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60MW机组燃煤锅炉耦合生物质气再燃数值模拟

张小桃,段佛元,黄勇,王爱军

(华北水利水电大学电力学院,河南郑州450003)

  摘要:为了研究不同高度生物质气再燃喷口对锅炉燃烧过程等的影响,基于Fluent软件,搭建燃煤耦合生物质气模型,对某公司660MW机组煤粉炉耦合生物质气再燃过程进行了数值模拟,研究生物质气喷口位置对锅炉温度场、NOx的排放量和烟气中各组分变化的影响。结果表明:燃煤锅炉耦合生物质气再燃会导致炉膛烟气出口温度升高,并且随着生物质气喷口高度的增加而增加;生物质气再燃能降低NOx的排放量,生物质气喷口位于再燃区上部、中部、下部时NOx排放的平均质量浓度分别为22.32、210.19、239.58mg/m3其中生物质气喷口位于再燃区中部的效果最好,与原始工况NOx排放平均质量浓度291.96mg/m3相比,下降了2.01%;生物质气再燃增加了烟气中CO的体积分数,并且随着生物质气喷口位置的增高而增加。

  生物质气和大型燃煤锅炉机组耦合发电,不但能提高生物质利用效率,还能降低污染物的排放[1]。生物质与燃煤机组耦合运行是消纳秸秆和农林废弃物,污泥垃圾等燃料的有效途径[2]。李国林等[3-5]结合我国实情,阐述了生物质气耦合的必然性;王一坤等[6-8]研究分析了我国燃煤耦合生物质气发电的现状;李振山等[9-11]研究了生物质气还原NOx的反应机理并验证了生物质气掺烧可以减少NOx的生成量;孙俊威等[12]利用Fluent软件研究了生物质气再燃对污染物排放的影响,发现生物质气再燃可以降低NOx的排放;殷仁豪等[13-17]研究了生物质气再燃对污染物排放的影响,发现生物质气对污染物中的NOx有很高的还原率;徐皓鹏等[18]研究了燃煤与生物质气混燃的燃烧特性及对污染物排放的影响,发现掺烧生物质气不仅可以降低污染物排放,而且对锅炉运行影响较小;NihadHodzic等[19]研究了煤与生物质、天然气共燃对污染物排放的影响,发现通过燃料和空气分级可以降低NOx的生成;吴智泉等[20]通过系统能流、烟流分析模型,分析生物质气化-燃煤耦合发电系统能量流动及损失分布,采用科学合理的燃气配气方式,锅炉燃烧稳定性几乎不受影响。

  本文基于Fluent软件,对不同高度生物质气喷口对660MW机组煤粉锅炉耦合生物质气再燃过程进行数值模拟,对比分析不同高度生物质气喷口对锅炉炉膛温度、烟气组分分布和NOx排放的影响,为燃煤耦合生物质气再燃提供参考数据。

  1实验对象及方法

  1.1锅炉概况

  本文研究对象为某660MW机组亚临界、一次再热、控制循环、四角喷燃燃煤锅炉。锅炉炉膛宽19.558m,深16.44m,高约为57m。燃烧器呈四角切圆布置,一次风喷口总计24个,二次风喷口总计28个,一次风喷口与二次风喷口间隔布置,燃尽风喷口总计8个。一次风喷口面积为0.6m×0.6m,二次风喷口面积为0.60m×0.75m,燃尽风喷口面积0.60m×.75m。锅炉主要设计参数见表1。利用GAMBIT软件对锅炉按1:1建模,并划分网格数约为70万。炉膛结构、燃烧器喷口布置与网格划分如图1所示。

  1.2数学模拟与计算方法

  燃煤耦合生物质气是一个复杂的燃烧过程。其数学模型既包含湍流流动、离散相运动和气固两相与炉膛壁面间的对流,也包含挥发分析出、焦炭燃烧和辐射传热。锅炉模拟流程如图2所示。

