渦耗散模型和混合分數模型模擬鍋爐煤粉摻燒污泥過程的適應性

朱天宇，殷立寶，湛志鋼，徐齊勝，方慶艷，張成，陳剛

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渦耗散模型和混合分數模型模擬鍋爐煤粉摻燒污泥過程的適應性

朱天宇1, 2，殷立寶1，湛志鋼1，徐齊勝1，方慶艷2，張成2，陳剛2

(1. 廣東電網公司電力科學研究院，廣東廣州，510080；2. 華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北武漢，430074)

分別使用組分輸運渦耗散模型(EDM)和混合分數PDF模型，對1臺100 MW四角切圓鍋爐燃燒煤粉和摻燒污泥時，進行爐內流動、燃燒和污染物NO排放數值模擬研究。研究結果表明：2種模型均能較好地模擬單煤燃燒時爐膛內部溫度場和速度場；模擬煙氣組分O2和CO2體積分數相接近，均較符合實際情況；EDM方法能較好地模擬水分吸熱對爐膛燃燒的影響，在鍋爐摻燒不同含水率污泥的燃燒數值模擬方面相比PDF模型更加合理；對比實際鍋爐摻燒含水率為56%的不同配比污泥，模擬結果與現場試驗結果相符，表明EDM能合理地模擬不同比例的高水分污泥的摻混燃燒。

鍋爐；煤泥摻燒；數值模擬；EDM；PDF模型

當今計算流體力學(CFD)已廣泛運用于能源、環境等各個領域，其成本低，周期短的優勢得到了許多應用[1]。在燃煤鍋爐燃燒研究中，數值模擬成為一個越來越重要的手段與方法[2?7]。煤粉鍋爐摻燒污泥是一種經濟環保的污泥處置方法，目前已得到廣泛應用，但國內外學者大多數還停留在實驗室研究分析方 面[8?11]，而煤粉鍋爐摻燒污泥對鍋爐吸熱、煤粉燃燒及污染物排放方面的研究還有待深入[12?13]。污泥是一種高揮發分和高灰分的物料，與煤的物性相差較大。當燃料燃燒特性相差較大，如煤、污泥或者生物質混合燃燒時，其燃燒特性具有非可加性，許多學者認為雙混合分數PDF輸運模型研究此類問題較合 適[2, 14?15]。目前對不同煤質燃燒、煤粉與生物質混合摻燒[16?18]均有研究報道，但對煤粉與污泥摻燒的數值模擬研究鮮有報道。本文作者分別使用組分輸運渦耗散模型(EDM)和混合分數PDF模型，對1臺100 MW四角切圓鍋爐燃燒煤粉和摻燒污泥進行爐內流動、燃燒和污染物排放數值模擬研究，以研究2種模型對煤粉和污泥混燒數值模擬中的適應性。

1 鍋爐概況

模擬對象為1臺100 MW四角切圓煤粉爐。其制粉系統采用鋼球磨煤機、中間儲倉式、乏氣送粉系統。鍋爐本體高度為34.4 m，深度、寬度均為9.985 m，爐膛假象切圓直徑為616 mm。每角布置3層一次風噴口，4層二次風噴口和1層頂燃盡風噴口；一次風燃燒器為濃淡燃燒器，濃淡比為3:1，中間水平方向采用鈍體。頂層燃盡風噴口相比較一次風和二次風燃燒器反切15°，形成逆向旋轉氣流，降低爐內氣流余旋，進而減少爐膛出口兩側煙溫偏差。模擬實驗燃煤為該電廠主力煤種，摻燒污泥為廣東某印染污泥；污泥的含水量和灰量均比煤粉的高，發熱量較低，摻燒污泥后必定會對鍋爐燃燒特性產生影響。燃煤和污泥的特性分析見表1；鍋爐整體結構、燃燒器中心截面示意圖見圖1。

圖1 鍋爐整體結構與燃燒器布置示意圖

表1 燃煤與污泥的特性分析

注：M表示水分；A表示灰分；V表示揮發分；FC表示固定碳；下標ar表示“收到基”。

2 數學模型和計算方法

2.1 數學模型

在燃燒模擬計算中，采用標準?湍流模型模擬氣相湍流；采用顆粒隨機軌道模型分別模擬煤粉顆粒和污泥顆粒的運動；焦炭燃燒則采用動力/擴散控制反應速率模型模擬；輻射傳熱計算采用P1法。采用EDM和混合分數/PDF輸運模型模擬氣相湍流燃燒：采用EDM和單混合分數PDF模型模擬單煤燃燒；采用EDM和雙混合分數PDF模型模擬煤泥混燒。模型詳見文獻[19]。

