張小桃，段佛元，黃勇，王愛軍

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州450003)

　　摘要：為了研究不同高度生物質(zhì)氣再燃噴口對鍋爐燃燒過程等的影響，基于Fluent軟件，搭建燃煤耦合生物質(zhì)氣模型，對某公司660MW機組煤粉爐耦合生物質(zhì)氣再燃過程進行了數(shù)值模擬，研究生物質(zhì)氣噴口位置對鍋爐溫度場、NO_x的排放量和煙氣中各組分變化的影響。結(jié)果表明：燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)氣再燃會導(dǎo)致爐膛煙氣出口溫度升高，并且隨著生物質(zhì)氣噴口高度的增加而增加；生物質(zhì)氣再燃能降低NO_x的排放量，生物質(zhì)氣噴口位于再燃區(qū)上部、中部、下部時NO_x排放的平均質(zhì)量濃度分別為22.32、210.19、239.58mg/m³其中生物質(zhì)氣噴口位于再燃區(qū)中部的效果最好，與原始工況NO_x排放平均質(zhì)量濃度291.96mg/m³相比，下降了2.01%；生物質(zhì)氣再燃增加了煙氣中CO的體積分數(shù)，并且隨著生物質(zhì)氣噴口位置的增高而增加。

　　生物質(zhì)氣和大型燃煤鍋爐機組耦合發(fā)電，不但能提高生物質(zhì)利用效率，還能降低污染物的排放^[1]。生物質(zhì)與燃煤機組耦合運行是消納秸稈和農(nóng)林廢棄物，污泥垃圾等燃料的有效途徑^[2]。李國林等^[3-5]結(jié)合我國實情，闡述了生物質(zhì)氣耦合的必然性；王一坤等[6-8]研究分析了我國燃煤耦合生物質(zhì)氣發(fā)電的現(xiàn)狀；李振山等^[9-11]研究了生物質(zhì)氣還原NO_x的反應(yīng)機理并驗證了生物質(zhì)氣摻燒可以減少NO_x的生成量；孫俊威等^[12]利用Fluent軟件研究了生物質(zhì)氣再燃對污染物排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)氣再燃可以降低NO_x的排放；殷仁豪等^[13-17]研究了生物質(zhì)氣再燃對污染物排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)氣對污染物中的NO_x有很高的還原率；徐皓鵬等^[18]研究了燃煤與生物質(zhì)氣混燃的燃燒特性及對污染物排放的影響，發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)氣不僅可以降低污染物排放，而且對鍋爐運行影響較小；NihadHodzic等^[19]研究了煤與生物質(zhì)、天然氣共燃對污染物排放的影響，發(fā)現(xiàn)通過燃料和空氣分級可以降低NO_x的生成；吳智泉等^[20]通過系統(tǒng)能流、煙流分析模型，分析生物質(zhì)氣化-燃煤耦合發(fā)電系統(tǒng)能量流動及損失分布，采用科學(xué)合理的燃氣配氣方式，鍋爐燃燒穩(wěn)定性幾乎不受影響。

　　本文基于Fluent軟件，對不同高度生物質(zhì)氣噴口對660MW機組煤粉鍋爐耦合生物質(zhì)氣再燃過程進行數(shù)值模擬，對比分析不同高度生物質(zhì)氣噴口對鍋爐爐膛溫度、煙氣組分分布和NO_x排放的影響，為燃煤耦合生物質(zhì)氣再燃提供參考數(shù)據(jù)。

　　1實驗對象及方法

　　1.1鍋爐概況

　　本文研究對象為某660MW機組亞臨界、一次再熱、控制循環(huán)、四角噴燃燃煤鍋爐。鍋爐爐膛寬19.558m，深16.44m，高約為57m。燃燒器呈四角切圓布置，一次風(fēng)噴口總計24個，二次風(fēng)噴口總計28個，一次風(fēng)噴口與二次風(fēng)噴口間隔布置，燃盡風(fēng)噴口總計8個。一次風(fēng)噴口面積為0.6m×0.6m，二次風(fēng)噴口面積為0.60m×0.75m，燃盡風(fēng)噴口面積0.60m×.75m。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。利用GAMBIT軟件對鍋爐按1:1建模，并劃分網(wǎng)格數(shù)約為70萬。爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器噴口布置與網(wǎng)格劃分如圖1所示。

