),假設(shè)焦炭氮在煤和生物質(zhì)燃料中占比分別為0.7[20]、0.3[21]，可得到氮元素在燃燒過(guò)程中的遷徙分配，見(jiàn)表3。

表2 氣相反應(yīng)方程

表3 燃料氮占比

燃料N可直接氧化為NO，或先轉(zhuǎn)化為HCN和NH3等中間產(chǎn)物，進(jìn)一步被氧化為NO。而NO可經(jīng)焦炭、碳?xì)浠衔镞€原為N2。本模型中用到的N轉(zhuǎn)化路徑如圖3所示。LVAREZ等[22]認(rèn)為煤的揮發(fā)分N直接轉(zhuǎn)化為HCN,而生物質(zhì)的揮發(fā)分N以NH3的形式釋放，焦炭N則直接轉(zhuǎn)化為NO。模型中熱力型NOx由方程(2)～(4)控制，動(dòng)力學(xué)參數(shù)參考HANSON等[23]的研究成果：

圖3 模型中的N轉(zhuǎn)化路徑Fig.3 Path way of N element in the model

(2)

(3)

(4)

最終的模擬結(jié)果采用CFD-POST進(jìn)行后處理，得到爐內(nèi)詳盡的流動(dòng)和燃燒細(xì)節(jié)。

1.4 模擬工況與邊界條件

對(duì)該鍋爐燃料中生物質(zhì)的混燒比例和送粉溫度的變工況進(jìn)行模擬，研究不同工況下?tīng)t膛內(nèi)溫度場(chǎng)、各組分濃度、顆粒和焦炭濃度分布的結(jié)果。模擬鍋爐額定設(shè)計(jì)參數(shù)，按照燃料的理論燃燒空氣量約為1.00∶1.15送入空氣助燃。生物質(zhì)從B層或C層燃燒器送入。不同工況及對(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表4。不同工況下應(yīng)保證輸入爐膛的輸入熱量不變，因此需要在計(jì)算時(shí)依據(jù)燃料的發(fā)熱量，并且通過(guò)調(diào)整B層與C層送入生物質(zhì)的質(zhì)量流量來(lái)改變摻燒比例。

表4 數(shù)值模擬采用工況參數(shù)

2 鍋爐耦合摻燒生物質(zhì)模擬結(jié)果及分析

2.1 生物質(zhì)摻燒比例的影響

研究了不同生物質(zhì)摻燒比例對(duì)溫度場(chǎng)、物質(zhì)組分分布和焦炭濃度的影響，工況1、2、3分別為煤粉純燒、生物質(zhì)15%混燒、生物質(zhì)30%混燒。

2.1.1溫度場(chǎng)

圖4為不同工況下?tīng)t膛內(nèi)溫度場(chǎng)分布。

圖4 不同工況下?tīng)t膛內(nèi)溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution in furnace under different conditions

可見(jiàn)各工況下?tīng)t膛內(nèi)著火和火焰充滿程度較好。從爐膛底部到爐膛頂部，爐膛內(nèi)溫度先升高后降低。對(duì)比不同工況可以發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，燃燒器附近區(qū)域的局部溫度稍有升高，原因在于生物質(zhì)在燃燒初期受熱釋放大量揮發(fā)分，且生物質(zhì)焦由于密度更低使得著火特性優(yōu)于煙煤，導(dǎo)致燃燒初期燃燒熱釋放更劇烈，噴口附近溫度更高；結(jié)合爐膛中心溫度變化(圖5)可知，隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，爐膛中心最高溫度位置基本不變，而爐膛主燃區(qū)域和冷灰斗區(qū)域的溫度略有升高，而爐膛上部區(qū)域的溫度較低。經(jīng)分析，主要原因在于生物質(zhì)比例增加，主燃區(qū)的燃燒得到強(qiáng)化，使得主燃區(qū)對(duì)冷灰斗區(qū)域的傳熱增強(qiáng)，冷灰斗區(qū)域的平均溫度相應(yīng)升高。而在爐膛上部區(qū)域，由于燃料燃盡提前，燃料在該區(qū)域的放熱減少，導(dǎo)致該區(qū)域的平均溫度顯著降低，出口煙溫隨之降低。對(duì)爐內(nèi)溫度的統(tǒng)計(jì)表明，與純燒煙煤的工況相比，摻燒30%的工況爐內(nèi)平均溫度降低約40 K，說(shuō)明整體爐內(nèi)溫度場(chǎng)更加均勻。

圖5 不同生物質(zhì)摻燒比例下?tīng)t膛中心溫度的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of temperature distribution in furnace center under different co-firing ratios

