預熱解式煤粉工業鍋爐大比例直燃耦合生物質的數值模擬研究

董 琨,張瀚霖,譚厚章,張嘉燁,胡中發,程占軍,周月桂,王學斌

(1. 天津大學 環境科學與工程學院,天津 300350;2. 國家能源集團新能源技術研究院有限公司,北京 102211;3. 西安交通大學 能源與動力工程學院,陜西 西安 710049;4. 上海交通大學 熱能工程研究所,上海 200240)

生物質能源是一種可再生的零碳排放燃料,資源產量豐富,對其充分利用是實現我國“雙碳”目標的重要途徑。目前對生物質能源進行利用的方式主要有直燃、氣化與熱解3種,其中,直燃技術具有成本低、應用范圍廣等優勢,是基于我國國情下的重點研究對象[1]。純燒生物質往往會產生爐內結渣與腐蝕等問題,相比之下,煤與生物質耦合燃燒能夠充分利用已有的燃煤設備,是實現燃煤過程CO2減排成本最低且最為成熟的技術。目前國內外關于煤與生物質耦合燃燒技術在燃煤電站鍋爐上的應用研究已較為豐富,但受制于生物質收集成本高等約束,研究重點仍集中在低比例摻燒帶來的各方面影響上。MUNIR等[2]在20 kW下行爐上進行生物質摻燒比例15%以內的實驗研究,關注燃燒特性與污染物的排放情況,發現摻燒生物質有利于提高燃燒效率,并能降低NOx排放。HELMUT等[3]在0.5 MW燃燒爐上進行煤與生物質的耦合燃燒實驗,重點關注了摻燒比例等因素對爐內燃燼率與NOx排放的影響,結果表明生物質摻燒比例在20%以下的工況均能實現99%的整體燃燼率,且生物質作為再燃燃料顯著增強了NOx的還原。

不同于集中供能的電站鍋爐,現有分布式供能的燃煤工業鍋爐具備進行大比例耦合甚至全部改燒生物質燃料的條件。目前鏈條爐和流化床鍋爐摻燒和全燒生物質在國內已得到較為廣泛的應用。陳拓等[4]在60 MW循環流化床鍋爐上開展大比例摻燒生物質實驗,發現鍋爐熱效率升高,同時NOx排放有所降低。然而,相比之下更高效且自動化程度更高的煤粉工業鍋爐大比例直燃耦合生物質的研究和工業應用案例較少。目前煤粉工業鍋爐所面臨的主要挑戰是NOx排放控制,而預熱解式燃燒技術已逐漸被認可為解決低氮難題的有效手段之一。朱書駿等[5]研究了難燃燃料在循環流化床內的預熱解燃燒應用,其試驗系統最終驗證了預熱解式燃燒技術的可行性與通用性,實現穩定燃燒的同時降低了NOx排放。許鑫偉等[6]設計了一種煤粉工業鍋爐預熱解式低氮燃燒器,實驗結果表明,應用該燃燒器能夠使得煤粉著火穩定,在最佳配風比下NOx排放可達到相應標準。陳隆等[7]以6 t/h、采用旋流預熱解式燃燒器的鍋殼式小容量煤粉工業鍋爐作為研究對象,研究了生物質摻燒比例對鍋爐熱效率與污染物排放的影響,結果表明隨著生物質摻混比例的提高,燃料中揮發分升高,NOx排放降低。由此可見,若能利用預熱解式的煤粉燃燒技術實現大比例耦合甚至純燒生物質,將有效解決低氮難題,實現生物質能源的充分利用。

筆者對25 t/h預熱解式煤粉工業鍋爐內耦合燃燒生物質進行數值模擬研究,討論大比例耦合生物質對爐內溫度場、壁面熱流密度、氣氛場與NOx排放的影響,以期對大比例直燃耦合生物質甚至全燒生物質在預熱解式煤粉工業鍋爐上的應用提供理論支撐。