　　1.2數(shù)學(xué)模擬與計算方法

　　燃煤耦合生物質(zhì)氣是一個復(fù)雜的燃燒過程。其數(shù)學(xué)模型既包含湍流流動、離散相運動和氣固兩相與爐膛壁面間的對流，也包含揮發(fā)分析出、焦炭燃燒和輻射傳熱。鍋爐模擬流程如圖2所示。

　　氣相湍流運動釆用k-£模型；釆用非預(yù)混燃燒模型，把化學(xué)反應(yīng)速率計算問題轉(zhuǎn)化為流動混合問題，進而也解決了化學(xué)反應(yīng)速率難以求解的問題。其中，煤以主要流、經(jīng)驗流的形式通入，生物質(zhì)氣以次要流、非經(jīng)驗流的形式通入P1模型求解煤粉燃燒的輻射傳熱較準確，因此采用P1模型；焦炭的燃燒釆用動力/擴散限制模型；采用Simple算法求解計算離散方程組的壓力和速度耦合，先冷態(tài)后熱態(tài)，最后再計算NO_x排放質(zhì)量濃度。

　　1.3生物質(zhì)氣與燃煤再燃過程理論基礎(chǔ)

　　生物質(zhì)氣再燃，是將生物質(zhì)氣作為二次燃料投入主燃燒區(qū)與燃盡區(qū)之間的區(qū)域，在這里煤粉燃燒產(chǎn)生的NO_x與炷根O₂i和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H₂、C和C_nH_m發(fā)生還原反應(yīng)，生成N₂，最終減少NO_x生成量。利用這一原理，把爐膛高度自下而上依次分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。

　　1.4燃料分析及邊界條件設(shè)定

　　試驗選取煤種為阜新煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表2。生物質(zhì)氣采用4509的松木氣，松木氣成分基于Aspen軟件根據(jù)松木特性模擬獲得^[22]，結(jié)果見表3。

　　所有入口設(shè)為速度入口，并根據(jù)各噴口數(shù)量分配風(fēng)量；出口設(shè)為壓力出口，負壓為-80Pa；壁面采用無滑移邊界條件，主燃燒區(qū)域壁面溫度為1000K，再燃區(qū)域壁面溫度為950K，燃盡區(qū)域壁面溫度為900K。爐膛主要計算參數(shù)設(shè)置見表4。

　　1.5研究工況

　　將生物質(zhì)氣通入鍋爐再燃區(qū)域，再燃區(qū)位于鍋爐的主燃區(qū)和燃盡區(qū)之間。為了保證通入的生物質(zhì)氣不影響鍋爐切圓燃燒，生物質(zhì)氣通入口位于鍋爐爐膛四個角落，通入角度與鍋爐燃燒器一二次風(fēng)通入角度一致。

　　本文針對不同高度生物質(zhì)氣噴口對煤粉爐影響的數(shù)值模擬。一二次風(fēng)和燃盡風(fēng)的位置保持不變，在再燃區(qū)設(shè)置生物質(zhì)氣噴口。原工況和3種不同摻燒工況生物質(zhì)氣噴口布置如圖3所示。各工況下一二次風(fēng)、燃盡風(fēng)吉生物質(zhì)氣噴口的流速設(shè)置見表5。

　　2實驗結(jié)果分析

　　2.1模型結(jié)果驗證

　　通過對比文獻[23]中，滿負荷運行時爐膛出口煙氣溫度和NO_x平均質(zhì)量濃度，來確保數(shù)值模擬的準確性。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比見表6。