2.1.2組分濃度分布

1)O2體積分?jǐn)?shù)分布。O2體積分?jǐn)?shù)的變化能很好地反映爐內(nèi)燃燒和煙氣流動(dòng)情況。圖6為爐膛中心O2體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，不同工況下?tīng)t膛主燃區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)最低，冷灰斗區(qū)域的O2體積分?jǐn)?shù)在摻燒更高比例的生物質(zhì)后明顯提高。而燃盡風(fēng)噴入后，爐膛中心O2體積分?jǐn)?shù)不斷上升。隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，爐膛內(nèi)的燃燒反應(yīng)集中在了爐膛燃燒器附近，而生物質(zhì)中氧元素含量更高，單位輸入熱量條件下需要的氧量更低，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)的平均氧氣含量相對(duì)更高。

圖6 不同生物質(zhì)摻燒比例下?tīng)t膛中心氧氣濃度的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of oxygen concentration in furnace center under different co-firing ratios

2)CO2體積分?jǐn)?shù)分布。圖7為不同工況下的CO2體積分?jǐn)?shù)的分布，隨生物質(zhì)摻燒比例增加，爐膛出口處CO2體積分?jǐn)?shù)基本一致，但在爐膛燃燒器區(qū)域以及部分冷灰斗區(qū)域，CO2體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

KARAMPINIS等[24]研究表明，生物質(zhì)揮發(fā)分高，在燃燒器附近，揮發(fā)分可以充分脫出并參與燃燒過(guò)程，因此其燃燒反應(yīng)速度大于煤粉作為燃料的燃燒反應(yīng)速度，CO2在燃燒初期釋放水平提高，導(dǎo)致主燃區(qū)消耗O2速度提高，從而導(dǎo)致主燃區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)升高，而燃盡區(qū)域的CO2生成減少，因此在爐膛出口處CO2體積分?jǐn)?shù)在不同工況下基本一致。

3)CO體積分?jǐn)?shù)分布。圖8為爐膛中心CO體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯鰻t膛中心CO體積分?jǐn)?shù)隨高度增加而先增后減。從冷灰斗開(kāi)始不斷上升，在燃燒器附近達(dá)到最高點(diǎn)，之后逐漸降低。隨著生物質(zhì)摻燒比例增加，爐膛內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)在各處均明顯下降。分析認(rèn)為，生物質(zhì)具有更好的著火和燃燒特性，隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，主燃區(qū)燃燒強(qiáng)度提高，CO燃燒速率顯著增大，使得摻燒生物質(zhì)的工況下主燃區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)水平較純燒煤的工況減半。

2.1.3焦炭質(zhì)量濃度分布

各生物質(zhì)摻燒比例下?tīng)t內(nèi)焦炭的燃盡情況如圖9所示。

圖9 不同工況下?tīng)t膛內(nèi)焦炭質(zhì)量濃度分布云圖Fig.9 Char distribution in furnace under different conditions

可知未燃盡炭主要分布在爐膛中部區(qū)域和冷灰斗區(qū)域。燃料經(jīng)一次風(fēng)噴口進(jìn)入爐膛，進(jìn)一步與二次風(fēng)混合沿切圓軌跡燃燒，一部分由煙氣攜帶至冷灰斗區(qū)域，使該區(qū)域形成缺氧環(huán)境。其中較大顆粒的焦炭有可能會(huì)與冷灰斗壁面碰撞進(jìn)而沉積下來(lái)，一部分也可以隨著氣流再次回到主燃區(qū)和爐膛上部進(jìn)行燃盡。

對(duì)比不同工況下的爐膛內(nèi)焦炭質(zhì)量濃度分布，可以發(fā)現(xiàn)隨生物質(zhì)摻燒比例增加，爐膛內(nèi)部整體焦炭質(zhì)量濃度顯著降低，爐膛內(nèi)焦炭分布較高的區(qū)域逐漸收縮。分析認(rèn)為，隨生物質(zhì)摻燒比例增加，燃料整體的揮發(fā)分含量更高，燃料著火位置提前，并向噴口移動(dòng)。

2.1.4NOx排放

NOx排放指標(biāo)是燃煤機(jī)組運(yùn)行調(diào)控的重要依據(jù)。生物質(zhì)與煤的物理化學(xué)性質(zhì)具有顯著差異，生物質(zhì)摻燒將顯著影響爐內(nèi)NOx生成規(guī)律。一般認(rèn)為，相比煤，生物質(zhì)中含有更少量的N元素，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒過(guò)程中NOx生成減少。而本研究中生物質(zhì)的N元素含量是煤的2倍。

