1 000 MW超超臨界機組鍋爐生物質與煤粉混燒數值模擬研究

齊曉娟，童家麟，呂洪坤，丁歷威

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州310014；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

1 000 MW超超臨界機組鍋爐生物質與煤粉混燒數值模擬研究

齊曉娟1，童家麟2，呂洪坤2，丁歷威2

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州310014；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

針對大型燃煤電站鍋爐的生物質和煤粉混燒可行性研究欠缺的問題，利用CFD軟件平臺，以某電廠1 000 MW超超臨界四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了不同煤粉和生物質混燒熱量比對爐膛內溫度場和組分濃度場的影響。計算結果表明，爐膛整體輸入熱量接近相同的情況下，混燃生物質后爐內溫度場無明顯變化；摻燒生物質后，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低；隨著生物質混燒比的增加，落入爐膛冷灰斗的渣量增加。研究結果為大型鍋爐實際混燒生物質提供了理論基礎。

生物質；煤；超超臨界；混燒；數值模擬

0 引言

國務院《能源發展“十二五”規劃》指出：以風能、太陽能、生物質能利用為重點，大力發展可再生能源；有序開發生物質能，因地制宜利用農作物秸稈、林業剩余物發展生物質發電。國務院《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》也指出：積極發展生物質能，制定生物質能開發利用規劃，積極推動生物質能清潔高效利用，推廣生物質能發電示范工程。因此，生物質與煤混合燃燒是近年來研究的熱點，而燃煤鍋爐摻燒生物質燃料將是未來傳統燃煤電站改造的新方向[1-4]。

過去生物質與煤混燃技術的發展主要基于鍋爐運行經驗及小型實驗裝置所測得數據，由于實驗裝置昂貴，燃燒過程又十分復雜，所以試驗結論很難在實際中應用。目前數值模擬已成為研究鍋爐燃燒的一種有效途徑，盧洪波等[5]對600 MW機組四角切圓煤粉爐進行了混燃的數值模擬，孫俊威等[6]對600 MW超臨界機組燃煤鍋爐生物質氣體再燃進行了數值研究，而目前對生物質與煤在1 000 MW機組四角切圓煤粉爐中的數值模擬研究基本沒有。

在此以某發電廠1 000 MW超超臨界機組四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了煤粉和生物質混燒熱量比不同時，對爐膛內溫度場和組分濃度場的影響，為大型鍋爐混燒生物質實際應用提供了依據。

1 鍋爐概況

某發電廠1 000 MW超超臨界機組鍋爐為單爐膛塔式布置，爐膛寬度為23 160 mm，深度為23 160 mm，高為118 090 mm，寬深比為1∶1。該鍋爐采用中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統設計，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器。煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設有12層一次風噴口，四周布置有燃料風。燃燒器風箱分成獨立的4組，下面3組風箱各有4層一次風噴口，對應2臺磨煤機，磨煤機由下至上分別對應A，B，C，D，E，F磨。投運時，上5臺磨運行，A磨煤機備用。在每相鄰2層一次風之間布置有1層CFS（偏置二次風）。在上層煤粉燃燒器組頂部布置有1層CCOFA（緊湊燃盡風）噴口。在整個煤粉燃燒器組頂部布置有6層SOFA（分離燃盡風）噴口。其中一次風內切圓直徑為3.315 m。CFS與一次風之間有22°的角度。

圖1和圖2分別為鍋爐幾何模型和燃燒噴口立面布置圖。

圖1 鍋爐本體

圖2 燃燒器噴口布置

2 網格劃分

根據該發電廠爐膛的結構特點及流動特點，利用Gambit軟件對爐膛進行網格劃分，將整個鍋爐物理模型計算區域分成10個區段。為了避免偽擴散的產生，盡量使從燃燒器出來的氣流方向與網格線垂直，在鍋爐水平截面采用Paving方法[7]生成四面體網格，如圖3所示。以燃燒器為中心呈輻射狀，對切向流動氣流來說，網格線與流動方向夾角很小，有效地抑制了計算偽擴散，保證了數值計算的穩定收斂。鍋爐爐膛根據已經生成的橫截面網格，采用Cooper方法沿著爐膛高度方向生成六面體網格。