  气相湍流运动釆用k-£模型;釆用非预混燃烧模型,把化学反应速率计算问题转化为流动混合问题,进而也解决了化学反应速率难以求解的问题。其中,煤以主要流、经验流的形式通入,生物质气以次要流、非经验流的形式通入P1模型求解煤粉燃烧的辐射传热较准确,因此采用P1模型;焦炭的燃烧釆用动力/扩散限制模型;采用Simple算法求解计算离散方程组的压力和速度耦合,先冷态后热态,最后再计算NOx排放质量浓度。

  1.3生物质气与燃煤再燃过程理论基础

  生物质气再燃,是将生物质气作为二次燃料投入主燃烧区与燃尽区之间的区域,在这里煤粉燃烧产生的NOx与炷根O2i和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm发生还原反应,生成N2,最终减少NOx生成量。利用这一原理,把炉膛高度自下而上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区。

  1.4燃料分析及边界条件设定

  试验选取煤种为阜新烟煤,其工业分析和元素分析见表2。生物质气采用4509的松木气,松木气成分基于Aspen软件根据松木特性模拟获得[22],结果见表3。

 

 

  所有入口设为速度入口,并根据各喷口数量分配风量;出口设为压力出口,负压为-80Pa;壁面采用无滑移边界条件,主燃烧区域壁面温度为1000K,再燃区域壁面温度为950K,燃尽区域壁面温度为900K。炉膛主要计算参数设置见表4。

  1.5研究工况

  将生物质气通入锅炉再燃区域,再燃区位于锅炉的主燃区和燃尽区之间。为了保证通入的生物质气不影响锅炉切圆燃烧,生物质气通入口位于锅炉炉膛四个角落,通入角度与锅炉燃烧器一二次风通入角度一致。

  本文针对不同高度生物质气喷口对煤粉炉影响的数值模拟。一二次风和燃尽风的位置保持不变,在再燃区设置生物质气喷口。原工况和3种不同掺烧工况生物质气喷口布置如图3所示。各工况下一二次风、燃尽风吉生物质气喷口的流速设置见表5。

 

 

  2实验结果分析

  2.1模型结果验证

  通过对比文献[23]中,满负荷运行时炉膛出口烟气温度和NOx平均质量浓度,来确保数值模拟的准确性。实验结果与数值模拟结果对比见表6。

  由表6可见,两者的炉膛出口烟气温度偏差和炉膛出口NOx质量浓度偏差分别为2.03%和2.35%,数值模拟结果较为准确。

  2.2不同生物质气喷口位置对温度场的影响

  在不同工况下,锅炉中心截面的温度场分布如图4所示。锅炉各水平截面烟气平均温度随炉膛高度分布如图5所示。

  结合图4和图5可以看出,炉膛的高温区主要集中在主燃烧区的上部。原始工况从炉膛底部到主燃烧区最下层燃烧器部分,温度快速上升,到达主燃烧区温度上升变缓,到达主燃烧区最上层温度升到最高,温度为1981.9K;由于燃尽风的通入使得未完全燃烧产物CO、H2、C、CnHm减少,之后随着炉膛高度的增加,辐射和对流传热使得温度逐渐降低;工况1一工况3沿炉膛高度出现2个峰值,一个在主燃烧器区,一个在再燃区,这是因为煤粉和生物质气在主燃烧器区上部,煤粉迅速燃烧,温度升高,由于再燃将部分煤粉用生物质气所替代,使得主燃烧区中煤粉比原始工况要少,故在到达最上层燃烧器之前这3个工况的温度比原始工况要低,其主燃烧区最上层温度分别为1983.4、2026.8、1982.6K;再燃区由于生物质气的送入燃烧,使得再燃区温度有所升高;之后又由于燃尽风的通入,使得炉膛温度降低,未燃尽碳和生物质气在这里再次燃烧,温度有小幅上升;随着生物质气喷口位置增高,生物质气在炉膛停留时间变短,推迟了燃料的燃尽位置,使炉膛出口烟气温度升高,其中原始工况、工况1一工况3的炉膛出口烟气温度分别为1431.7、1454.4、1459.5、1462.3K。