圖10對(duì)比了不同工況條件下?tīng)t膛出口NOx排放規(guī)律，可知純燒煙煤的爐膛出口質(zhì)量濃度達(dá)420 mg/m3,而隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，NOx出口質(zhì)量濃度呈增加趨勢(shì)，摻燒30%生物質(zhì)時(shí)NOx排放質(zhì)量濃度提高約20%。分析認(rèn)為，生物質(zhì)比例提高使得輸入到爐內(nèi)的燃料N含量相應(yīng)提高，而爐內(nèi)沿程O(píng)2體積分?jǐn)?shù)提高、焦炭質(zhì)量濃度降低使得燃料型NOx生成增加。且燃燒初期更高的燃燒強(qiáng)度也促進(jìn)了NOx的轉(zhuǎn)化。因此，燃煤機(jī)組摻燒生物質(zhì)應(yīng)綜合考慮燃料的物理化學(xué)屬性，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

圖10 NOx出口排放質(zhì)量濃度Fig.10 NOx emissions at furnace outlet

2.2 送粉溫度的影響

生物質(zhì)送粉溫度關(guān)乎機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際輸送生物質(zhì)一般選擇常溫空氣送粉或與煤粉一次風(fēng)溫相同的熱風(fēng)送粉。討論生物質(zhì)送粉溫度為378和293 K兩個(gè)工況時(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)、物質(zhì)組分分布和焦炭濃度分布的影響。其中，工況4相較工況2而言改變了B、C層燃燒器送入生物質(zhì)的溫度，工況2、4溫度分別為378、293 K。

2.2.1溫度場(chǎng)

工況2與工況4的溫度分布云圖如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)僅改變2層送粉溫度對(duì)爐內(nèi)溫度分布影響不大，且主要集中在燃燒器區(qū)域。隨著爐膛由下層到上層燃燒的不斷發(fā)展以及新燃料的噴入，在至煤粉噴口附近，2個(gè)工況溫度場(chǎng)基本無(wú)差異。

2.2.2物質(zhì)組分濃度

1)O2體積分?jǐn)?shù)分布。不同工況下?tīng)t膛內(nèi)O2濃度分布云圖如圖12所示?？芍?者的O2體積分?jǐn)?shù)分布幾乎保持一致，但工況4的O2在出口位置稍有升高，可以認(rèn)為是較低的送風(fēng)溫度85 ℃一定程度上降低了爐內(nèi)的燃盡情況，但在可控范圍內(nèi)。

圖11 不同工況下?tīng)t膛內(nèi)溫度分布云圖Fig.11 Temperature distribution in furnace undervaried conditions

圖12 不同工況下?tīng)t膛內(nèi)O2濃度分布云圖Fig.12 O2 distribution in furnace under different conditions

2)CO與焦炭濃度分布。不同工況條件下?tīng)t膛內(nèi)CO濃度分布云圖如圖13所示。由圖13可知2個(gè)工況下CO體積分?jǐn)?shù)分布接近，在燃燒器附近的小范圍區(qū)域內(nèi)工況2的CO體積分?jǐn)?shù)略高于工況4。這是由于較低的送粉溫度使?fàn)t膛內(nèi)溫度在噴口附近略有下降，局部燃燒溫度下降，在一定程度上阻礙了CO生成，CO體積分?jǐn)?shù)在燃燒器區(qū)域降低，相應(yīng)的CO2體積分?jǐn)?shù)隨之升高。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)送粉溫度的改變，爐膛內(nèi)焦炭濃度分布情況并未發(fā)生明顯變化。

圖13 不同工況下?tīng)t膛內(nèi)CO濃度分布云圖Fig.13 CO distribution in furnace under different conditions

降低生物質(zhì)送粉溫度并未顯著影響后續(xù)燃燒過(guò)程中溫度、組分參數(shù)，因此可以適當(dāng)降低一次風(fēng)溫度，避免生物質(zhì)在輸送過(guò)程中發(fā)生自燃，確保生物質(zhì)送粉系統(tǒng)的安全。

3 結(jié) 論

1)在300 MW大型四角切圓煤粉爐上開(kāi)展了針對(duì)生物質(zhì)摻燒比例的變工況數(shù)值模擬,摻燒比例分別為0、15%、30%。數(shù)值模擬結(jié)果表明：生物質(zhì)摻燒能夠顯著降低爐膛內(nèi)平均溫度水平，并且使得爐膛內(nèi)燃燒更柔和。隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，爐膛內(nèi)O2消耗量逐漸降低、CO和焦炭濃度逐漸降低，生物質(zhì)中的N元素含量高使得NOx質(zhì)量濃度有所增加。

2)在該爐上同時(shí)開(kāi)展了針對(duì)生物質(zhì)送粉溫度的變工況數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明：降低生物質(zhì)送粉溫度能降低爐內(nèi)燃燒強(qiáng)度，出口O2體積分?jǐn)?shù)略升高，燃燒器區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)降低，其余參數(shù)基本維持不變。

3)生物質(zhì)送粉溫度降低約80 K對(duì)爐膛內(nèi)部各參數(shù)影響不顯著，在生物質(zhì)混燒的工程中可適當(dāng)降低生物質(zhì)自燃的風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性及鍋爐燃燒效率造成顯著影響。