王西倫，劉 平，初 偉，張 沖，吳國(guó)強(qiáng)，張超群，李 明

(1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206 )

1 引言

目前，雙碳背景下，煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)、靈活性改造需求迫切。作為可再生資源，生物質(zhì)發(fā)電具有碳中和效應(yīng)[1-2]，可代替化石能源，促進(jìn)煤電清潔低碳發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義[3]。燃煤生物質(zhì)耦合協(xié)同發(fā)電在降低火電機(jī)組燃料成本、降低污染物排放量及二氧化碳排放強(qiáng)度、提高機(jī)組燃料運(yùn)行靈活性等顯著優(yōu)勢(shì)[4-5]，是當(dāng)前大型燃煤電站可靠可行的技術(shù)路線之一[6-8]。

然而，考慮到生物質(zhì)氣化氣著火和燃燒特性，鍋爐摻燒一定比例的氣化氣會(huì)對(duì)鍋爐燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響[9-11]。如果生物質(zhì)氣化氣通入位置不合理將造成爐內(nèi)能量、溫度場(chǎng)分布不合理，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐原熱力性能發(fā)生變化，存在鍋爐經(jīng)濟(jì)性下降、高溫腐蝕、局部受熱面超溫安全性降低等風(fēng)險(xiǎn)。因此，摻燒方案需進(jìn)行詳細(xì)論證。電力發(fā)展規(guī)劃中提出火電機(jī)組靈活性運(yùn)行要求，針對(duì)摻燒方案也應(yīng)進(jìn)行負(fù)荷適應(yīng)性分析研究。

目前，已有眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)燃燒及其NOx生成機(jī)理、生物質(zhì)與煤粉混燃鍋爐的基礎(chǔ)燃燒特性及在工程應(yīng)用中涉及的污染物控制等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10-12]；也有學(xué)者對(duì)煤粉和生物質(zhì)氣混燃鍋爐燃燒特性進(jìn)行了高精度數(shù)值模擬研究[13-27]。但研究對(duì)象未涉及不同負(fù)荷下生物質(zhì)摻燒方案適應(yīng)情況。本文以某電廠660MW超臨界煤粉鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)耦合生物質(zhì)發(fā)電后330MW及450MW兩種運(yùn)行負(fù)荷下的燃燒性能進(jìn)行了研究，旨在掌握不同負(fù)荷下煤粉與生物質(zhì)氣共燃的燃燒特性。

2 研究對(duì)象與摻燒方案

2.1 研究對(duì)象

以某電廠660MW超臨界機(jī)組直流鍋爐為研究對(duì)象。

型號(hào)：HG-2070/25.4-HM9型。

爐膛斷面尺寸為23567.3mm×17012.3mm(寬×深)。

燃燒系統(tǒng)：對(duì)沖燃燒。低NOx軸向旋流燃燒器共35只，分別布置于前墻4層、后墻3層。

制粉系統(tǒng)：鍋爐配置正壓直吹中速磨制粉系統(tǒng)，每臺(tái)中速磨煤機(jī)出口5根粉管供同一層燃燒器所需煤粉，共7臺(tái)。按設(shè)計(jì)煤種投運(yùn)6臺(tái)磨煤機(jī)即可保證鍋爐的最大連續(xù)負(fù)荷設(shè)計(jì)，另1臺(tái)備用。

煤質(zhì)特性如表1所示。

表1 煤質(zhì)特性表

2.2 共燃方案

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的生物質(zhì)氣化氣燃燒器，保證將生物質(zhì)氣以合理的動(dòng)量送入爐膛火焰中心區(qū)域。將5只燃?xì)馊紵鞑贾糜谇皦Φ谒膶尤紵魉鶎?duì)應(yīng)的后墻相同標(biāo)高處，位置如圖1所示。生物質(zhì)氣化燃燒器位于燃盡風(fēng)下部，燃?xì)庵鸷蠡鹧姹蝗急M風(fēng)封堵，不會(huì)導(dǎo)致火焰中心上移問(wèn)題。