　　由表6可見，兩者的爐膛出口煙氣溫度偏差和爐膛出口NO_x質(zhì)量濃度偏差分別為2.03%和2.35%，數(shù)值模擬結(jié)果較為準確。

　　2.2不同生物質(zhì)氣噴口位置對溫度場的影響

　　在不同工況下，鍋爐中心截面的溫度場分布如圖4所示。鍋爐各水平截面煙氣平均溫度隨爐膛高度分布如圖5所示。

　　結(jié)合圖4和圖5可以看出，爐膛的高溫區(qū)主要集中在主燃燒區(qū)的上部。原始工況從爐膛底部到主燃燒區(qū)最下層燃燒器部分，溫度快速上升，到達主燃燒區(qū)溫度上升變緩，到達主燃燒區(qū)最上層溫度升到最高，溫度為1981.9K；由于燃盡風(fēng)的通入使得未完全燃燒產(chǎn)物CO、H₂、C、C_nH_m減少，之后隨著爐膛高度的增加，輻射和對流傳熱使得溫度逐漸降低；工況1一工況3沿爐膛高度出現(xiàn)2個峰值，一個在主燃燒器區(qū)，一個在再燃區(qū)，這是因為煤粉和生物質(zhì)氣在主燃燒器區(qū)上部，煤粉迅速燃燒，溫度升高，由于再燃將部分煤粉用生物質(zhì)氣所替代，使得主燃燒區(qū)中煤粉比原始工況要少，故在到達最上層燃燒器之前這3個工況的溫度比原始工況要低，其主燃燒區(qū)最上層溫度分別為1983.4、2026.8、1982.6K；再燃區(qū)由于生物質(zhì)氣的送入燃燒，使得再燃區(qū)溫度有所升高；之后又由于燃盡風(fēng)的通入，使得爐膛溫度降低，未燃盡碳和生物質(zhì)氣在這里再次燃燒，溫度有小幅上升；隨著生物質(zhì)氣噴口位置增高，生物質(zhì)氣在爐膛停留時間變短，推遲了燃料的燃盡位置，使爐膛出口煙氣溫度升高，其中原始工況、工況1一工況3的爐膛出口煙氣溫度分別為1431.7、1454.4、1459.5、1462.3K。

　　2.3不同生物質(zhì)氣噴口位置對爐膛出口NO_x的影響

　　不同工況下爐膛各水平截面NO_x的平均質(zhì)量濃度隨爐膛高度分布如圖6所示。

　　由圖6可以看出：不同工況下NO_x生成的變化趨勢基本相同；由于在主燃燒器區(qū)中部分煤被生物質(zhì)氣所替代，故工況1—工況3在主燃燒器區(qū)的NO_x的生成量要遠低于原始工況；之后由于燃盡風(fēng)的送入，增高了燃盡區(qū)氧體積分數(shù)，使得未燃盡的煤粉可以繼續(xù)燃燒，促進了NO_x的生成；但由于工況1-工況3中生物質(zhì)氣的投入，又將部分NO還原為N₂，其中工況1由于生物質(zhì)氣噴口位于主燃燒器區(qū)最頂層二次風(fēng)之上，使得部分生物質(zhì)氣直接燃燒，沒有起到很好的降低NO_x生成量的作用，故工況1在燃盡風(fēng)區(qū)NO_x生成量較高；工況3中生物質(zhì)氣噴口位于最下層燃盡風(fēng)之下，部分生物質(zhì)氣直接燃燒，也沒有起到很好的降低NO_x生成量的作用，但由于部分生物質(zhì)氣直接燃燒，造成燃盡風(fēng)中O₂體積分數(shù)的減少，使得部分未燃盡的碳沒有繼續(xù)燃燒，降低了燃盡風(fēng)區(qū)NO_x的生成量；不同工況出口NO_x的平均質(zhì)量濃度分別為291.96、228.32、210.19、239.58mg/m³，其中工況1一工況3的NO_x平均質(zhì)量濃度分別下降了21.80%、28.01%、17.94%。由此可見，生物質(zhì)氣再燃的確可以起到降低NO_x排放量的作用，而且工況2的減排效果最好。