單混合分數PDF輸運模型模擬單煤燃燒，混合分數定義為

式中：w為某元素的元素質量分數；下標ox代表氧化劑；fuel代表燃料[20]。

采用雙混合分數PDF輸運模型模擬污泥摻燒燃燒：使用2個混合分數1和2分別模擬燃煤和污泥對爐膛內部各點化學反應過程和組分質量分數分布的影響，1和2分別為來自煤和污泥排放的氣體分別占總氣體加上通過燃燒器進入爐內的總氣體的質量分數，其輸運方程如下式所示(方程中的源項由煤和污泥的熱解和焦炭燃盡2個過程決定)：

假設1和2輸運方程的擴散系數相同，即?？紤]湍流對1和2的影響，引入1和2的脈動均方值1和2，其輸運方程如下：

式中：μ為有效黏性系數，假設脈動量1和2輸運方程中的各對應量相等，即，。求解和的輸運方程得到1和2以及1和2。煤和污泥的可燃成分將以1:2的比例在爐內各處混合燃燒。PDF采用截斷高斯分布[20]。

由于污泥中水分含量較高，采用雙PDF模型模擬污泥混燒時，將污泥的干燥基組分作為輸入，忽略了污泥中水分對燃燒的影響。采用EDM模擬煤泥混燒時，可假定污泥水分隨揮發分析出，研究污泥水分對煤泥混燒后鍋爐燃燒特性的影響。假設揮發分析出燃燒為雙步反應，設定其摩爾質量，根據煤和污泥工業分析和元素分析結果，得出煤和污泥揮發分燃燒過程，反應系數和標準生成焓可確定，如式(5)和式(6)所示：

可以得到表達式為：

式中：V為污泥干燥基中揮發分質量比；V為污泥揮發分摩爾質量；污泥含水率；為水的摩爾質量；V為干污泥揮發分標準生成焓；為假定之后污泥揮發分標準生成焓。

NO生成/還原模型中忽略快速型NO，主要考慮熱力型NO和燃料型NO[21]。熱力NO生成模型采用經典的廣義Zeldovich機理。燃料型NO根據De Soete機理[22]，分為揮發分NO和焦炭NO2部分：熱解中間產物為HCN，揮發分N全部轉化為HCN，HCN被O2氧化為NO，也可還原NO生成N2；而焦炭N則直接轉化為NO。本文中采用的污泥NO生成/還原模型與燃煤NO生成/還原模型相同。

2.2 網格處理

模型網格劃分的優劣直接關系到模擬結果的合理性。本文采用分區畫網格法，將計算區域分解為冷灰斗區域、燃燒器區域和爐膛上部燃盡區域。

考慮屏式過熱器和再熱器，更加準確地模擬爐膛內部煙氣流動和溫度分布；為減小模擬中爐膛出口煙氣回流影響，構建爐膛出口水平段和縮口段(圖2中未顯示)。為減少網格偽擴散給模擬帶來的偏差，對燃燒器區域網格進行加密。為了兼顧計算量和網格的合理性，通過對不同網格數目的計算對比，采用的總網格數目約130萬，具體網格劃分見圖2。

圖2 鍋爐中心截面和燃燒器中心截面網格劃分

2.3 邊界條件

離散方法均采用一階迎風格式。一次風、二次風均采用質量入口邊界條件，流量、溫度為設計參數。燃盡風和周界風本體進行適當簡化，根據實際尺寸構建入口模型，其質量流量根據設計參數及變工況條件計算得到。采用壓力出口邊界條件，出口壓力設置為?40 Pa。爐膛壁面采用標準壁面方程，無滑移邊界條件，熱交換采用第二類邊界條件即溫度邊界條件，給定壁面溫度和輻射率，壁面溫度設置為690 K，壁面輻射率設置為0.6?？偣材M8個工況，見表2。

表2 模擬工況表

3 結果與分析

3.1 數值模擬驗證

為了驗證模型熱力性能的可靠性，對比滿負荷條件下單煤燃燒的現場試驗測得結果和數值模擬結果。鍋爐高度15.6 m觀火孔處利用鉑銠10?鉑熱電偶測量爐膛內距離壁面1 m處火焰溫度；并對比飛灰含碳量和NO排放的現場測得結果和模擬結果。

