W型燃煤鍋爐摻燒酒糟的數(shù)值模擬

劉瑞東，卓曉輝，馬 侖，程 強，羅自學，周懷春

(1.四川中電福溪電力開發(fā)有限公司，四川 宜賓 645152；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國礦業(yè)大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

生物質(zhì)是一種可再生碳中性能源，是對煤炭資源的補充，且生物質(zhì)在燃煤鍋爐摻燒中具有改造成本低、調(diào)峰靈活、運行安全等優(yōu)點[1-4]。酒糟是谷物釀酒后產(chǎn)生的固體廢棄物，我國制酒業(yè)每年產(chǎn)生大量酒糟[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國酒糟年產(chǎn)量約2 100萬t，主要作為飼料行業(yè)的原料，導致其附加值較低。實際上，酒糟量大且集中，熱值高于其他生物質(zhì)[6-7]。無煙煤與酒糟混燒不僅可有效利用酒糟，減少處理酒糟成本，還可改善煤的燃燒特性。

有關燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)的研究較多。熊穗平等[8]用馬弗爐、定硫儀進行燃燒和定硫，研究了酒糟和煤摻燒的固硫效果，結(jié)果表明，酒糟與煤摻燒能將硫固定于殘灰中。胡云鵬等[9]采用YX-HRD灰熔融性測定儀檢測麥稈、酒糟等生物質(zhì)灰及生物質(zhì)與煤摻燒后灰的熔融特性，結(jié)果表明生物質(zhì)的加入在不同程度上降低了煤的灰熔融溫度。董信光等[10]以麥稈、楊木屑、酒糟與煙煤的不同配比作為變量，研究了混燒樣品的灰熔融特性，發(fā)現(xiàn)提高生物質(zhì)摻混比總體會降低灰熔融溫度。

數(shù)值模擬方面，王凱等[11]利用雙PDF模型模擬生物質(zhì)從不同一次風口噴入對鍋爐燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)從最底層一次風口噴入，NOx濃度下降更明顯。TAN等[12]對比了FLUENT中污泥混燃的子模型，發(fā)現(xiàn)渦耗散模型可以更充分地考慮水分對燃燒的影響，更適合污泥混燒的模擬。董靜蘭[13]對富氧燃燒下純煤摻燒生物質(zhì)時污染物的排放特性進行了模擬研究，結(jié)果表明：煙氣中NOx和SOx排放濃度均低于常規(guī)空氣燃燒。

筆者對W型燃煤鍋爐摻燒酒糟進行數(shù)值模擬計算，研究酒糟摻燒比例對爐內(nèi)溫度場、組分濃度場以及NOx排放的影響，揭示酒糟與煙煤/無煙煤摻燒的燃燒特性與不同摻配比例對燃燒的影響，為酒糟生物質(zhì)的資源化利用提供理論支撐。

1 研究對象

研究對象為四川中電福溪電力開發(fā)有限公司600 MW超臨界W型燃煤鍋爐，主要技術(shù)特征為：單爐膛、W型火焰燃燒方式、變壓運行、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架構(gòu)、全懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐配有帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)，采用低質(zhì)量流速水動力技術(shù)。爐膛水冷壁管垂直布置，采用優(yōu)化內(nèi)螺紋管，分上下2部分，中間布置過渡混合集箱。鍋爐的三維模型如圖1所示。

圖1 鍋爐三維模型Fig.1 Three-dimensional model diagram of the boiler

2 數(shù)學模型和計算方法

2.1 數(shù)學模型

鍋爐實際燃燒過程會形成很強的旋流，因此氣相湍流模擬采用Realizedk-ε雙方程湍流流動模型[14]。煤粉與酒糟的顆粒運動采用顆粒隨機軌道模擬，揮發(fā)分燃燒使用組分輸運模型，煤熱解使用雙方程平行反應模型。由于PDF模型無法模擬煤粉摻燒酒糟過程中水析出對燃燒的影響[15]，因此模擬結(jié)果比實測溫度偏高，而渦耗散模型中燃料以收到基為輸入條件，煤粉與酒糟顆?；烊寄M結(jié)果更精確[16]，因此氣相燃燒過程采用渦耗散模型描述。