  2.3不同生物质气喷口位置对炉膛出口NOx的影响

  不同工况下炉膛各水平截面NOx的平均质量浓度随炉膛高度分布如图6所示。

  由图6可以看出:不同工况下NOx生成的变化趋势基本相同;由于在主燃烧器区中部分煤被生物质气所替代,故工况1—工况3在主燃烧器区的NOx的生成量要远低于原始工况;之后由于燃尽风的送入,增高了燃尽区氧体积分数,使得未燃尽的煤粉可以继续燃烧,促进了NOx的生成;但由于工况1-工况3中生物质气的投入,又将部分NO还原为N2,其中工况1由于生物质气喷口位于主燃烧器区最顶层二次风之上,使得部分生物质气直接燃烧,没有起到很好的降低NOx生成量的作用,故工况1在燃尽风区NOx生成量较高;工况3中生物质气喷口位于最下层燃尽风之下,部分生物质气直接燃烧,也没有起到很好的降低NOx生成量的作用,但由于部分生物质气直接燃烧,造成燃尽风中O2体积分数的减少,使得部分未燃尽的碳没有继续燃烧,降低了燃尽风区NOx的生成量;不同工况出口NOx的平均质量浓度分别为291.96、228.32、210.19、239.58mg/m3,其中工况1一工况3的NOx平均质量浓度分别下降了21.80%、28.01%、17.94%。由此可见,生物质气再燃的确可以起到降低NOx排放量的作用,而且工况2的减排效果最好。

  2.4不同生物质气喷口位置对烟气组分的影响

  图7为不同工况下,各炉膛截面O2、CO、CO2体积分数分布。

  由图7a)可以看出,不同工况下O2体积分数变化趋势相似,工况1—工况3的O2体积分数均大于原始工况的O2体积分数,在主燃区,其差别较为明显。随着炉膛高度的增加,O2体积分数逐渐增大,在主燃区中部达到峰值,工况1—工况3的O2体积分数均高于原始工况值。在燃尽区,O2体积分数又出现一个较小的峰值,在次处,工况1—工况3的O2体积分数与原始工况下的O2体积分数接近。原始工况和其他3个工况炉膛出口O2体积分数分别为0.0962%、0.0934%、0.0404%、0.0438%。这是因为在主燃区一部分燃煤被生物质气所替代,导致生物质气掺烧工况下主燃区的O2体积分数增加;在再燃区,生物质气作为二次燃料投入,生物质气再燃也需要空气,使得工况1—工况3总体的O2体积分数与原始工况接近。

  由图7b)可以看出:由于生物质气再燃过程中,部分煤粉会被生物质气所替代作为二次燃料在再燃区投入,主燃烧器区所投入的煤粉减少,主燃烧区燃烧温度降低,燃料燃烧不充分,导致主燃区CO体积分数增多,但随着炉膛高度增加,燃烧过程继续完成,使得不同工况下的CO体积分数逐渐接近。原始工况和其他3个工况炉膛出口CO体积分数分别为2.42%、2.56%、3.09%、3.11%。

  由图7c)可以看出:工况1一工况3中产生的CO2体积分数在主燃区均低于原始工况,在燃尽区,主燃区的未完全燃烧产物和部分未反应的生物质气继续燃烧,生成CO2,工况1—工况3的CO2体积分数上升速度明显高于原始工况,其差别逐渐减小。在炉膛出口,原始工况和其他3个工况CO2体积分数分别为15.31%、16.01%、15.67%、15.10%;在再燃区由于生物质气的投入,使得CO体积分数有所增加,这部分CO又与NO反应生成N2和CO2,这使得再燃区中CO2体积分数增加。

  3结论

  1)与原始工况相比,生物质气再燃使得主燃烧器区温度降低,而从再燃区开始温度升高。

  2)随着生物质气喷口位置升高,出口烟气温度升高,其中工况1—工况3分别升高23、28、31K;生物质气喷口位置靠近主燃烧器区或靠近燃尽区,都有可能由于部分生物质气直接燃烧,造成局部中心火焰温度增高;生物质气喷口位置位于再燃区中间,要比靠近主燃烧器区和靠近燃尽区降低NOx排放效果好,NOx排放质量浓度为210.19mg/m3,与原始工况相比N(X排放质量浓度降低了28.01%。

  3)由于一部分燃煤被生物质气所替代,所生成CO2体积分数降低,但是会增加烟气中CO的体积分数。

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