基于數值模擬的燃煤鍋爐耦合生物質的燃燒特性研究

宮 健, 馬達夫, 管玉保, 王明洋,葛成用, 郭鎧銘, 楊 琨

(1. 吉林電力股份有限公司 四平第一熱電公司, 吉林四平 136000;2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司, 上海 200240)

“雙碳”目標要求我國對現有能源結構進行優化調整,進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]。根據聯合國氣候變化專門委員會發布的不同能源方式的平均碳(二氧化碳)排放強度可知,燃燒煤、石油和天然氣發電的平均碳排放強度分別為1 001 g/(kW·h)、840 g/(kW·h)和469 g/(kW·h),而燃燒生物質發電的平均碳排放強度僅為18 g/(kW·h)[2, 3]。

生物質的能源化、肥料化、飼料化和材料化是目前生物質資源的主要利用形式[4],其中生物質能源化利用可以實現規模化和無害化。生物質能源化利用的主要方式為直接燃燒發電和氣/液化后再燃燒發電[5]。燃煤鍋爐摻燒生物質發電技術可以利用現有燃煤電站的基礎設施,節約新建生物質發電機組的成本。同時,燃煤機組具有大容量、高參數的優勢,燃煤鍋爐摻燒生物質的發電效率遠高于生物質電站[6]。我國在《電力發展“十三五”規劃》中強調了摻燒生物質發電技術的重要性[7],但是我國相關產業起步晚,相關項目仍處于示范階段。

譚厚章等[8]在某660 MW鍋爐開展了摻燒生物質壓塊燃料的試驗,結果表明摻燒生物質降低了氮氧化物(NOx)的排放,并且對鍋爐效率和粉煤灰性質基本沒有影響。劉家利等[9]對煤粉鍋爐直接摻燒生物質發電技術的技術壁壘進行了綜述,認為生物質原料的密度小、體積大,難以研磨,磨煤機很難將其磨制成與煤粉顆粒相同的粒徑,同時生物質的揮發分含量較高,大比例摻燒時磨煤機內極易發生自燃現象。

筆者通過數值模擬對某燃煤電廠350 MW四角切圓燃燒鍋爐摻燒生物質及NOx排放特性進行仿真,對比分析摻燒不同熱值比生物質后爐膛溫度場、組分場和壁面熱流密度的變化,探究摻燒生物質可能對鍋爐實際運行的影響,為后續開展生物質摻燒試驗工作提供參考。

1 研究對象及模擬工況

研究對象為某燃煤電廠350 MW亞臨界自然循環汽包鍋爐。鍋爐為П形布置,采用四角切圓燃燒方式,其設計煤種為褐煤。鍋爐本體及燃燒器布置見圖1。通過低溫熱解工藝將生物質原料處理成疏水性較高、能量密度較大、易研磨、便于運輸且堆放存儲中不易腐爛的固體顆粒(處理后呈黑色),極大程度地緩解了秸稈燃料的運輸存儲問題。成型后生物質和褐煤的工業分析、元素分析見表1。由表1可知:生物質的水分含量低、揮發分含量極高、熱值較高,褐煤的水分和灰分含量較高。因此,摻燒生物質可以起到穩定燃燒和緩解爐內結渣的作用。

表1 燃料的工業分析和元素分析

圖1 鍋爐本體及燃燒器布置

考慮到制粉系統出力和對鍋爐運行的影響,每臺磨煤機最多摻燒40%熱值比的生物質。為了使生物質充分燃燒,優先選擇在底部燃燒器進行摻燒。保持總風量和總入爐熱量不變,按熱值比將部分褐煤替換為生物質,A、B、C、D和E磨煤機的具體摻燒工況見表2。

表2 生物質在各磨煤機的熱值比

2 數值模擬及計算方法

2.1 網格劃分

使用GAMBIT軟件對鍋爐進行全尺寸建模并完成網格劃分。鍋爐結構極其復雜需要進行簡化處理,爐頂過熱器僅考慮面積較大的受熱面。因此,可以將模型劃分為灰斗部分、主燃區、爐膛上部和爐頂過熱器區域,主燃區上、下面定義為交界面。

為了保證計算結構的準確性,鍋爐各部分均被劃分為結構化網格。同時,為了防止擴散現象的發生,爐膛網格流向與煤粉氣流的射流方向保持一致[10]。經過網格獨立性驗證后,選取網格數為120萬的網格,鍋爐總體和爐膛截面的網格見圖2。

