基于数值模拟的燃煤锅炉耦合生物质的燃烧特性研究

宫 健, 马达夫, 管玉保, 王明洋,葛成用, 郭铠铭, 杨 琨

(1. 吉林电力股份有限公司 四平第一热电公司, 吉林四平 136000;2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司, 上海 200240)

“双碳”目标要求我国对现有能源结构进行优化调整,进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]。根据联合国气候变化专门委员会发布的不同能源方式的平均碳(二氧化碳)排放强度可知,燃烧煤、石油和天然气发电的平均碳排放强度分别为1 001 g/(kW·h)、840 g/(kW·h)和469 g/(kW·h),而燃烧生物质发电的平均碳排放强度仅为18 g/(kW·h)[2, 3]。

生物质的能源化、肥料化、饲料化和材料化是目前生物质资源的主要利用形式[4],其中生物质能源化利用可以实现规模化和无害化。生物质能源化利用的主要方式为直接燃烧发电和气/液化后再燃烧发电[5]。燃煤锅炉掺烧生物质发电技术可以利用现有燃煤电站的基础设施,节约新建生物质发电机组的成本。同时,燃煤机组具有大容量、高参数的优势,燃煤锅炉掺烧生物质的发电效率远高于生物质电站[6]。我国在《电力发展“十三五”规划》中强调了掺烧生物质发电技术的重要性[7],但是我国相关产业起步晚,相关项目仍处于示范阶段。

谭厚章等[8]在某660 MW锅炉开展了掺烧生物质压块燃料的试验,结果表明掺烧生物质降低了氮氧化物(NOx)的排放,并且对锅炉效率和粉煤灰性质基本没有影响。刘家利等[9]对煤粉锅炉直接掺烧生物质发电技术的技术壁垒进行了综述,认为生物质原料的密度小、体积大,难以研磨,磨煤机很难将其磨制成与煤粉颗粒相同的粒径,同时生物质的挥发分含量较高,大比例掺烧时磨煤机内极易发生自燃现象。

笔者通过数值模拟对某燃煤电厂350 MW四角切圆燃烧锅炉掺烧生物质及NOx排放特性进行仿真,对比分析掺烧不同热值比生物质后炉膛温度场、组分场和壁面热流密度的变化,探究掺烧生物质可能对锅炉实际运行的影响,为后续开展生物质掺烧试验工作提供参考。

1 研究对象及模拟工况

研究对象为某燃煤电厂350 MW亚临界自然循环汽包锅炉。锅炉为П形布置,采用四角切圆燃烧方式,其设计煤种为褐煤。锅炉本体及燃烧器布置见图1。通过低温热解工艺将生物质原料处理成疏水性较高、能量密度较大、易研磨、便于运输且堆放存储中不易腐烂的固体颗粒(处理后呈黑色),极大程度地缓解了秸秆燃料的运输存储问题。成型后生物质和褐煤的工业分析、元素分析见表1。由表1可知:生物质的水分含量低、挥发分含量极高、热值较高,褐煤的水分和灰分含量较高。因此,掺烧生物质可以起到稳定燃烧和缓解炉内结渣的作用。

表1 燃料的工业分析和元素分析

图1 锅炉本体及燃烧器布置

考虑到制粉系统出力和对锅炉运行的影响,每台磨煤机最多掺烧40%热值比的生物质。为了使生物质充分燃烧,优先选择在底部燃烧器进行掺烧。保持总风量和总入炉热量不变,按热值比将部分褐煤替换为生物质,A、B、C、D和E磨煤机的具体掺烧工况见表2。

表2 生物质在各磨煤机的热值比

2 数值模拟及计算方法

2.1 网格划分

使用GAMBIT软件对锅炉进行全尺寸建模并完成网格划分。锅炉结构极其复杂需要进行简化处理,炉顶过热器仅考虑面积较大的受热面。因此,可以将模型划分为灰斗部分、主燃区、炉膛上部和炉顶过热器区域,主燃区上、下面定义为交界面。