結果顯示：模擬爐膛氧量與實際基本相同，均在(2.1±0.1)%；污染物NO現場測得質量濃度為279.2 mg/m3(6% O2)，而使用EDM方法和PDF模型得出的結果分別為285.8 mg/m3(6% O2)和289.7 mg/m3(6% O2)，相對誤差分別為?2.4%和?3.8%；實際測得15.6 m層爐膛平均溫度為1 357.4℃，而EDM方法和PDF模型結果分別為1 380.2和1 418.7 ℃，相對誤差分別為?1.7%和?4.5%。對于飛灰含碳量，實際測量值為1.67%，而EDM方法和PDF模型結果分別為1.53%和1.51%，相對誤差分別為8.4%和9.6%。整體上2種模型的數值模擬結果與現場試驗數據結果相對誤差較小，表明2種模型模擬單煤燃燒均較符合，可以證明實驗中所采用的2種數值模型均可以合理地模擬爐膛內的煙氣流動、燃燒反應、傳熱/傳質和出口NO排放特性。

3.2 速度場和溫度場

圖3所示為EDM方法和PDF模型模擬單煤和污泥摻燒最下層運行一次風燃燒器中心截面速度場云圖。由圖3可知：對于2種模型模擬結果，最下層運行一次風出口風速為20 m/s至25 m/s，而周界風和二次風出口風速為40 m/s至45 m/s，均符合實際情況。且2種模型模擬單煤燃燒和污泥摻燒時，爐膛均能形成較好的逆時針切圓，半徑較小，與實際相符；污泥摻燒后，一次風截面速度場改變較小。對比速度場的模擬結果，2種模型的模型結果相差較小。

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3；(d) 工況4

圖4和圖5所示為2種模型模擬單煤和污泥摻燒最下層運行一次風燃燒器、爐膛沿高度方向中心截面的溫度場云圖。由圖5可知：4種工況下爐膛溫度分布都較均勻；摻燒污泥后爐膛主燃燒區域溫度降低，這是因為污泥灰分較高，摻燒后燃料燃燒特性較差，燃燒不充分。2種模型模擬的煤粉著火距離均較接近，且與燃燒單煤相比，摻燒污泥后著火距離(火焰溫度達到1 000 K處)縮短。這主要是由于污泥中高揮發分的提前釋放造成泥煤混合物的著火提前，也使得爐膛最下層運行一次風區域溫度均較燃燒單煤增加。對比圖4(a)和圖4(c)可知：工況3的EDM模型單煤燃燒溫度較工況1的單混合分數PDF模型低，而工況4的EDM模型污泥摻燒工況溫度比工況2的雙混合分數PDF模型高?？梢奅DM模型更能有效地模擬污泥揮發分析出中造成混合燃料提前點燃、下層燃燒器溫度上升的現象。由此說明，在污泥摻燒后爐膛速度場模擬效果方面，2種模型類似；但溫度場模擬方面，EDM模型更有優勢。

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3；(d) 工況4

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3；(d) 工況4

3.3 煙氣組分分布

圖6所示為沿爐膛高度方向煙氣組分O2，CO2，H2O和NO體積分數分布。每層燃燒器局部區域，由于二次風補充，燃料的燃燒等因素，煙氣組分都有所波動，兩種模型均能較好地模擬出這一現象。圖6(a)和圖6(b)所示分別為沿爐膛高度方向2種模型模擬O2和CO2體積分數分布。使用PDF模型模擬工況1和工況2爐膛出口CO2體積分數分別為15.57%和15.91%；采用EDM方法模擬的工況3和工況4爐膛出口CO2體積分數分別為15.63%和15.85%；對比2種模型，其CO2體積分數模擬結果基本無差異，相對誤差小于0.05%。2種模型模擬煤泥混燒后CO2體積分數略有增加，這有可能是摻燒污泥后整體燃料量增加的緣故；對于O2體積分數的模擬，2種模型的模擬結果基本 一致。