圖2 鍋爐總體及爐膛截面網格

2.2 數學模型

采用Realizablek-ε方程計算爐內的湍流流動;選擇P1輻射模型;燃燒模型采用組分輸運渦耗散模型,采用兩步反應描述煤和生物質燃燒;采用單速率揮發模型描述揮發分析出,動力擴散模型描述焦炭燃燒,隨機軌道模型描述燃料顆粒在爐內的運動狀況。耦合方法選擇壓力速度SIMPLE算法,所有求解方程均采用一階迎風算法。

計算初值對收斂時間的影響較大,因此需要先完成爐內冷態流場的計算,然后加入燃料進行燃燒熱態仿真,最后進行爐內NOx的計算。模擬過程中設置鍋爐為滿負荷。

2.3 邊界條件

設置一次風、二次風等入口為速度入口,爐膛出口為壓力出口,爐膛壓力為-50 Pa,冷灰斗溫度為200～417 ℃,爐膛水冷壁溫度為417 ℃,過熱器溫度為467～547 ℃。

3 結果與分析

3.1 對爐內溫度場的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況的鍋爐中心截面和燃燒器截面的溫度云圖見圖3。由圖3可見,摻燒生物質后,爐膛火焰的充滿度和溫度增加。這主要是因為生物質的揮發分含量較高,對鍋爐燃燒穩定性和擴散性有促進作用。

圖3 摻燒不同熱值比生物質工況的鍋爐中心及燃燒器截面的溫度

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況下沿爐膛高度方向的平均溫度見圖4。

圖4 摻燒不同熱值比生物質工況的爐內高度方向平均溫度

由圖4可知,摻燒生物質可以提高爐膛平均溫度約22 K。這主要是因為生物質的熱值較高,并且含水量較低,減少了水分揮發所需的熱量。主燃區的平均溫度上升20 K,燃盡風至折焰角區域的平均溫度上升37 K。當摻燒生物質的熱值比從20%提升至40%后,主燃區、燃盡區和全爐膛的平均溫度沒有明顯變化。

杭州瑞年貿易有限公司技術研究員何金鋼介紹：“多數蔬菜和瓜果類作物從前期生根到后期膨果階段對鈣的需求量非常高，甚至超過常見的大量元素。但因種植者鈣肥施用方式不合理和方法不科學，導致鈣肥吸收利用率一直上不去，甚至缺失，從而出現一些生理性病害。”

3.2 對爐內氧氣(O2)分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況的鍋爐中心截面及燃燒器截面O2分布云圖見圖5。由圖5可知,摻燒生物質后,主燃燒器的O2射流有變小趨勢,這是因為生物質的揮發分含量高,對氧量的消耗量大。此外,摻燒生物質后水平煙道處的O2含量明顯減少。生物質的氧元素含量比褐煤高出2.41倍,但是其碳、氫元素含量分別是褐煤的1.48和2.30倍(見表1),所需的氧量比自身提供的氧量多。

圖5 摻燒不同熱值比生物質工況的鍋爐中心及燃燒器截面O2的體積分數

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況下沿爐膛高度方向的O2含量見圖6。從圖6可以看出:摻燒生物質后主燃區的O2體積分數降低0.5%～1.0%,3種工況標高45 m處的運行O2體積分數分別為3.6%、3.2%、2.9%。因此,生物質在主燃區和燃盡區的耗氧能力比褐煤更強。

圖6 摻燒不同熱值比生物質工況的爐內O2體積分數

3.3 對爐內一氧化碳(CO)分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況的鍋爐中心截面及燃燒器截面CO分布云圖見圖7。由圖7可知,摻燒生物質后,主燃區的CO含量急劇增加,這是因為生物質揮發分和固定碳含量較高。燃盡風以上區域的CO含量接近0。這說明摻燒生物質使主燃區的不完全燃燒程度增加,但是高揮發分含量的生物質使燃盡率很高。