1 模型與設置

1.1 模型驗證與燃料特性

本文數值模擬依托某25 t/h預熱解式煤粉工業鍋爐展開。該鍋爐爐膛呈L型布置,臥式爐為火焰燃燒的主要區域,立式爐為火焰燃燼區域。該煤粉工業鍋爐的燃燒器為新型預熱解式低氮燃燒器,由內到外包括中心風、一次風、旋流內二次風、預燃室、外二次風及燃燒區域等,一次風與內二次風之間設有分離套筒,使一次風射流與內二次風射流分離布置。內二次風出口與預燃室相連,預燃室上在圓周上均勻布置16個外二次風噴口,外二次風可通過風箱均勻布風送入爐膛。生物質將與煤質燃料耦合后經由一次風送入爐膛,通過改變2者的相對給粉量來調節生物質的摻燒比。鍋爐的物理模型與燃燒器噴口的布置如圖1所示。

數值模擬的網格模型采用ICEM軟件進行劃分,采用六面體結構化網格,并在預燃室內部、爐膛主燃區等重要計算區域進行網格加密。經網格獨立性驗證,最終選擇網格數量為118.2萬。同時,對典型煤粉燃燒工況進行模擬計算,將計算結果與實驗測量溫度場進行對比,驗證了模擬的可靠性,可參照文獻[8]。實驗結果與模擬結果對比如圖2所示,誤差為±4.5%,小于工業常規要求的10%。因此,可認為該模型能較為準確地預測爐膛內的燃燒情況。

圖2 測點實驗結果與模擬結果對比[10]Fig.2 Temperature comparison between experiment and modleing[10]

數值模擬研究選用煙煤作為煤質燃料,生物質燃料為一種典型的通用生物質[9]。2種燃料的工業分析與元素分析見表1。

表1 燃料的元素分析及工業分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of fuels

1.2 計算方法與模型設置

固體燃料顆粒在鍋爐內發生氧化、燃燒并釋放熱量的過程是一個復雜的物理化學過程,伴隨著大量輻射、對流換熱及熱傳導[12]。

煤粉工業鍋爐運行時,爐膛內部高溫煙氣的流動認為處于湍流狀態,為了考慮湍流對流動帶來的影響,本文采用Realizablek-ε模型進行求解[10],該模型適用于模擬圓形旋轉射流等帶旋的湍流流動,與本文的燃燒器產生的流場十分貼合。對于固體燃料顆粒在爐膛內部的運動,采用離散相模型進行模擬,該模型分別采用歐拉法與拉格朗日法對連續相與離散相的運動過程進行求解。對于固體燃料顆粒內部的傳熱傳質行為,結合實際工藝流程,煤、生物質燃料在進入煤粉工業鍋爐前已進行磨制處理,粒徑較小,能較好地符合顆粒內部溫度均勻假說的成立條件;同時,前人研究[11]指出,當顆粒粒徑在幾百微米以下時,其內部的傳熱傳質行為十分微弱,對燃燒過程的影響極小,因此,暫不考慮燃料顆粒內部的傳熱傳質行為。

固體燃料顆粒在爐膛內部的燃燒過程是數值模擬的重點,包括熱解、揮發分氣相燃燒和焦炭燃燒3個過程。由于燃料特性差異,煤、生物質在燃燒過程中可能存在較大差別,在模型選擇時需考慮。

對于煙煤燃燒過程,其熱解過程采用兩步競爭反應速率模型進行描述,考慮了揮發分析出速率受揮發分的影響。焦炭燃燒過程采用擴散/動力模型進行描述,該模型考慮了焦炭表面的反應速率和O2向顆粒表面的擴散速率對焦炭表面燃燒過程的影響,能夠較好地模擬焦炭的實際燃燒狀況[12]。