圖6(c)所示為2種模型研究污泥水分對整體爐膛燃燒效果的影響。由于使用PDF輸運模型時，污泥的水分無法實際體現在模型當中(模擬中實際進入爐膛中的為干燥基污泥)；而使用EDM模型，假設水分隨揮發分析出，煤泥混燒后的H2O組分體積分數明顯比單煤燃燒的高，且高于PDF模型模擬煤泥混燒0.5%左右；水分的吸熱增加，造成爐膛整體溫度下降30 K左右；PDF模型污泥從摻燒后溫度也有所下降，但下降幅度很小。由此可見，EDM模型模擬含水污泥摻燒對爐膛燃燒特性的改變效果較明顯。

圖6(d)所示為4種工況下沿爐膛方向NO生成分布參數曲線。NO生成量與爐膛過量空氣系數、燃燒溫度和煤的含氮量有關?？梢娫谀M單煤燃燒方面，PDF模型結果稍高于EDM方法結果，但基本相同。在污泥摻燒模擬中，NO排放濃度均比單煤燃燒工況的高，這是由于污泥含氮量明顯高于煤質的含氮量；而EDM方法結果低于PDF方法結果，這是由于工況4主燃燒區溫度比工況2的低，熱力型NO生成較少。研究表明：在單煤燃燒模擬中，2種模型NO模擬效果相差較??；但在模擬含水污泥摻燒方面，EDM模型能更有效地模擬出爐膛內水分吸熱、溫度降低對NO生成產生的影響。

(a) O2；(b) CO2；(c) H2O；(d) NO

根據2種模型溫度場、速度場和煙氣體積分數分布結果可以得出：模擬單煤燃燒時，2種模型所得結果相似，均與實際結果相符合；在模擬含水污泥摻燒時，EDM模型更能有效地模擬出水分吸熱對爐膛燃燒效果的影響；在溫度場、煙氣組分H2O和NO體積分數模擬方面，EDM模型明顯較PDF模型好。

4 EDM模擬與現場試驗結果對比

為進一步驗證EDM模型的可靠性與實用性，研究了在相同負荷和配風條件下，采用EDM模型開展鍋爐摻燒質量配比為3%，5%，7%和10%的污泥模擬實驗，對應表2中工況5~8，并與現場摻燒試驗結果進行對比。在實際摻燒中，污泥經過壓濾，其含水率為52%~60%，經過輸煤皮帶與煤混合后進入爐膛燃燒。模擬中污泥入爐含水率與實際結果一致，模擬中取56%。圖7所示為污泥不同配比工況爐膛中心截面的溫度場云圖。由圖7可以看出：隨著摻燒配比的增加，爐膛中心截面溫度分布均勻，整體溫度水平變化較小；爐膛上部區域溫度水平有所下降，這與污泥摻燒后大量水分進入爐膛吸熱有關。由于污泥的高揮發分使得煤粉提前著火，主燃燒區內高溫區域面積增大。

(a) 工況3；(b) 工況5；(c) 工況6；(d) 工況7；(e) 工況8

圖8所示為爐膛高度方向參數分布，其中，圖8(a)和圖8(b)所示分別為沿爐膛高度方向H2O體積分數和溫度分布曲線?？梢姡弘S著污泥配比的增加，爐膛內H2O體積分數明顯增加，水蒸氣吸熱造成爐膛溫度水平下降，當配比上升至10%時較明顯；爐膛主燃燒區域溫度與燃燒單煤工況降低20~30 K，主燃燒區最高溫度下降35 K；但在最下層運行二次風和一次風處，煤泥混燒的平均溫度略比燃燒單煤工況的高。整體上摻燒污泥后爐膛溫度分布差別較小，表明煤泥摻燒對鍋爐的正常運行影響較小。圖8(c)所示為沿爐膛高度方向NO組分參數分布。由于污泥的含氮量比煤質的高，進入爐膛后主燃燒區產生大量燃料型NO，造成NO排放上升，但煤泥混燒整體的NO排放特性與單煤燃燒相似。

(a) H2O；(b) 溫度；(c) NO

現場試驗與數值模擬結果對比見表3。由表3可知：各個工況的NO排放量與現場摻燒結果相對誤差均不超過10%，飛灰含碳量的相對誤差不超過10%，并且15.6 m層爐膛溫度的相對誤差不超過4%，均在合理誤差范圍內。可見：在摻燒56%含水率的污泥、質量比不超過10%的情況下，爐膛整體溫度水平較燃燒單煤工況有所降低，NO排放下降，飛灰含碳量有所增加，但差別均較小，表明煤泥摻燒對鍋爐的正常運行影響較小，實際中摻燒配比較低的污泥是可行的。而利用EDM方法的模擬結果與現場摻燒實驗實測結果相符，說明其具有較好的可靠性與實用性。

