生物质气化耦合燃煤发电机组的燃烧特性分析

2021-10-20王西伦吴国强张超群

电力科技与环保 2021年5期

王西伦，初伟，刘平，吴国强，张超群，李明，张冲

(1.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 264006；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京昌平 202206 )

0 引言

国家《电力发展十三五规划》提到“全面推动煤电机组灵活性改造，提高煤电机组运行灵活性中的燃料灵活性”的政策要求。燃料灵活性要求电厂燃料的可变性，其中化石燃料与生物质燃料混燃是技术路线之一。而且燃煤电厂采用生物质与煤电耦合发电技术，是当前最可行的降低碳排放的措施[1]，在我国该技术应用仍然处于试点示范阶段[2]。

作为一种可再生能源燃料，生物质发电具有碳中和效应[3-4]。生物质耦合燃煤发电在电力部门的部署对于推动实现碳中和具有不可替代的重要意义[5]，具有降低火电机组燃料成本与污染物排放量、提高机组燃料运行灵活性等显著优势[6-7]。然而，大型火电机组在实现从传统煤粉炉向掺烧生物质的转换过程中，掺烧一定比例的气化气将对锅炉燃烧组织及稳燃产生一定影响[8-9]。尤其灵活性低负荷运行期间，炉膛温度较低，燃烧组织脆弱，进行耦合燃烧特性的研究具有重要意义，能够为生物质耦合发电的工程应用提供依据。

目前，已有众多国内外学者对压型生物质与煤粉混燃的基础燃烧特性及在工程应用中涉及的关键问题进行了研究[10-12]；也有学者对煤粉和生物质气混燃锅炉燃烧特性进行了研究[13-17]，涉及掺烧不同温度、不同品质或不同共燃比的生物质气燃烧特性[17]及NOx排放[19-21]，但未涉及低负荷运行情况。本文旨在研究低负荷下煤粉与生物质气化气共燃的锅炉燃烧性能。

1 研究对象及共燃方案

1.1 研究对象

研究对象为某电厂HG-2070/25.4-HM9型660MW超临界燃煤机组直流锅炉，单炉膛。锅炉设计参数如表1所示。

表1 锅炉设计参数

锅炉配置正压直吹式中速磨制粉系统，低NOx轴向旋流燃烧器共35只，分别布置于前墙4层、后墙3层，对冲燃烧。每台中速磨煤机出口5根粉管供同一层燃烧器所需煤粉，共7台(六用一备)。235MW灵活性深度低负荷情况下，燃烧器投运前后墙各下面2层，共20只。煤质特性如表2所示。

表2 煤质特性

1.2 共燃方案

1.2.1 生物质气化气

研究所采用的生物质气化气为通过生物质高速循环流化床气化工艺得到的400℃洁净燃气，成分和热值与气化所用的燃料成分和流化床锅炉气化工艺有关。生物质气化气特性如表3所示。

表3 生物质气特性

1.2.2 共燃方案制定

考虑着火与稳燃，所设计的生物质气化气燃烧器以合理的动量将气流送入炉膛火焰中心区域。5只生物质气化气燃烧器布置于前墙第四层燃烧器所对应的后墙相同标高处，位置如图1所示。

位于燃尽风下部，燃气着火后火焰被燃尽风封堵，不会导致火焰中心上移问题。灵活性运行工况下，由于距投运的煤粉燃烧器层较远，对炉内正常燃烧组织影响较小。

图1 生物质气化气掺烧位置

1.2.3 共燃比例

将235MW负荷下生物质气发电功率所占比例定义为共燃比例，公式如下：

(1)

式中：α为生物质气共燃比例，%；Agas为生物质发电功率，MW；Acoal为燃煤发电功率，MW。

2 数值计算及结果

2.1 计算区域及网格划分

为了提高计算模型与电厂现场的契合度，采用全炉膛1∶1建模。计算区域选取冷灰斗底部到省煤器出口之间区域。采用结构化网格以获得良好的网格品质，并对燃烧器喷口附近区域进行加密。三维模型及网格如图2所示，此次计算网格数(加密后)约600万。前期燃烧计算时，对网格无关性进行了验证。以炉膛最高温度不随网格数目的增加而变化为判定依据。研究表明，当网格数大于580万以后，炉膛最高温度数值模拟计算的收敛解变化值小于5℃，在可接收范围内，认为数值解与网格数目无关。

图2 全炉膛模型及网格图

2.2 数学模型

基于数值模拟软件，湍流流动采用带旋流修正的Realizable k-ε双方程[22-24]进行计算，由于炉内存在较为强烈的旋转流场，相比其他湍流模型，该模型更适用于强流线和旋转的情况；壁面按无滑移条件取值，流体近壁面区域通过湍流模型结合壁面函数法将壁面与炉内湍流核心区的物理量相联系以对壁面区流场进行计算。燃烧反应采用涡扩散(Eddy-Dissipation)模型，将同相的燃烧反应(含多步高温腐蚀反应机理)与异相煤粉颗粒燃烧模型进行有机耦合，能够较真实地反映炉内燃烧状况；挥发份的释放采用单反应模型(Single-Rate Model)[24]；焦炭的燃烧采用内部控制反应速率模型(Intrinsic Model)[24]。煤粉颗粒的运动轨迹追踪采用随机轨道模型(Stochastic Tracking)[25]，其粒径遵循Rosin-Rammler分布。炉膛辐射传热采用离散Discrete Ordinates模型。