對于生物質燃燒過程,考慮到其揮發分高且更易揮發的特點,參考前人研究[13],采用單步反應速率模型對其熱解過程進行描述,其中指前因子為4.310 6×107s-1,活化能為8.349 2×107J/kmol。同時,由于生物質焦炭更易著火與燃燒,直接采用煤焦炭的模型參數將無法對生物質焦炭燃燒過程進行準確描述,因此采用Intrinsic模型對該過程進行模擬,參數選擇參考文獻[14],參數包括控制質量擴散的系數為5×10-12,控制動力反應的指前因子和活化能分別為0.66 s-1和7.48×107J/kmol,焦炭的孔隙率為0.4,平均孔半徑為1.6×10-6mm,比內表面積為4×105m2/kg。

對于固體燃料顆粒的揮發分氣相燃燒過程,參考文獻[9],認為煤和生物質的揮發分為單一組分,并根據元素守恒假設其組成形式為CxHyOz,經計算,本文煤和生物質的揮發分組成分別為C1.44H2.75O0.57和C1.02H2.52O0.88。采用有限速率/渦耗散模型對該過程進行描述,對于揮發分氣相燃燒過程發生的化學反應,假設其為生成中間產物CO的兩步反應,反應的化學方程式與動力學參數見表2。對于爐膛內部的輻射作用,采用WSGGM模型計算三原子氣體的吸收系數,并選擇適用性更廣的DO模型求解[15]。

基于收斂的熱態場對爐膛內部的NOx生成進行計算,同時考慮熱力型NOx和燃料型NOx的生成。針對煤和生物質不同的燃燒特性,參考YIN等[16]研究,認為煤的揮發分氮直接轉化為HCN,生物質的揮發分氮轉化為NH3,2者的焦炭氮均直接轉化為NO。

表2 氣相反應方程Table 2 Reaction of gas-phase

完成各模型設置后,根據耦合燃燒生物質的比例設計不同工況,對其邊界條件進行相應調整后模擬計算。最終模擬結果采用TECPLOT進行后處理,以便后續分析討論。

1.3 模擬工況與邊界條件

L型煤粉工業鍋爐中變比例耦合燃燒生物質的數值模擬研究,按照生物質摻燒比例分為了6個工況。模擬鍋爐額定設計參數,并計算燃料的理論燃燒空氣量,按照過量空氣系數1.65送入過量空氣,燃料經由燃燒器的一次風送入。為保證一定的爐膛輸入熱量與過量空氣系數,在不同工況中根據摻燒比例計算得到生物質的需求量,并通過調節其質量流量實現摻燒比例的改變。

不同工況的編號與參數見表3。

表3 不同工況編號及參數Table 3 Numbers and conditions parameters of different cases

2 模擬結果及分析

2.1 溫度場與壁面熱流密度分布

2.1.1 溫度場分布

不同工況下鍋爐內部的溫度場分布云圖如圖3所示。從圖3可以看出,各工況下爐膛內部火焰充滿程度較好,且高溫區域集中在預燃室與臥式爐的主燃區,而在立式爐燃盡區內,隨著爐膛高度的增加,溫度迅速降低。同時,隨著耦合燃燒生物質比例的增加,臥式爐內的高溫區域逐漸擴大,火焰呈變大的趨勢。其原因在于:生物質的揮發分較高,初期受熱后大量釋放,而且生物質焦的著火特性優于煙煤,因此臥式爐主燃區內的燃燒隨著耦合生物質比例的增加而得到強化。

圖3 不同工況下爐膛溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution in furnace

結合圖4可知,隨著耦合生物質比例的增加,臥式爐中心的最高溫度位置存在延后現象,純生物質燃燒與純煤粉燃燒相比,臥式爐中心最高溫度位置后移約0.9 m,其主要原因為:所選生物質燃料含有更高的水分,當摻燒比例增大時會影響燃料的著火特性。

圖4 不同工況下臥式爐中心溫度的變化曲線Fig.4 Variation of temperature distribution in horizontal furnace center under different conditions