表3 模擬結果與現場試驗值對比

5 結論

1) 渦耗散模型和單混合分數PDF模型均能較好地模擬單煤燃燒工況，與實際情況相符；2種模型模擬的爐膛內部溫度場、速度場和煙氣組分分布差別不明顯。

2) 污泥摻燒模擬方面，EDM模型能較好地模擬水分吸熱對爐膛燃燒的影響，其溫度場、煙氣組分H2O和NO模擬結果較PDF模型合理；高含水率不同污泥摻燒配比的EDM模型模擬結果與現場摻燒實測結果相符，表明EDM模型適應性更強。

[1] 李萬平. 計算流體力學[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2004: 2?9LI Wangping. Computational fluid dynamics[M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2004: 2?9.

[2] 王春波, 魏建國, 盛金貴, 等. 300 MW煤粉/高爐煤氣混燃鍋爐燃燒特性數值模擬[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(14): 14?19. WANG Chunbo, WEI Jianguo, SEHNG Jingui, et al. Numerical simulation of combustion characteristics of a 300 MW blast furnace gas/pulverized coal combined combustion boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(14): 14?19.

[3] 朱光明, 姚斌, 段學農, 等. W型火焰鍋爐內無煙煤摻燒優化數值模擬[J]. 動力工程學報, 2012, 32(5): 345?350, 367. ZHU Guangming, YAO Bin, DUAN Xuenong, et al. Numerical simulation on blended coal combustion with anthracite in w-shaped flame boilers[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012, 32(5): 345?350, 367.

[4] BELOSEVIC S, BELJANSKI V, TOMAWOVIC I, et al. Numerical analysis of NOx control by combustion modifications in pulverized coal utility boiler[J]. Energy and Fuels, 2012, 26: 425?442.

[5] DIEZ L I, CORTéS C, PALLARéS J, et al. Numerical investigation of NOemissions from a tangentially-fired utility boiler under conventional and overfire air operation[J]. Fuel, 2008, 87: 1259?1269.

[6] CHOI C R, KIM C N. Numerical investigation on the flow, combustion and NOemission characteristics in a 500 MW tangentially fired pulverized-coal boiler[J]. Fuel, 2009, 88: 1720?1731.

[7] MODLINSKI N. Computational modeling of a utility boiler tangentially-fired furnace retrofitted with swirl burners[J]. Fuel Processing Technology, 2010, 91(11): 1601?1608.

[8] 周家平, 唐強, 王麗朋, 等.污水污泥在富氧環境下燃燒特性的實驗研究[J]. 環境工程學報, 2011, 5(8): 1871?1876. ZHOU Jiaping, TANG Qiang, WANG Lipeng, et al, Experiment research of sewage sludge combustion characteristic in oxygen-enriched environment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2011, 5(8): 1871?1876.

[9] 張強，吳顏, 李偉峰, 等. 污泥與煤共熱解過程中磷元素的揮發規律研究[J]. 燃料化學學報, 2012, 40(6): 665?671. ZHANG Qiang, WU Yan, LI Weifeng, et al. Volatilization of phosphorus during co-pyrolysis of sewage sludge and coal[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2012, 40(6): 665?671.

[10] ELLED A L, AMAND L E, LECKNER B, et al. Influence of phosphorus on sulphur capture during co-firing of sewage sludge with wood or bark in a fluidised bed[J]. Fuel, 2006, 85(12/13): 1671?1678.

[11] 周法. 污泥焚燒污染物排放及灰渣理化特性研究[D]. 杭州: 浙江大學能源工程學院, 2012: 12?20. ZHOU Fa. Study on pollutants emission from sludge combustion and physico-chemical properties of ash and slag[D]. Hangzhou: Zhejiang University. College of Energy Engineering, 2012: 12?20.

[12] OTERO M, GOMEZ X, GARCIA A I, et al. Effects of sewage sludge blending on the coal combustion: a thermogravimetric assessment[J]. Chemosphere, 2007, 69: 1740?1750.

[13] ZHANG G, HAI J, REN M, et al. Emission, Mass balance, and distribution characteristics of PCDD/Fs and heavy metals during co-combustion of sewage sludge and coal in power plants[J]. Environmental Science and Technology, 2013, 47: 2123?2130.