圖1 生物質(zhì)氣化氣摻燒位置圖

生物質(zhì)氣來(lái)源于生物質(zhì)高速循環(huán)流化床氣化裝置。生物質(zhì)原料經(jīng)生物質(zhì)儲(chǔ)存和上料系統(tǒng)進(jìn)入氣化室，與鼓風(fēng)機(jī)送入的空氣進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的氣體經(jīng)分離器、除塵器和換熱器后，獲得400℃的潔凈燃?xì)?，送入爐膛燃燒。

生物質(zhì)氣化燃?xì)庵饕獏?shù)如表2所示。

表2 生物質(zhì)氣特性表

3 模型與計(jì)算方法

3.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

采用全爐膛及燃燒器1∶1建模，以保證計(jì)算模型與電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的吻合度。

燃燒器及爐膛計(jì)算域采用高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。另外，為使計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)，對(duì)爐膛燃燒器噴口附近區(qū)域進(jìn)行加密。

三維模型及網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 全爐膛模型及網(wǎng)格圖

3.2 數(shù)學(xué)模型

燃燒過(guò)程是一種集流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等為一體的復(fù)雜過(guò)程，為準(zhǔn)確描述以上過(guò)程，需要合理選擇數(shù)學(xué)模型。

考慮該研究對(duì)象的燃燒器組織旋流湍流，因此采用帶旋流修正的Realizable K-ε雙方程[28-30]進(jìn)行計(jì)算，該模型在漩渦、流線彎曲、旋轉(zhuǎn)等有更好的表現(xiàn)力。壁面區(qū)域范圍內(nèi)由于湍流模型在此區(qū)域失去意義，因此在避免區(qū)域邊界采用無(wú)滑移邊界條件，流體近壁面區(qū)域通過(guò)湍流模型結(jié)合壁面函數(shù)法將壁面與爐內(nèi)湍流核心區(qū)的物理量相聯(lián)系以對(duì)壁面區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

采用渦擴(kuò)散(Eddy-Dissipation)模型計(jì)算燃燒過(guò)程，將同相的燃燒反應(yīng)與異相煤粉顆粒燃燒模型進(jìn)行有機(jī)耦合，能夠較真實(shí)地反映爐內(nèi)燃燒狀況；煤熱解采用雙方程模型；揮發(fā)份的釋放采用單反應(yīng)模型(Single-Rate Model)[30]；焦炭的燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散模型[25]。煤粉軌跡追蹤采用顆粒隨機(jī)軌道模型(Stochastic Tracking)[31]，其粒徑遵循Rosin-Rammler分布。爐膛輻射傳熱采用離散Discrete Ordinates模型。

依據(jù)爐膛內(nèi)NOx生成主要來(lái)源，本次模擬計(jì)算采用燃料型NOx及熱力型NOx兩種。

3.3 邊界條件及計(jì)算工況

鑒于目前電力行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的實(shí)際情況以及高負(fù)荷下?tīng)t膛燃燒組織相對(duì)穩(wěn)定而受生物質(zhì)氣燃燒影響弱的特點(diǎn)，選擇330MW及450MW負(fù)荷研究摻燒方案適應(yīng)性。

由于生物質(zhì)氣化燃?xì)庵鸷腿紵匦暂^差，鍋爐摻燒到一定比例的生物質(zhì)氣會(huì)對(duì)鍋爐穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生一定影響，且可能會(huì)在尾部煙道的二次燃燒鍋爐水平煙道及尾部受熱面未燃盡燃?xì)獯娣e造成二次燃燒，導(dǎo)致較大的安全隱患，因此摻燒的比例尤為重要，經(jīng)詳細(xì)論證，確定生物質(zhì)發(fā)電功率為30MW，則330MW負(fù)荷及450MW負(fù)荷下，燃煤負(fù)荷分別是300MW及420MW。