3 數學模型

煤粉在爐膛內的燃燒是一個復雜的過程，涉及氣相流動和湍流燃燒、顆粒運動、揮發分析出、焦炭燃燒、輻射換熱等[8-9]。在數值模擬中，氣固兩相間的湍流計算采用Realizable k-ε模型[10-11]；用雙混合分數/PDF（概率密度函數）模型模擬氣相湍流燃燒，其中，煤以主要流、經驗流的形式射入，生物質以次要流、經驗二次流形式射入，雙混合分數PDF模型與單混合分數PDF模型相比，PDF的積分是在FLUENT中進行，對計算機要求更高，計算時間也更長，相應的計算精度較單混合分數PDF模型要高；焦炭燃燒選取擴散－動力模型；煤液化采用雙方程模型；對于爐內燃燒時的輻射和對流換熱采用P1輻射模型；煤粉顆粒的軌跡場采用基于拉格朗日的隨機顆粒跟蹤方法。

圖3 燃燒器區域水平截面網格

4 計算方法及邊界條件

數值模擬采用三維穩態計算。上述數學模型的控制方程采用控制體積法，使用一階差分格式進行方程離散，采用SMPLE方法求解N-S方程。

以下分別對生物質與煤混燒熱量比為0%，10%，20%進行計算分析，模擬使用的煤與生物質工業分析和元素分析如表1所示。燃燒器各層噴口風量數據如表2所示，3種工況風煤比均為2.2∶1。各臺磨煤機均等配煤，磨煤機煤粉和生物質數據如表3所示。

表1 鍋爐煤種煤質工業分析和元素分析數據

5 計算結果與分析

5.1 溫度分布

表2 各層噴口風量

表3 單臺磨煤機煤粉和生物質質量

圖4為爐膛縱向截面溫度分布圖。由圖中可知，混燒比為0%，10%，20%3種工況時，爐內溫度場分布情況并無明顯改變，分布輪廓線相似。爐膛燃燒區域溫度分布都比較均勻，溫度差距不大。這是由于3種工況爐膛整體輸入熱量較接近的原因。在縱向截面，爐膛最高溫度不超過1 900 K，局部高溫僅出現在煤粉噴口附近，而這有利于煤粉顆粒的快速加熱和熱解。

圖4 爐膛縱向截面溫度分布

圖5為燃燒器區一次風C2噴口中心截面溫度分布。從圖中可知，3個工況下，溫度分布均呈現明顯的切圓形式，隨著混燒比例的增加，由于生物質揮發分較煤粉高，更易于燃燒，因此燃燒器噴口生成的高溫區域增大，混燒比為20%時，尤為明顯。混燒比為10%時，爐膛中心漩渦處的溫度較其他2種工況偏低，但是相差不大。

圖5 燃燒器區一次風噴口（C2）中心截面溫度分布

圖6為鍋爐爐膛區域內平均煙溫。從圖中可以看到：混燒比為10%時較0%和20%的整體溫度場有所下降，但僅下降了2.7%，這也在軟件本身的計算誤差內。

圖6 爐膛整體區域平均煙溫

5.2 CO濃度分布

圖7為爐膛SOFA上方不同高度截面的CO平均物質的量濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到，摻燒生物質后，爐膛上方直至出口處，燃燒情況非常好。這是由于生物質含碳量較煤粉偏低，且揮發分高，灰分低，有利于充分燃盡。

圖7 爐膛截面CO平均物質的量濃度沿著爐膛高度的變化

5.3 飛灰可燃物分布

圖8為鍋爐出口截面飛灰可燃物分布。分布曲線證明混燒比為10%和20%的工況下，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低，分析原因是由于生物質燃料揮發分大，且灰分極低，接近于零，因此易于燃燒。

圖8 爐膛出口截面飛灰可燃物分布

5.4 渣量變化

通過跟蹤截面經過的顆粒量，計算出這些跟蹤顆粒中代表的流量，從而得到該截面的渣量。圖9為爐膛冷灰斗處渣量分布。通過曲線可以看到：隨著生物質混燒比的增加，落入爐膛冷灰斗的渣量增加。混燒比20%時落入的渣量近乎是混燒比10%時的2倍，是單一煤粉燃燒時的10倍。究其原因是：盡管生物質燃料的密度只為煤粉的1/2，但生物質顆粒平均直徑卻為煤粉顆粒平均直徑的10倍，這樣生物質的比表面積只有煤粉的1/5，因此要求氣體攜帶速度更高，而此處計算時各層區域在爐膛高度方向上過量空氣系數接近相同，混燒比20%時托底二次風量最低，從而導致混燒比20%時掉入冷灰斗的渣量最多。

