新型生物質循環流化床鍋爐燃燒NOx釋放規律研究

2022-03-21 04:25:54謝曙光鄭曉杰王為術范高峰劉群安

工業加熱 2022年1期

謝曙光，鄭曉杰，王為術，范高峰，劉群安

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016； 2.華北水利水電大學，河南鄭州 450045；3.鄭州鍋爐股份有限公司，河南鄭州 450001)

構建清潔低碳、安全高效能源體系，實現綠色高質量發展，嚴格控制燃煤污染物排放，規定新建火電機組和具有改造條件的機組達到超低排放標準，煙塵濃度低于10 mg/m3，SO2排放濃度低于35 mg/m3，NOx排放濃度低于50 mg/m3[1]。循環流化床(Circulating Fluidized Bed，簡稱CFB)具有燃燒效率高、燃料適應性廣、NOx排放濃度低等顯著優點而被用于低質燃料和含碳固體廢棄物燃燒發電。生物質是一種可再生能源，主要指秸稈、鋸末、果皮等農林廢棄物，我國生物質資源十分豐富，2020年全國生物質資源量約20億t，在眾多生物質能轉換技術中，直接燃燒是高效利用生物質能最切實可行的技術之一。因此，將生物質燃料與循環流化床燃燒技術結合起來，對節能減排具有重要的社會和生態意義。

國內外學者采用試驗和數值模擬方法對循環流化床鍋爐燃燒過程進行研究。彭建升[2]對320 t/h循環流化床鍋爐進行試驗研究，分析NOx的生成與抑制機理。張向宇[3]、Lucas D[4]的試驗研究結果表明循環流化床鍋爐NOx排放直接受爐內溫度的影響。張建平[5]采用試驗方法對生物質循環流化床鍋爐脫硝進行研究，分析NOx排放特性。袁文杰[6]對165 t/h循環流化床鍋爐低負荷運行下NOx排放量進行研究。陳拓[7]采用試驗方法研究50 MW循環流化床鍋爐生物質摻燒的比例對NOx排放的影響規律。Kosowska-Golachowska M[8]在12 kW循環流化床燃燒器上試驗研究了不同燃燒氛圍對NO、NO2等氣體排放的影響。試驗研究成本高、難度大，目前，數值模擬被廣泛用于循環流化床鍋爐燃燒與NOx釋放的研究。史丹君[9]采用數值模擬方法，研究循環流化床鍋爐一、二次風配比、二次風射流等因素對爐膛出口處NOx排放濃度的影響。王文潔[10]對75 t/h循環流化床鍋爐進行數值模擬，研究不同粒徑燃料NOx釋放規律。張沖沖[11]采用數值模擬方法，研究了350 MW循環流化床鍋爐變負荷過程中NOx排放規律。謝興旺[12]采用數值模擬方法，研究混燒生物質燃料的循環流化床鍋爐燃燒特性及污染物釋放特性。文獻統計發現，目前研究多集中在以煤或煤摻混生物質為燃料的循環流化床，而對燃燒生物質燃料的CFB鍋爐燃燒過程及污染物釋放特性研究較少。為減少生物質CFB鍋爐燃燒過程中NOx排放，滿足超低排放標準，筆者采用Fluent 2020軟件對一種新型生物質CFB鍋爐燃燒和NOx釋放規律進行研究，分析燃料顆粒運行軌跡和不同過量空氣系數下NOx的釋放規律，為生物質CFB鍋爐污染控制和運行優化提供依據。

1 模型與計算方法

1.1 研究對象

研究對象為新型生物質循環流化床鍋爐，該鍋爐是雙鍋筒橫置式的自然循環水管鍋爐。鍋爐爐膛高度為13 500 mm，爐膛寬度為4 300 mm，爐膛深度為1 960 mm。燃料由爐膛右墻處給料口送入，煙氣出口在爐膛上部后墻位置，為直徑1 400 mm的圓形出口。燃燒生成煙氣進入臥式高溫水冷旋風分離器，分離器由兩片水冷膜式壁組成，煙氣中未燃盡的顆粒經分離器由慣性力被分離出來，通過水冷回料道由松動風重新送入爐膛進行再燃燒，提高燃燒效率。一次風進口在爐膛底部，簡化為平均進風，兩個二次風進口對稱布置在爐膛的前后墻。生物質燃料的工業分析和元素分析如表1所示。

表1 燃料的工業分析和元素分析

以100%負荷為研究工況，燃料消耗量為1.38 kg/s，燃料進口溫度為503 K，燃料顆粒粒徑范圍為0.2～5 mm，平均粒徑為2 mm。一次風速為0.375 m/s，一次風溫503 K，二次風速7.14 m/s，二次風溫573 K，燃料進口速度取5.5 m/s。循環流化床鍋爐在微負壓條件下運行，將鍋爐出口定義為壓力出口，大小為-19.81 Pa。

1.2 網格模型

采用Gambit 2.4.6對循環流化床鍋爐建立1∶1幾何模型，進行非結構化網格劃分。在物理量變化劇烈的主燃區采用結構化六面體網格進行加密，生成的網格模型如圖1所示。在模擬過程中，對網格進行無關性檢驗，逐次細化得到網格無關解，檢驗結果如圖2所示，最佳網格數量約為450萬。

圖1 循環流化床鍋爐網格模型

圖2 網格無關性驗證結果

1.3 數學模型

循環流化床鍋爐內的燃燒過程首先滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒、組分質量守恒，基本控制方程如下[13]：