計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)表

3.4 計(jì)算方法及驗(yàn)證

為減少計(jì)算工作量，采用首先計(jì)算單個(gè)煤粉燃燒器、燃?xì)馊紵骷叭急M風(fēng)燃燒器兩相流場(chǎng)，然后將各燃燒器出口數(shù)據(jù)導(dǎo)入爐膛計(jì)算域進(jìn)而計(jì)算爐膛流動(dòng)及燃燒狀況的方式。

為了驗(yàn)證計(jì)算方法及使用模型的準(zhǔn)確性，采用將燃煤工況數(shù)值模擬結(jié)果與鍋爐校核熱力計(jì)算結(jié)果對(duì)比的方式進(jìn)行驗(yàn)證，如表4所示。計(jì)算誤差在可接受的誤差范圍內(nèi)，表明所選用的計(jì)算方法合理。

表4 數(shù)值模擬與熱力計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比情況

4 結(jié)果與討論

4.1 流場(chǎng)分布

流場(chǎng)情況關(guān)系著爐膛內(nèi)正常燃燒組織。兩種負(fù)荷下?tīng)t膛中心縱截面流場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 爐膛中心縱截面流場(chǎng)分布云圖

從圖3可見(jiàn)，兩種負(fù)荷下，生物質(zhì)氣流深入爐膛中心區(qū)域，未對(duì)爐膛正常燃燒組織產(chǎn)生影響，也未造成燃盡風(fēng)動(dòng)量失衡。

4.2 溫度場(chǎng)分布

燃燒過(guò)程中不同負(fù)荷下兩種工況爐膛中心縱截面溫度分布云圖如圖4所示，生物質(zhì)氣燃燒器層橫斷面溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 燃?xì)馊紵鲗訖M斷面溫度分布云圖

從圖4可見(jiàn)，330MW負(fù)荷下前后墻投運(yùn)燃燒器分布不對(duì)稱，導(dǎo)致同層燃燒器出力偏差大，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)煤粉分布燃燒不均，造成燃燒組織出現(xiàn)偏燒問(wèn)題。但由燃煤工況和共燃工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在后墻第四層噴入生物質(zhì)氣，對(duì)于偏燒有一定抑止作用；摻燒生物質(zhì)氣火焰中心變化不大，基本處于燃盡風(fēng)與上層燃燒器之間；生物質(zhì)氣噴入火焰中心后迅速著火燃盡導(dǎo)致局部溫度較高。

450MW負(fù)荷下，噴入生物質(zhì)氣對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)影響較小，火焰中心變化較小。但由于高負(fù)荷下?tīng)t膛溫度較高，生物質(zhì)氣著火距離較低，使得生物質(zhì)氣燃燒器噴口不遠(yuǎn)處出現(xiàn)高溫區(qū)，相比燃煤工況，高溫區(qū)域略向后墻偏移。

從圖5可見(jiàn)，330MW及450MW兩種負(fù)荷下，摻燒生物質(zhì)氣后，火焰高溫區(qū)向后墻偏移，但后墻壁面附近溫度不高。生物質(zhì)氣燃燒器層橫斷面熱負(fù)荷較燃煤工況要均勻，對(duì)于水冷壁換熱有利。

4.3 煙氣組分分布

兩種負(fù)荷燃煤工況及共燃工況下，O2、CO在爐膛中心截面的分布云圖分別如圖6及圖7所示。

圖6 爐膛中心縱截面O2分布云圖

從圖6可見(jiàn)，低氧區(qū)域主要集中于煤粉與生物質(zhì)氣氣流著火初期以及爐膛中心區(qū)域，壁面附近氧量較高，處于氧化氣氛不存在高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 爐膛中心縱截面CO分布云圖

從圖7可見(jiàn)，330MW及450MW兩種負(fù)荷下，通入生物質(zhì)氣后，生物質(zhì)氣氣流強(qiáng)化了燃盡風(fēng)對(duì)主燃區(qū)氣流的封堵作用，使得共燃工況燃盡風(fēng)之上的CO分布少于燃煤工況。