燃燒產(chǎn)生的NOx是NO和NO2總稱，其中大部分為NO。生物質(zhì)與煤摻混燃燒煙氣排放的NOx按生成機理主要分為：燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。由于溫度控制在1 000 ℃以內(nèi)，故快速型NOx極少，熱力型NOx含量可以忽略，NOx主要為燃料型NOx。原料中的N經(jīng)過一次熱解轉(zhuǎn)換后分為揮發(fā)分中的N和焦炭中的N兩種形態(tài)。揮發(fā)分N二次熱解產(chǎn)生HCN和NH3等輕質(zhì)氣體，這些氣體經(jīng)過復雜的氣相均相反應后生成NO和N2。而焦炭N經(jīng)過一系列非均相反應也最終生成NO和N2[17]。揮發(fā)分N轉(zhuǎn)化為NO的機理[18]如圖2所示。

圖2 HCN、NH3生成NO的機理[18]Fig.2 NO mechanism diagram generated by HCN and NH3[18]

對于煤粉燃燒過程中NO的生成，目前普遍采用DE SOETE提出的NO生成原理[19]，NO的生成主要是由反應(1)和(2)控制：

(1)

(2)

NO還原反應主要由式(3)控制：

(3)

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的高低影響模擬結(jié)果的準確性，采用六面體網(wǎng)格進行模型網(wǎng)格劃分。不同區(qū)域網(wǎng)格密度不同，以減少網(wǎng)格偽擴散帶來的偏差。經(jīng)過網(wǎng)格無關性測試后，考慮計算時間及成本，最終采用260萬個網(wǎng)格進行模擬計算。燃燒器采用前后墻布置，由下至上依次為A、B、C、D、E、F，共6層。鍋爐豎直截面與E層截面的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.3 邊界條件

一次風、二次風均采用質(zhì)量入口邊界條件，出口設置為壓力邊界條件；爐膛壁面采用標準壁面方程，無滑移邊界條件。熱交換采用溫度邊界條件，壁面溫度設定為690 K，壁面輻射率設定為0.6[20]。

圖3 鍋爐網(wǎng)格Fig.3 Grid diagram of the boiler

煤粉和酒糟顆粒直徑均采用Rosin-Rammler分布，其中煤粉粒徑為45～150 μm，酒糟粒徑為150～200 μm。煤與酒糟的工業(yè)分析和元素分析見表1，可知酒糟中固定碳僅為15.34%，揮發(fā)分為75.42%，酒糟中揮發(fā)分為其熱值的主要來源。煤的哈氏可磨性指數(shù)和灰熔融溫度見表2。

表1 煤與酒糟的工業(yè)分析及元素分析

表2 煤質(zhì)特性

2.4 研究工況

在不改變鍋爐負荷的情況下，模擬了滿負荷工況下，5個不同酒糟摻混比例的燃燒情況，酒糟摻燒質(zhì)量分數(shù)分別為0、3%、6%、8%、10%。磨煤機燃燒器布置如圖4所示，每爐配置6臺雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺磨煤機帶4只雙旋風煤粉燃燒器，每只煤粉燃燒器配置一只點火油槍，24只煤粉燃燒器順列布置在下爐膛的前后墻爐拱上，前后墻各12只。

圖4 磨煤機及燃燒器布置Fig.4 Arrangement of coal mill and burner

3 酒糟摻混燃燒數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果驗證

為驗證模型與模擬的合理性與準確性，將滿負荷下相同條件的試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，見表3。試驗值源于四川中電福溪電力開發(fā)有限公司2×600 MW級燃煤機組新建工程1號鍋爐性能考核報告，取平均值?？芍隹谘趿俊w灰含碳量以及NOx排放量的相對誤差分別為2.4%、6.1%、5.2%，均不超過10%，在合理誤差范圍內(nèi)，可進一步分析數(shù)值模擬結(jié)果。