为了保证计算结构的准确性,锅炉各部分均被划分为结构化网格。同时,为了防止扩散现象的发生,炉膛网格流向与煤粉气流的射流方向保持一致[10]。经过网格独立性验证后,选取网格数为120万的网格,锅炉总体和炉膛截面的网格见图2。

图2 锅炉总体及炉膛截面网格

2.2 数学模型

采用Realizablek-ε方程计算炉内的湍流流动;选择P1辐射模型;燃烧模型采用组分输运涡耗散模型,采用两步反应描述煤和生物质燃烧;采用单速率挥发模型描述挥发分析出,动力扩散模型描述焦炭燃烧,随机轨道模型描述燃料颗粒在炉内的运动状况。耦合方法选择压力速度SIMPLE算法,所有求解方程均采用一阶迎风算法。

计算初值对收敛时间的影响较大,因此需要先完成炉内冷态流场的计算,然后加入燃料进行燃烧热态仿真,最后进行炉内NOx的计算。模拟过程中设置锅炉为满负荷。

2.3 边界条件

设置一次风、二次风等入口为速度入口,炉膛出口为压力出口,炉膛压力为-50 Pa,冷灰斗温度为200～417 ℃,炉膛水冷壁温度为417 ℃,过热器温度为467～547 ℃。

3 结果与分析

3.1 对炉内温度场的影响

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况的锅炉中心截面和燃烧器截面的温度云图见图3。由图3可见,掺烧生物质后,炉膛火焰的充满度和温度增加。这主要是因为生物质的挥发分含量较高,对锅炉燃烧稳定性和扩散性有促进作用。

图3 掺烧不同热值比生物质工况的锅炉中心及燃烧器截面的温度

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况下沿炉膛高度方向的平均温度见图4。

图4 掺烧不同热值比生物质工况的炉内高度方向平均温度

由图4可知,掺烧生物质可以提高炉膛平均温度约22 K。这主要是因为生物质的热值较高,并且含水量较低,减少了水分挥发所需的热量。主燃区的平均温度上升20 K,燃尽风至折焰角区域的平均温度上升37 K。当掺烧生物质的热值比从20%提升至40%后,主燃区、燃尽区和全炉膛的平均温度没有明显变化。

杭州瑞年贸易有限公司技术研究员何金钢介绍：“多数蔬菜和瓜果类作物从前期生根到后期膨果阶段对钙的需求量非常高，甚至超过常见的大量元素。但因种植者钙肥施用方式不合理和方法不科学，导致钙肥吸收利用率一直上不去，甚至缺失，从而出现一些生理性病害。”

3.2 对炉内氧气(O2)分布的影响

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况的锅炉中心截面及燃烧器截面O2分布云图见图5。由图5可知,掺烧生物质后,主燃烧器的O2射流有变小趋势,这是因为生物质的挥发分含量高,对氧量的消耗量大。此外,掺烧生物质后水平烟道处的O2含量明显减少。生物质的氧元素含量比褐煤高出2.41倍,但是其碳、氢元素含量分别是褐煤的1.48和2.30倍(见表1),所需的氧量比自身提供的氧量多。

图5 掺烧不同热值比生物质工况的锅炉中心及燃烧器截面O2的体积分数

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况下沿炉膛高度方向的O2含量见图6。从图6可以看出:掺烧生物质后主燃区的O2体积分数降低0.5%～1.0%,3种工况标高45 m处的运行O2体积分数分别为3.6%、3.2%、2.9%。因此,生物质在主燃区和燃尽区的耗氧能力比褐煤更强。

图6 掺烧不同热值比生物质工况的炉内O2体积分数

3.3 对炉内一氧化碳(CO)分布的影响

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况的锅炉中心截面及燃烧器截面CO分布云图见图7。由图7可知,掺烧生物质后,主燃区的CO含量急剧增加,这是因为生物质挥发分和固定碳含量较高。燃尽风以上区域的CO含量接近0。这说明掺烧生物质使主燃区的不完全燃烧程度增加,但是高挥发分含量的生物质使燃尽率很高。