4.4 煤粉分布及燃盡分布

煤粉顆粒及燃盡情況在爐膛中心截面的分布云圖如圖8及圖9所示。

從圖8可見(jiàn)，330MW負(fù)荷下，通入生物質(zhì)氣之后煤粉氣流被拉長(zhǎng)，燃盡變差。但450MW負(fù)荷下，雖然通入生物質(zhì)氣之后煤粉氣流同樣被拉長(zhǎng)，但生物質(zhì)氣氣流在煤粉氣流尾部迅速著火并提供高溫?zé)嵩?，結(jié)合煤粉燃盡云圖9可知，生物質(zhì)氣氣流強(qiáng)化燃盡風(fēng)對(duì)煤粉氣流的封堵，使得共燃工況未燃盡煤粉在燃盡風(fēng)附近燃盡，燃盡效果優(yōu)于燃煤工況。

從圖9可見(jiàn)，330MW及450MW兩種負(fù)荷下，生物質(zhì)氣氣流強(qiáng)化燃盡風(fēng)對(duì)粉煤氣流的封堵，使得共燃工況的煤粉燃盡主要集中在下?tīng)t膛。

圖8 爐膛中心縱截面煤粉顆粒分布云圖

圖9 爐膛中心縱截面煤粉燃盡圖

4.5 燃燒參數(shù)

與燃燒相關(guān)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)及環(huán)保參數(shù)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10及圖11所示。

從圖10可見(jiàn)，由于生物質(zhì)氣的摻燒，330MW負(fù)荷下飛灰含碳量由0.69%增長(zhǎng)至1.67%；450MW負(fù)荷下飛灰含碳量由2.4%依次降至1.67%。主要由于450MW負(fù)荷下，投運(yùn)的煤粉燃燒器距離生物質(zhì)氣燃燒器較近，煤粉氣流著火后不遠(yuǎn)即碰到生物質(zhì)氣燃燒所造成的高溫氣氛，被繼續(xù)加熱，而后補(bǔ)入燃盡風(fēng)有利于焦炭燃盡；而330MW負(fù)荷下，相比高負(fù)荷爐溫低，且生物質(zhì)發(fā)電比例占比大，理論燃燒溫度降低幅度也大，煤粉燃盡變差。

圖10 不同負(fù)荷及工況下飛灰含碳量變化趨勢(shì)

圖11 不同負(fù)荷及工況下NOx排放量變化趨勢(shì)

從圖11可見(jiàn)，對(duì)于爐膛出口NOx排放濃度，兩種負(fù)荷下，共燃工況較煤粉工況有所降低，由316mg/m3降低至約290mg/m3，降幅約為8%，是由于生物質(zhì)氣化燃?xì)庵泻羞€原性成分，對(duì)NOx具有一定還原效果。

5 結(jié)論

以660MW超臨界煤粉鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)生物質(zhì)共燃方案在330MW及450MW負(fù)荷下燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：

(1)煤粉生物質(zhì)摻燒能夠適應(yīng)不同運(yùn)行負(fù)荷，滿足火電機(jī)組靈活性運(yùn)行要求，且燃煤負(fù)荷越高，生物質(zhì)氣化氣對(duì)正常燃燒組織影響越小。

(2)生物質(zhì)氣的摻燒不會(huì)影響爐膛正常燃燒組織。設(shè)計(jì)合理的燃?xì)馊紵鹘Y(jié)構(gòu)及布置位置，能夠保證生物質(zhì)氣達(dá)到爐膛火焰中心。

(3)不同負(fù)荷下，通入生物質(zhì)氣化氣對(duì)于飛灰含碳量影響趨勢(shì)不同，主要取決于投運(yùn)燃燒器與生物質(zhì)燃燒器兩者之前相對(duì)位置有關(guān)。

(4)生物質(zhì)氣化氣在還原區(qū)內(nèi)通入，且氣化氣含有還原性成分，使得NOx排放濃度有所降低。