[14] 蘇勝, 蔡興飛, 呂宏彪, 等. 采用雙混合分數/概率密度函數方法模擬混煤燃燒[J]. 中國電機學報, 2012, 32(2): 45?52. SU Sheng, CAI Xingfei, Lü Hongbiao, et al. Simulation of coal blended combustion with the two-mixture-fraction/PDF method[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(2): 45?52.

[15] 方慶艷, 黃來, 姚斌, 等. 采用雙混合分數/PDF方法模擬混煤在四角切圓鍋爐內的燃燒[J]. 動力工程, 2002, 26(2): 187?190. FANG Qingyan, HUANG Lai, YAO Bin, et al. Combustion process simulation with two-mixture fraction/PDF approach of tangentially coal blend fired boilers[J]. Journal of Power Engineering, 2002, 26(2): 187?190.

[16] 楊睿. 四角切圓煤粉爐生物質與煤粉混燒數值模擬[D]. 保定: 華北電力大學能源動力與機械工程學院, 2009: 20?30. YANG Rui. Numerical simulation of the gasification based biomass co-combustion in a tangentially fired pulverized coal boiler[D]. Baoding: North China Electric Power University. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, 2009: 20?30.

[17] 劉強. 新型生物質旋流燃燒器的數值模擬和實驗研究[D]. 保定: 華北電力大學能源動力與機械工程學院, 2011: 15?20. LIU Qiang. Numerical simulation and experimental study for new biomass co-firing with coal swirl burner[D]. Baoding: North China Electric Power University. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, 2011: 15?20.

[18] 汪小憨, 趙黛青, 曾小軍. 煤與生物質液排渣混燒特性的數值模擬[J]. 過程工程學報, 2008, 8(2): 314?320. WANG Xianhan, ZHAO Daiqing, ZENG Xiaojun. Numerical simulation on the slagging co-combustion of coal and biomass[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2008, 8(2): 314?320.

[19] LAUNDER B E, SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1974, 3(2): 269?289.

[20] GHENAI C, JANAJREH I. CFD analysis of the effects of co-firing biomass with coal[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(8): 1694?1701.

[21] GARDINER W C. Combustion Chemistry. New York: Spring Verlag, 1984: 361?421.

[22] DE SOETE G G. Overall reaction rates of NO and N2formation from fuel nitrogen[C]//Proceedings of Fifteenth Symposium (International) on Combustion. Pittsburgy: The Combustion Institute, 1975: 1093?1102.

(編輯 楊幼平)

Adaptability of PDF transport model and eddy-dissipation model in simulation of coal combustion and co-combustion with sludge in coal-fired boiler

ZHU Tianyu1, 2, YIN Libao1, ZHAN Zhigang1, XU Qisheng1, FANG Qingyan2, ZHANG Cheng2, CHEN Gang2

(1. Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China;2. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The numerical simulations using probability density function (PDF) transport model and eddy-dissipation model (EDM) were carried out to evaluate the characteristics of coal combustion and coal combined firing with sludge in a 100 MW tangentially coal fired utility boiler. The characteristics of flow, combustion and NOemissions were studied. The results show that two models can both simulate successfully the temperature and velocity fields of the boiler for coal fired case; flue gas components like O2and CO2volume fractions are in line with the actual situation when these two kinds of model are adopted; H2O concentration is better simulated using EDM than PDF model; the effects of moisture absorption of heat are simulated well for combustion characteristic of the boiler, and NOemission is better simulated. For high moisture sludge co-combustion, EDM has more advantages. Compared with field test when moisture rate of sludge is 56% for different mass ratios of sludge co-combustion in the furnace, simulation results using EDM correspond well, which shows that EDM can effectively simulate the effects of co-combustion with different mass ratios and high moisture content of sludge.

boiler; co-combustion with sludge; numerical simulation; EDM; PDF transport model

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.043

TK227.1

A

1672?7207(2016)08?2864?09

2015?09?09；

2015?11?13

國家自然科學基金資助項目(51006042)；廣東省省部產學研結合項目(2012B091000166)；華中科技大學自主創新基金資助項目(2013QN082)(Project(51006042) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012B091000166) supported by the University-Industry Cooperation Project in Guangdong Province; Project(2013QN082) supported by the Independent Innovation Fund of Huazhong University of Science and Technology)

張成，副教授，從事燃煤污染物排放與控制研究；E-mail：chengzhang@mail.hust.edu.cn