　　2.4不同生物質(zhì)氣噴口位置對煙氣組分的影響

　　圖7為不同工況下，各爐膛截面O₂、CO、CO₂體積分數(shù)分布。

　　由圖7a)可以看出，不同工況下O₂體積分數(shù)變化趨勢相似，工況1—工況3的O₂體積分數(shù)均大于原始工況的O₂體積分數(shù)，在主燃區(qū)，其差別較為明顯。隨著爐膛高度的增加，O₂體積分數(shù)逐漸增大，在主燃區(qū)中部達到峰值，工況1—工況3的O₂體積分數(shù)均高于原始工況值。在燃盡區(qū)，O₂體積分數(shù)又出現(xiàn)一個較小的峰值，在次處，工況1—工況3的O₂體積分數(shù)與原始工況下的O₂體積分數(shù)接近。原始工況和其他3個工況爐膛出口O₂體積分數(shù)分別為0.0962%、0.0934%、0.0404%、0.0438%。這是因為在主燃區(qū)一部分燃煤被生物質(zhì)氣所替代，導(dǎo)致生物質(zhì)氣摻燒工況下主燃區(qū)的O₂體積分數(shù)增加；在再燃區(qū)，生物質(zhì)氣作為二次燃料投入，生物質(zhì)氣再燃也需要空氣，使得工況1—工況3總體的O₂體積分數(shù)與原始工況接近。

　　由圖7b)可以看出：由于生物質(zhì)氣再燃過程中，部分煤粉會被生物質(zhì)氣所替代作為二次燃料在再燃區(qū)投入，主燃燒器區(qū)所投入的煤粉減少，主燃燒區(qū)燃燒溫度降低，燃料燃燒不充分，導(dǎo)致主燃區(qū)CO體積分數(shù)增多，但隨著爐膛高度增加，燃燒過程繼續(xù)完成，使得不同工況下的CO體積分數(shù)逐漸接近。原始工況和其他3個工況爐膛出口CO體積分數(shù)分別為2.42%、2.56%、3.09%、3.11%。

　　由圖7c)可以看出：工況1一工況3中產(chǎn)生的CO₂體積分數(shù)在主燃區(qū)均低于原始工況，在燃盡區(qū)，主燃區(qū)的未完全燃燒產(chǎn)物和部分未反應(yīng)的生物質(zhì)氣繼續(xù)燃燒，生成CO₂，工況1—工況3的CO₂體積分數(shù)上升速度明顯高于原始工況，其差別逐漸減小。在爐膛出口，原始工況和其他3個工況CO₂體積分數(shù)分別為15.31%、16.01%、15.67%、15.10%；在再燃區(qū)由于生物質(zhì)氣的投入，使得CO體積分數(shù)有所增加，這部分CO又與NO反應(yīng)生成N₂和CO₂，這使得再燃區(qū)中CO₂體積分數(shù)增加。

　　3結(jié)論

　　1)與原始工況相比，生物質(zhì)氣再燃使得主燃燒器區(qū)溫度降低，而從再燃區(qū)開始溫度升高。

　　2)隨著生物質(zhì)氣噴口位置升高，出口煙氣溫度升高，其中工況1—工況3分別升高23、28、31K；生物質(zhì)氣噴口位置靠近主燃燒器區(qū)或靠近燃盡區(qū)，都有可能由于部分生物質(zhì)氣直接燃燒，造成局部中心火焰溫度增高；生物質(zhì)氣噴口位置位于再燃區(qū)中間，要比靠近主燃燒器區(qū)和靠近燃盡區(qū)降低NO_x排放效果好，NO_x排放質(zhì)量濃度為210.19mg/m³，與原始工況相比N(X排放質(zhì)量濃度降低了28.01%。

　　3)由于一部分燃煤被生物質(zhì)氣所替代，所生成CO₂體積分數(shù)降低，但是會增加煙氣中CO的體積分數(shù)。