2.1.2 壁面熱流密度分布

圖5為不同工況下爐膛左墻的壁面熱流密度分布對比。從圖5可看出,不同工況下的爐膛左墻壁面熱流密度呈基本相同的分布規律:在臥式爐內,沿著水平方向壁面熱流密度呈先升高、后降低的分布,結合溫度分布特點可知,這是由于臥式爐的主燃區處于爐膛前中段,在該區域內燃燒最為劇烈、煙氣溫度最高,同時隨著內、外二次風的進入,煙氣流動速度有所增加,因此輻射傳熱與對流傳熱均得到強化。而在立式爐燃燼區,隨著爐膛高度的增加,燃燒已基本完全,煙氣溫度逐漸降低,因此壁面熱流密度也逐漸減小。對比不同工況下爐膛左墻的壁面熱流密度分布,隨著耦合直燃生物質比例的增加,高傳熱量的區域延后,這與生物質的高含水量所造成的著火延遲有直接關系。

2.2 組分分布

2.2.1 O2分布

爐膛內部O2體積分數可用以分析燃燒規律與煙氣流動情況。不同工況下臥式爐中心O2摩爾分數的變化如圖6所示。從圖6可以發現,各工況下O2摩爾分數沿臥式爐中心具有相似的變化規律:在預燃室與臥式爐主燃區,燃料將發生劇烈燃燒,O2被迅速消耗,形成低氧區域;而在臥式爐后半段,隨著內、外二次風的噴入,O2摩爾分數逐漸升高,使燃料完全燃燒。對比不同工況下的變化曲線,可以發現,隨著生物質摻燒比例的增加,預燃室與臥式爐主燃區消耗O2的速率有減慢趨勢,且所形成的低氧濃度區域也存在滯后現象。分析認為,這是因為生物質中的O元素質量分數高于煙煤,在各工況輸入熱量相同的條件下,其需氧量更低;同時,結合溫度場分布規律,認為低氧濃度區域滯后與著火延遲相符,臥式爐內主燃區后移將使得低氧濃度區域形成滯后。

2.2.2 揮發分分布

圖7為不同工況下的爐膛內部揮發分分布云圖。從圖7可以發現,隨著生物質摻燒比例的增加,爐膛內部的揮發分摩爾分數明顯增大,且在預燃室存在集中的趨勢。因為生物質燃料的揮發分高,約為煤質燃料的2倍,因此,在耦合燃燒生物質時,生物質摻燒比例越大,混合燃料的揮發分越高。同時,相比于煤質燃料,生物質燃料由于揮發分高、熱值低,在預燃室內更易脫除揮發分并參與燃燒,因此,隨著生物質摻燒比例的增加,預燃室內揮發分沿一次風流道析出量不斷增加,并在水平爐膛前段高溫區呈集中的趨勢。

圖5 不同工況下爐膛左墻壁面熱流密度分布云圖Fig.5 Heat flux distribution on left wall of furnace

圖6 不同工況下爐膛中心氧氣摩爾分數分布Fig.6 Distribution of oxygen concentration along the central direction of furnace

2.2.3 CO分布

圖8為不同工況下爐膛內部的CO摩爾分數分布。由圖8可知,爐膛內CO主要分布在預燃室與臥式爐主燃區,且在預燃室出口分布更為集中,而立式爐燃盡區的CO摩爾分數已基本降至0,其原因在于:部分燃料在預燃室內劇烈燃燒,使得O2摩爾分數迅速降低,導致該區域發生不完全燃燒,CO摩爾分數明顯升高;部分預燃室出口的高溫煙氣與一次風混合后,將會迅速加熱一次風所攜燃料并與O2反應,促使燃料在低氧濃度的還原性氣氛中生成大量CO;而隨著外二次風的噴入,主燃區內將逐漸擁有充足的O2使得燃燒進行完全,CO摩爾分數逐漸降低。

圖7 不同工況下爐膛內揮發分分布云圖Fig.7 Volatile distribution of volatile in furnace at different conditions