表3 試驗測量值與模擬值對比

3.2 不同酒糟摻混比對溫度場的影響

在不同酒糟摻混比例下，煤粉燃燒鍋爐中心截溫度分布云圖如圖5所示，煤粉在不同酒糟摻混比例下燃燒的沿程溫度分布如圖6所示。以電廠預計酒糟含水率進行模擬，酒糟干燥預處理，含水率為50%，爐外摻燒。由圖5可知，不同的摻混比例下爐膛中心溫度分布較為一致，爐膛整體的溫度水平變化較小。隨著酒糟摻燒比例的增加，燃燒器噴口附近著火距離縮短。由圖6可知，在爐膛高度較低時，由于進入冷灰斗區(qū)域的燃料較少，鍋爐中心下部溫度較低。此外，由于酒糟揮發(fā)分高，燃點更低，相對于煤粉更易著火燃燒[21]，并且酒糟含水率較高，導致不同摻燒比例下溫度在冷灰斗區(qū)域出現(xiàn)波動。隨著爐膛高度上升，在主燃區(qū)酒糟燃料增加，溫度上升。由于酒糟燃燒消耗大量O2，影響煤粉燃燒，導致隨著爐膛高度進一步上升，溫度有所回落。而更多的煤粉在燃盡區(qū)充分燃燒，使燃盡區(qū)及爐膛出口溫度較高。

圖5 不同摻混比例下鍋爐中心截面溫度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of temperature distribution in boiler center section under different blending proportions

圖6 不同摻混比例下沿程溫度分布Fig.6 Temperature distribution along the path under different blending proportions

3.3 不同酒糟摻混比對組分場的影響

煤粉在不同酒糟摻混比例下燃燒的鍋爐中心截面O2與水蒸氣體積分數(shù)分布云圖如圖7所示。煤粉在不同酒糟摻混比例下沿程O2與水蒸氣體積分數(shù)分布如圖8所示。

由圖7(a)可知，O2體積分數(shù)在不同工況下分布狀況基本一致。由圖8(a)可知，在爐膛底部，多余空氣不能及時被燃料利用，O2體積分數(shù)較高。在燃燒器噴口附近由于酒糟燃燒，O2體積分數(shù)下降。隨著爐膛高度上升，由于酒糟代替部分煤粉，酒糟燃燒耗氧量較少，且酒糟燃燒更易著火并完全燃燒，在噴入酒糟燃料后，附近的局部空氣系數(shù)增大[22]。燃盡區(qū)煤粉充分燃燒，使得O2體積分數(shù)在燃盡區(qū)及爐膛出口處較低。

由圖7(b)可知，隨酒糟摻混比例增加，水蒸氣體積分數(shù)在燃燒器噴口附近有所升高，這是受酒糟自身含水量的影響。由圖8(b)可知，水蒸氣體積分數(shù)隨酒糟摻燒比例的增加呈上升趨勢。在爐膛底部，進入冷灰斗區(qū)域燃料較少，水蒸氣體積分數(shù)較低。在燃燒器噴口附近，酒糟燃料燃燒，水蒸氣體積分數(shù)上升。隨著爐膛高度上升，酒糟燃料減少且由于酒糟水分大于煤粉水分，水蒸氣體積分數(shù)有所回落。隨著煤粉在燃盡區(qū)充分燃燒，水蒸氣體積分數(shù)有所上升。

圖7 不同摻混比例下O2和水蒸氣體積分數(shù)分布云圖Fig.7 Cloud map of O2 and steam concentration distribution under different blending proportions

圖8 不同摻混比例下沿程O2、水蒸氣體積分數(shù)分布Fig.8 Concentration distributions of O2 and steam under different blending proportions

3.4 不同酒糟摻混比對NOx生成的影響

煤粉在不同酒糟摻混比例下NOx排放量如圖9所示(標況下)。常見的木質(zhì)類、小麥、玉米秸稈干燥基N質(zhì)量分數(shù)在0.3%～1.0%[23]，而酒糟N質(zhì)量分數(shù)較高，約占3.26%。摻混無煙煤的干基N質(zhì)量分數(shù)僅為0.72%。由于該模擬條件下主要為燃料型NO，由圖2可知，摻混燃料中N質(zhì)量分數(shù)增加，導致燃料型NO增加[18]，NOx排放量隨酒糟摻混比例的增加而逐漸升高。