6 結論

以某發電廠1 000 MW超超臨界機組四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了煤粉和生物質混燒熱量比不同時，對爐膛內溫度場、CO組分濃度場、飛灰可燃物和渣量的影響，為大型鍋爐混燒生物質實際應用提供了依據。

圖9 爐膛冷灰斗處渣量分布

（1）混燒比為0%，10%，20%時，由于3種工況爐膛整體輸入熱量較接近的原因，爐膛燃燒區域溫度分布都比較均勻，溫度差距不大。

（2）摻燒生物質后，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低，爐膛上方直至出口處，燃燒情況非常好。

（3）由于3種工況風煤比相同，因此各層區域在爐膛高度方向上過量空氣系數基本一致。隨著生物質混燒比的增加，要求氣體攜帶速度更高，而托底二次風量卻逐漸降低，從而落入爐膛冷灰斗的渣量顯著增加。這就為今后進一步優化研究提供了方向。

[1]陳海平，魯光武，于鑫瑋，等.燃煤鍋爐摻燒生物質的經濟性分析[J].熱力發電，2013，42（12）∶40-44.

[2]魯光武，陳海平.生物質與煤摻燒燃燒特性及動力學分析[J].電站系統工程，2013，29（4）∶7-9.

[3]張運洲.終端用能方式變革為電力發展注入新活力[N/ OL].[2016-02-17].http∶//shoudian.bjx.com.cn/html/20160217 /708449.shtml

[4]馮玉鋒.托電公司摻燒生物質燃料的可行性分析[J].華電技術，2014，36（8）∶73-75.

[5]盧洪波，馬玉鑫，祖國剛，等.生物質與煤共燃溫度場的數值模擬[J].東北電力大學學報，2014，34（1）∶1-4.

[6]孫俊威，閻維平，趙文娟，等.600 MW超臨界燃煤鍋爐生物質氣體再燃的數值研究[J].動力工程學報，2012，32（2）∶89-95.

[7]潘維，池作和，斯東坡，等.四角切圓燃燒鍋爐爐膛網格生成方法的研究[J].動力工程，2005，25（3）∶359-363.

[8]岑可法，姚強，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制[M].北京：機械工業出版社，2004.

[9]HILLSC，SMOOTLD.Mo deling of nit rog enox ides format ion and destr uction in combustion systems[J].Progress in Energy and Combustion Science，2000，26（4）∶417-458.

[10]潘維，池作和，李戈，等.四角切圓燃燒鍋爐燃燒和污染物排放數值模擬[J].浙江大學學報（工學版），2004，38（6）∶761-764.

[11]方慶艷，汪華劍，陳剛，等.超超臨界鍋爐磨煤機組合運行方式優化數值模擬[J].中國電機工程學報，2011，31（5）∶1-6.

（本文編輯：陸瑩）

Numerical Simulation of Co-firing of Coal and Biomass in a 1 000 MW Ultra-s Upercritical Boiler

QI Xiaojuan1，TONG Jialin2，LYU Hongkun2，DING Liwei2
（1.E.Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

There is a lack of feasibility study on co-firing of coal and biomass in boilers of large coal-fired power plants.The 1 000 MW ultra-supercritical tangential coal-fired boiler in a power plant is taken as a re search object，and the computational fluid dynamics（CFD）software platform is employed to calculate and analyze the effect of heat ratio of different co-fired coals and biomass on furnace temperature field and component concentration field.The result shows that there is no significant change in the temperature field in the furnace with the co-firing of biomass and the input heat the same；with the co-firing of biomass，the content of the combustible fly ash at the outlet is lower than that of the single pulverized coal.With the increase of biomass co-firing ratio，the amount of slag falling into the cold ash bucket increases.The results provide a theoretical basis for the actual mixed biomass of large boilers.

biomass；coal；ultra-supercritical；co-firing；numerical simulation

10.19585/j.zjdl.201705008

1007-1881（2017）05-0029-05

TK62，TK227

A

2017-02-17

齊曉娟（1981），女，高級工程師，主要從事發電廠方向數值模擬工作。