圖7 摻燒不同熱值比生物質工況的鍋爐中心及燃燒器截面CO的體積分數

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況沿爐膛高度方向的CO含量見圖8。

圖8 摻燒不同熱值比生物質工況的爐內CO體積分數

由圖8可知:摻燒20%和40%熱值比生物質后,爐膛平均CO體積分數由1 094×10-6分別上升至2 540×10-6和3 198×10-6,主燃區的CO體積分數由1 587×10-6分別上升至3 690×10-6和4 549×10-6,燃盡風至折焰角區域的CO由10×10-6分別上升至241×10-6和495×10-6。

3.4 對爐內NOx分布的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質的鍋爐中心截面及燃燒器截面NOx分布云圖見圖9。生物質中氮元素的含量高于褐煤(見表1),但是摻燒生物質后NOx含量相比于純煤工況明顯下降。這主要是因為生物質中的氮元素主要以胺基存在[7],還原氣氛下易生成CHi、NHi基團,將NOx還原為N2。

圖9 摻燒不同熱值比生物質工況的鍋爐中心及燃燒器截面NOx的體積分數

在電廠實際測量中,NOx(其中NO體積分數占NOx體積分數的95%)的測量單位通常為mg/m3。因此,需要進行特定的換算[11],換算過程見式(1),式中2.05為NO2從體積分數到質量濃度的轉換系數。

(1)

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況下沿爐膛高度方向的NOx質量濃度的變化見圖10。由圖10可以看出:摻燒生物質后沿爐膛高度方向上的NOx質量濃度均有不同程度的下降,相比于純煤工況,當分別摻燒20%和40%熱值比的生物質,NOx質量濃度由706 mg/m3分別下降至601 mg/m3和537 mg/m3。不同比例的生物質對A、B、C層燃燒器區域的NOx含量影響并不大。主燃區的NOx質量濃度下降了140～182 mg/m3,并且下降質量濃度與摻燒比呈正相關。在標高45 m處,純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況的NOx質量濃度分別為852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,說明加入更高比例的生物質有利于降低NOx的排放濃度。

圖10 摻燒不同熱值比生物質工況的爐內NOx質量濃度

3.5 對水冷壁熱流密度的影響

純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況的水冷壁熱流密度分布情況見圖11(圖中負值表示熱流密度由爐膛向外傳遞)。摻燒生物質后,上爐膛水冷壁溫度云圖出現紅色,意味著摻燒后上爐膛水冷壁吸熱更多,這主要是因為摻燒后上爐膛煙氣溫度增加(見圖3和圖4)。總體上,摻燒前后水冷壁熱流密度變化不大,不會明顯影響爐內水冷壁的吸熱情況。

圖11 摻燒不同熱值比生物質工況的爐膛水冷壁熱流密度

4 結語

通過數值模擬研究了350 MW四角切圓燃燒鍋爐滿負荷下摻燒不同熱值比生物質(經過低溫熱解處理)的燃燒狀況和O2、CO、NOx分布特性,具體結論如下:

(1) 相比于純煤工況,摻燒20%熱值比的生物質后,爐膛、主燃區、燃盡風至折焰角區域的平均溫度分別增加22 K、20 K和37 K。當摻燒生物質的熱值比從20%提升至40%后,溫度幾乎不變。生物質的加入對鍋爐燃燒的穩定性和擴散性有促進作用。

(2) 摻燒生物質可以使爐膛煙氣的O2體積分數降低0.5%～1.0%,3種工況標高45 m處的O2體積分數分別為3.6%、3.2%、2.9%,氧量的降低幅度與摻燒量呈正相關。

(3) 生物質的摻燒可以使爐膛主燃區CO的體積分數上升2 103×10-6～2 962×10-6,CO含量的增加幅度與摻燒量呈正相關。但是,摻燒前后燃盡風區域的CO體積分數始終接近0。

(4) 摻燒生物質后,主燃區的NOx質量濃度降低140～182 mg/m3。在標高45 m處,純煤、摻燒20%、40%熱值比生物質工況下NOx的質量濃度分別為852 mg/m3、828 mg/m3、758 mg/m3,說明加入更高比例的生物質有利于降低NOx排放濃度。

(5) 摻燒生物質可以使上爐膛水冷壁的熱流密度輕微增加,但熱流密度總體上改變不大,因此不會影響水冷壁的吸熱情況。

因此,在燃燒褐煤的機組摻燒該生物質有助于改善鍋爐燃燒的穩定性,可以減少NOx排放,不會明顯影響水冷壁的吸熱情況。