圖9 不同摻混比例下NOx排放特性Fig.9 NOx emission characteristics at different blending proportions

不同摻混比例下沿程NO體積分數(shù)分布如圖10所示，可知在爐膛底部，由于溫度較低，NO生成量較少。隨著爐膛高度上升，溫度升高，NO生成量隨著酒糟摻混比例的升高而增加。同時由于酒糟與煤粉的著火特性差異與耗氧量不同，在爐膛高度上升過程中，NO生成量有所波動。小比例摻混酒糟時，酒糟和煤粉顆粒在氧氣相對充足的條件下完全燃燒，燃燒劇烈程度顯著提高，促進了NO大量生成，此時由于酒糟的加入造成的還原性作用相對較弱，因此NO生成總量增加。酒糟摻混比例較大時，摻混燃料中的揮發(fā)分比例大幅上升，雖然燃料總體含氮量增加，但由于在燃燒初期時酒糟釋放的大量揮發(fā)分燃燒會與煤競爭氧氣，焦炭燃燒處于低氧氣氛中，由式(1)和(2)可知，O2與—C和—CN的反應減少，導致—CNO數(shù)量下降，最終造成NO生成量下降。同時生物質(zhì)焦炭中釋放出較多還原性氣體和生物質(zhì)焦炭，其作為多孔性焦炭參與NO還原反應。在大比例摻混條件下，樣品周圍形成還原性環(huán)境，利于NO還原成氮，還原性效果顯著。相比之下，燃料中N含量對NO增量影響減小。因此，大比例摻混酒糟時，NO生成量降低。本模擬由于摻燒比例較小，NO生成量還處于較高水平。

圖10 不同摻混比例下沿程NO體積分數(shù)分布Fig.10 Distribution of NO concentration under different blending proportions

綜合來看，NO排放量主要由摻混燃料N含量和生物質(zhì)揮發(fā)分釋放造成的還原性氛圍交互作用決定。由圖2可知，隨著酒糟摻混比例的增加，摻混燃料中會有更多的揮發(fā)性N以NH3和HCN形式釋放出來[18]。在NH3和HCN被氧化過程中生成的中間產(chǎn)物NH和NH2可將NO還原為N2。因此隨著酒糟摻混比例的增加，NO轉(zhuǎn)化率降低。

煤粉在不同酒糟摻混比例下的燃盡率如圖11所示，可知隨著酒糟摻混比例的增加，煤粉燃盡率先增大后減小。摻燒比例較小時，由于酒糟揮發(fā)分較高，快速著火釋放熱量，有利于煤粉著火和燃盡，因此煤粉燃盡率提高。隨著酒糟摻混比例進一步增加，酒糟燃燒消耗大量O2，造成酒糟對煤粉初期燃燒的搶氧效果，導致煤粉燃盡率降低。

圖11 不同摻混比例下煤粉燃盡特性Fig.11 Pulverized coal burnout characteristics under different blending proportions

4 結(jié) 論

1)與原始工況相比，加入酒糟后，燃燒器噴口附近著火距離縮短，但酒糟摻燒對爐膛溫度場的總體影響較小。

2)爐膛內(nèi)的O2體積分數(shù)分布基本不受酒糟摻燒比例的影響；受酒糟自身水分影響，隨著酒糟摻燒比例增加，在燃燒器噴口附近水蒸氣體積分數(shù)有所提升。

3)酒糟摻混比例對NO排放有明顯影響，隨酒糟摻混比例增加，更多NO被還原為N2，NO轉(zhuǎn)化率不斷降低。

4)綜合考慮爐內(nèi)溫度場、組分場、NOx排放量以及燃盡率等因素，酒糟摻混比例控制在6%內(nèi)較合理。在最優(yōu)摻混比例基礎上，進一步研究燃盡風比例、下爐膛區(qū)域二次風配比等對燃燒的影響，更好地指導現(xiàn)場實際摻燒試驗。