图7 掺烧不同热值比生物质工况的锅炉中心及燃烧器截面CO的体积分数

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况沿炉膛高度方向的CO含量见图8。

图8 掺烧不同热值比生物质工况的炉内CO体积分数

由图8可知:掺烧20%和40%热值比生物质后,炉膛平均CO体积分数由1 094×10-6分别上升至2 540×10-6和3 198×10-6,主燃区的CO体积分数由1 587×10-6分别上升至3 690×10-6和4 549×10-6,燃尽风至折焰角区域的CO由10×10-6分别上升至241×10-6和495×10-6。

3.4 对炉内NOx分布的影响

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质的锅炉中心截面及燃烧器截面NOx分布云图见图9。生物质中氮元素的含量高于褐煤(见表1),但是掺烧生物质后NOx含量相比于纯煤工况明显下降。这主要是因为生物质中的氮元素主要以胺基存在[7],还原气氛下易生成CHi、NHi基团,将NOx还原为N2。

图9 掺烧不同热值比生物质工况的锅炉中心及燃烧器截面NOx的体积分数

在电厂实际测量中,NOx(其中NO体积分数占NOx体积分数的95%)的测量单位通常为mg/m3。因此,需要进行特定的换算[11],换算过程见式(1),式中2.05为NO2从体积分数到质量浓度的转换系数。

(1)

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况下沿炉膛高度方向的NOx质量浓度的变化见图10。由图10可以看出:掺烧生物质后沿炉膛高度方向上的NOx质量浓度均有不同程度的下降,相比于纯煤工况,当分别掺烧20%和40%热值比的生物质,NOx质量浓度由706 mg/m3分别下降至601 mg/m3和537 mg/m3。不同比例的生物质对A、B、C层燃烧器区域的NOx含量影响并不大。主燃区的NOx质量浓度下降了140～182 mg/m3,并且下降质量浓度与掺烧比呈正相关。在标高45 m处,纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况的NOx质量浓度分别为852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,说明加入更高比例的生物质有利于降低NOx的排放浓度。

图10 掺烧不同热值比生物质工况的炉内NOx质量浓度

3.5 对水冷壁热流密度的影响

纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况的水冷壁热流密度分布情况见图11(图中负值表示热流密度由炉膛向外传递)。掺烧生物质后,上炉膛水冷壁温度云图出现红色,意味着掺烧后上炉膛水冷壁吸热更多,这主要是因为掺烧后上炉膛烟气温度增加(见图3和图4)。总体上,掺烧前后水冷壁热流密度变化不大,不会明显影响炉内水冷壁的吸热情况。

图11 掺烧不同热值比生物质工况的炉膛水冷壁热流密度

4 结语

通过数值模拟研究了350 MW四角切圆燃烧锅炉满负荷下掺烧不同热值比生物质(经过低温热解处理)的燃烧状况和O2、CO、NOx分布特性,具体结论如下:

(1) 相比于纯煤工况,掺烧20%热值比的生物质后,炉膛、主燃区、燃尽风至折焰角区域的平均温度分别增加22 K、20 K和37 K。当掺烧生物质的热值比从20%提升至40%后,温度几乎不变。生物质的加入对锅炉燃烧的稳定性和扩散性有促进作用。

(2) 掺烧生物质可以使炉膛烟气的O2体积分数降低0.5%～1.0%,3种工况标高45 m处的O2体积分数分别为3.6%、3.2%、2.9%,氧量的降低幅度与掺烧量呈正相关。

(3) 生物质的掺烧可以使炉膛主燃区CO的体积分数上升2 103×10-6～2 962×10-6,CO含量的增加幅度与掺烧量呈正相关。但是,掺烧前后燃尽风区域的CO体积分数始终接近0。

(4) 掺烧生物质后,主燃区的NOx质量浓度降低140～182 mg/m3。在标高45 m处,纯煤、掺烧20%、40%热值比生物质工况下NOx的质量浓度分别为852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,说明加入更高比例的生物质有利于降低NOx排放浓度。

(5) 掺烧生物质可以使上炉膛水冷壁的热流密度轻微增加,但热流密度总体上改变不大,因此不会影响水冷壁的吸热情况。

因此,在燃烧褐煤的机组掺烧该生物质有助于改善锅炉燃烧的稳定性,可以减少NOx排放,不会明显影响水冷壁的吸热情况。