質量守恒

(1)

動量守恒

(2)

能量守恒

(3)

組分質量守恒方程

(4)

鍋爐爐膛內包括了物料的流動、傳質、燃燒等一系列復雜的物理化學反應過程，本文選擇RNGk-ε方程進行求解。

湍動能方程

GK+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

湍動能耗散率方程

(6)

式中：Gk為平均速度梯度產生的湍動能；Gb為浮力產生的湍動能；YM為膨脹對總耗散率的作用；C1ε=1.42，C2ε=1.68。

1.4 計算方法

在生物質循環流化床鍋爐燃燒過程數值模擬中，采用非預混燃燒模型對生物質燃料化學反應及組分輸運進行模擬，湍流模型選用RNGk-ε模型，顆粒與氣體間相互作用選用拉格朗日離散相模型(DPM)。考慮鍋爐內部燃料顆粒及產物自身的傳熱和輻射散射，采用P1輻射模型。對流項選用二階迎風格式，離散后方程組采用SIMPLE算法求解，近壁面區域選用標準壁面函數法處理。

在燃燒過程中，鍋爐內NOx的生成有三種類型：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx，其中熱力型NOx和燃料型NOx占主導，快速型NOx只占總NOx生成量的5%。因此，在模擬中主要考慮熱力型NOx和燃料型NOx。

生物質燃料燃燒產生的NOx包括NO、NO2和N2O，其中NO約占90%，NO2占5%～10%，N2O只占1%左右。因此，對鍋爐燃燒過程NOx釋放規律分析時，主要討論NO的生成[14]。在燃料燃燒產物中，NO占比很小，因此對NO生成特性的模擬采用后處理的方法，先計算爐內燃燒反應，燃燒結果收斂后加入NOx模型，計算NO的生成。

2 結果分析

2.1 顆粒運動軌跡

圖3是生物質CFB鍋爐爐膛內部燃料顆粒運動軌跡，不同顏色代表了顆粒的不同速度。由模擬的結果分析可知，在鍋爐進行燃燒的過程中，一小部分顆粒在一次風和二次風作用下，進入位于鍋爐頂部的旋風分離器。未燃盡的顆粒在分離器中由于慣性力的作用與煙氣分離，經回料管回到爐膛內繼續參與燃燒。但燃料顆粒粒徑較大時，一、二次風無法將顆粒直接作用至分離器。較大粒徑的顆粒首先在重力作用下，落至爐膛一側，然后在爐膛稀相區內回旋，經較長時間反復燃燒，當顆粒粒徑變小時，在一次、二次風的作用下，沖進旋風分離器。出現上述現象的原因是，首先不同粒徑的顆粒重力作用不同，一、二次風無法將較重的顆粒沖進旋風分離器。其次，循環流化床鍋爐內部是一個復雜的流動、傳質和燃燒過程，燃料顆粒的運動與壓力、一次風和二次風配比等諸多因素有關，因此燃料顆粒在爐膛內部出現了回旋現象。

圖3 顆粒運動軌跡

2.2 過量空氣系數對NO釋放的影響

圖4為不同過量空氣系數下生物質CFB鍋爐爐膛NO濃度分布圖。從圖4中可以看出，在爐膛底部，NO濃度較低，該區域燃料顆粒在一次風的作用下處于流化狀態，溫度較低，進行燃燒的顆粒少。在爐膛的中心區域，NO濃度較高，因為此區域燃料濃度高，燃燒反應比較劇烈，導致NO生成量增加。在爐膛的中上部，部分工況下NO會產生積累現象，由顆粒運行軌跡可知，這是因為爐內的湍流流動十分劇烈，部分顆粒在爐膛內部形成了回旋。

圖5是不同過量空氣系數下沿爐膛高度方向NO濃度分布。由圖5可知，不同過量空氣系數下NO濃度在爐膛內分布特性相同，沿爐膛高度方向增加，NO濃度由低到高，最后保持相對穩定。在燃燒初期，燃料顆粒溫度升高達到著火溫度，揮發分析出并進行燃燒，燃料中的N與空氣中的O2反應生成NO。隨著燃料的燃燒，反應持續進行，不斷地生成NO，因此沿爐膛高度增加，NO的濃度逐漸增加。在爐膛高度10 m之后，NO的濃度基本維持不變。由圖5還可得到，隨著過量空氣系數的增加，不同過量空氣系數下爐膛高度13 m處NO質量濃度。在過量空氣系數為1.25時，爐膛高度13 m處NO的濃度最大，為197×10-6。因此，在生物質CFB鍋爐運行過程中，為減少氮氧化物的排放，應控制過量空氣系數在合適的范圍內。綜合考慮，取過量空氣系數1.2為最佳工況。

圖4 不同過量空氣系數下X=2.15 m截面處NO的質量分數

圖5 不同過量空氣系數下沿爐膛高度方向NO濃度分布

圖6是不同過量空氣系數下爐膛出口處NO的質量百分數。由圖6可知，隨著過量空氣系數由1.1增加至1.25，出口處NO質量百分數先減小后增加。在過量空氣系數為1.2時，出口處NO質量百分數最小，為0.16%。當過量空氣系數為1.25時，爐膛出口處NO質量百分數最大，為0.19%。由此可以得到，控制過量空氣系數在合適的范圍內，是減少氮氧化物排放的重要舉措之一。該生物質CFB鍋爐過量空氣系數取值范圍宜在1.15～1.2，綜合考慮，取過量空氣系數1.2為最佳工況。