圖8 不同工況下下爐膛內CO濃度分布云圖Fig.8 CO distribution in furnace at different conditions

結合圖9發現,隨著耦合燃燒生物質比例增加,上述分布規律更為明顯,且預燃室出口CO摩爾分數逐漸增大,這是由于生物質的揮發分遠高于煙煤,隨著生物質摻燒比例的增加,混合燃料的揮發分逐漸升高,更易著火并燃燒,爐膛內O2被迅速消耗,低氧區域將會發生更多不完全燃燒,導致CO摩爾分數上升。

圖9 不同工況下爐膛中心CO分布Fig.9 Distribution of CO concentration along the central direction of furnace at different conditions

2.3 氮氧化物排放

由于煤質燃料與生物質燃料的性質差異,在煤粉工業鍋爐中大比例耦合燃燒生物質將會顯著影響爐膛內部NOx的生成,造成最終污染物排放的差異。由于以往研究所選取生物質N元素含量較低,在燃燒過程中生成的燃料型NOx較少,因此最終NOx排放量下降。本文選取的生物質N元素含量高于煙煤,分析其不同摻混比例耦合燃燒工況下NOx排放的規律,將進一步完善耦合燃燒應用的理論支撐。

圖10為6個不同摻燒比例工況下爐膛出口NOx的變化規律。在生物質摻燒比例從0增至20%時,爐膛出口NOx質量濃度呈上升趨勢;而隨著摻燒比例的進一步增加,爐膛出口NOx質量濃度逐漸下降,純燒生物質工況較純燒煤粉工況下降了23%。分析認為,生物質的摻燒對于NOx的生成主要產生2個影響:① 由于所選生物質N元素含量較高,隨著其摻燒比例的增加,混合燃料中N元素含量相應提高,生成的燃料型NOx較多,在摻燒比例較低時導致最終NOx排放濃度上升;② 生物質燃料具有燃點低、揮發分高的特點,其受熱分解后析出的碳氫化合物等與NOx發生還原反應,有效降低了NOx排放[17],而在本文新型預熱解式低氮燃燒器中,在預燃室內易形成還原性氛圍,更利于在燃燒初期反應,實現NOx的高效還原。

圖10 NOx出口排放濃度Fig.10 NOx emissions at furnace outlet

從圖10可以看出,隨著生物質摻燒比例增加,生物質燃料熱解產生的還原性氣氛對NOx生成的影響強于N元素含量的影響,但在低比例摻燒條件下,生物質燃料N元素含量同樣也會顯著影響NOx生成。因此,在實際應用中,可通過對生物質燃料中N元素含量和燃燒氣氛的控制實現較顯著的NOx控制。

3 結 論

(1)針對分布式供熱的工業鍋爐,預熱解式煤粉燃燒技術可實現煤粉工業鍋爐大比例耦合生物質甚至全部改燒生物質,在適當控制生物質燃料含水量與收到基氮含量的條件下,大比例耦合生物質具備良好的爐內燃燒特性,同時可顯著降低鍋爐NOx排放。預熱解式煤粉燃燒技術是實際工程上實現耦合生物質供能的有效技術手段之一。

(2)數值模擬結果表明,預熱解式煤粉工業鍋爐大比例耦合生物質后,爐內的溫度場和壁面熱流密度總體分布趨勢與純煤粉燃燒相似。隨著生物質耦合比例增加,主燃區燃燒過程得到強化,但由于生物質水分較高,火焰總體存在火延遲現象,生物質燃燒與純煤粉燃燒相比,爐膛中心最高溫度推遲。預熱解式煤粉工業鍋爐大比例耦合生物質后,主燃區消耗O2的速率有所降低,揮發分與CO含量明顯上升,且在預燃室內呈集中趨勢。

(3)在生物質耦合比例低于20%時,受生物質燃料中氮含量高和火焰推遲的雙重作用影響,NOx排放濃度隨生物質耦合比例的增加逐漸上升;而當耦合比例進一步增大甚至全燒生物質時,還原性氛圍的快速形成使NOx排放濃度逐漸降低,純生物質燃燒相較于純煤粉燃燒下降23%。