2.3 边界条件及计算工况

以235MW为设计负荷，采用电厂实际运行数据，具体计算工况及计算参数如表4所示。

表4 计算工况及计算参数

2.4 计算方法

数值计算首先对单个煤粉燃烧器、燃气燃烧器及燃尽风燃烧器进行冷态模拟；然后将各燃烧器出口边界计算结果作为炉膛入口边界条件进行炉膛全三维冷态、热态燃烧数值模拟。

2.5 结果及分析

2.5.1 耦合燃烧对炉膛流场的影响

良好的炉内流场分布能较好的组织煤粉燃烧，提高火焰稳定性，利于煤粉燃尽。三种工况下炉膛中心纵截面流场分布如图3所示。

从图3可见，工况1流场分布较对称，燃尽风既对主气流起到封堵作用，又补充了煤粉颗粒燃尽所需要的氧量。工况2及3生物质气流对主燃区气流影响较小，未干扰主气流，也未出现贴墙上飘现象。故生物质气共燃未对正常燃烧组织产生影响。

2.5.2 耦合燃烧对炉膛温度场的影响

三种工况下炉膛中心纵截面温度分布云图如图4所示，燃气燃烧器层横断面温度分布云图如图5所示。

图3 炉膛中心纵截面流场分布云图

图4 炉膛中心纵截面温度分布云图

图5 燃气燃烧器层横断面温度分布云图

从图4可见，工况1火焰靠近后墙，火焰中心位于燃尽风附近；工况3火焰中心略有上移但主要集中于燃尽风之下。对比高温区域范围，工况1高温区域范围大于工况2及工况3，但工况2、3的高温区域相对集中，主要因为燃气燃烧器标高位于火焰中心附近，其燃气气流直接穿入火焰中心，迅速着火燃尽。

从图5可见，燃气燃烧器气流刚好冲至炉膛中心区域，且断面热负荷较纯煤粉工况1分布要均匀。

2.5.3 O2分布

三种工况下O2在炉膛中心截面的分布云图6。低氧量区域主要集中于运行燃烧器着火区域及燃气燃烧器主气流内部，燃气燃烧器附近壁面氧量较高在10%以上，不会造成高温腐蚀风险。

2.5.4 燃烧参数数值计算结果

与燃烧相关的性能及环保参数，数值计算结果如图7所示。随着生物质气化气共燃比例增加，飞灰含碳量上涨，主要原因在于燃气在OFA下方通入，其气流上飘占用部分燃尽风，同时温度较低的燃气气流冷却炽热的煤粉颗粒；下炉膛出口温度增加，主要原因在于生物质气共燃后火焰中心上移且着火及燃尽相对集中；NOx排放量降低，主要原因在于生物质气化气中还原性气体成分约占30%，且在还原区喷入，对NOx具有一定还原效果；另外，从图4可见，随着生物质气化气共燃，高温区域明确减少，有利于降低热力型NOx。

图6 炉膛中心纵截面O2分布云图

图7 不同共燃比的燃烧性能参数变化趋势

3 热力计算结果

3.1 计算方法

通过划分不同的传热区，在燃煤机组灵活性深调低负荷(235MW)下，采用设计煤质进行了校核热力计算，以确定烟温、锅炉效率和烟气流量等参数，对共燃情况下660MW超临界燃煤锅炉经济性和可靠性进行评价。

3.2 计算结果

3.2.1 烟气量变化

烟气量随共燃比的变化趋势如图8所示。

图8 烟气量随共燃比的变化趋势

从图8可见，纯燃煤完全燃烧生成的烟气流量为301.33m3/s，而煤粉与生物质气共燃导致烟气总量略有降低，且共燃比例越大烟气总量越少。

3.2.2 烟气温度及锅炉效率变化

烟气温度及锅炉效率随共燃比的变化趋势如图9-图13所示。

图9 理论燃烧温度随共燃比的变化趋势

图10 下炉膛出口温度随共燃比的变化趋势

图11 排烟温度随共燃比的变化趋势

图12 机械不完全燃烧热损失随共燃比的变化

图13 锅炉效率随共燃比的变化趋势

从图9-图13可知，炉膛理论燃烧温度随共燃比的增加而降低，主要由于生物质气化气中75%的成分为400℃的中低温不可燃气体，其发热量较低，相当于在炉内喷入一股冷烟气，使炉膛理论燃烧温度降低，从而炉膛辐射吸热比例下降，使下炉膛出口温度升高，另外，炉膛理论燃烧温度的降低有利于降低热力型NOx生成；与此同时，通入生物质气化气后，烟气量并未增加，对流换热强度基本不变，辐射换热强度减弱，导致排烟温度略有升高，排烟热损失增大；且机械不完全热损失也随共燃比增加而升高，故锅炉效率略有下降。