W型燃煤锅炉掺烧酒糟的数值模拟

刘瑞东，卓晓辉，马 仑，程 强，罗自学，周怀春

(1.四川中电福溪电力开发有限公司，四川 宜宾 645152；2.华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

生物质是一种可再生碳中性能源，是对煤炭资源的补充，且生物质在燃煤锅炉掺烧中具有改造成本低、调峰灵活、运行安全等优点[1-4]。酒糟是谷物酿酒后产生的固体废弃物，我国制酒业每年产生大量酒糟[5]。据不完全统计，我国酒糟年产量约2 100万t，主要作为饲料行业的原料，导致其附加值较低。实际上，酒糟量大且集中，热值高于其他生物质[6-7]。无烟煤与酒糟混烧不仅可有效利用酒糟，减少处理酒糟成本，还可改善煤的燃烧特性。

有关燃煤锅炉掺烧生物质的研究较多。熊穗平等[8]用马弗炉、定硫仪进行燃烧和定硫，研究了酒糟和煤掺烧的固硫效果，结果表明，酒糟与煤掺烧能将硫固定于残灰中。胡云鹏等[9]采用YX-HRD灰熔融性测定仪检测麦秆、酒糟等生物质灰及生物质与煤掺烧后灰的熔融特性，结果表明生物质的加入在不同程度上降低了煤的灰熔融温度。董信光等[10]以麦秆、杨木屑、酒糟与烟煤的不同配比作为变量，研究了混烧样品的灰熔融特性，发现提高生物质掺混比总体会降低灰熔融温度。

数值模拟方面，王凯等[11]利用双PDF模型模拟生物质从不同一次风口喷入对锅炉燃烧的影响，发现生物质从最底层一次风口喷入，NOx浓度下降更明显。TAN等[12]对比了FLUENT中污泥混燃的子模型，发现涡耗散模型可以更充分地考虑水分对燃烧的影响，更适合污泥混烧的模拟。董静兰[13]对富氧燃烧下纯煤掺烧生物质时污染物的排放特性进行了模拟研究，结果表明：烟气中NOx和SOx排放浓度均低于常规空气燃烧。

笔者对W型燃煤锅炉掺烧酒糟进行数值模拟计算，研究酒糟掺烧比例对炉内温度场、组分浓度场以及NOx排放的影响，揭示酒糟与烟煤/无烟煤掺烧的燃烧特性与不同掺配比例对燃烧的影响，为酒糟生物质的资源化利用提供理论支撑。

1 研究对象

研究对象为四川中电福溪电力开发有限公司600 MW超临界W型燃煤锅炉，主要技术特征为：单炉膛、W型火焰燃烧方式、变压运行、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢架构、全悬吊结构，锅炉配有带再循环泵的启动系统，采用低质量流速水动力技术。炉膛水冷壁管垂直布置，采用优化内螺纹管，分上下2部分，中间布置过渡混合集箱。锅炉的三维模型如图1所示。

图1 锅炉三维模型Fig.1 Three-dimensional model diagram of the boiler

2 数学模型和计算方法

2.1 数学模型

锅炉实际燃烧过程会形成很强的旋流，因此气相湍流模拟采用Realizedk-ε双方程湍流流动模型[14]。煤粉与酒糟的颗粒运动采用颗粒随机轨道模拟，挥发分燃烧使用组分输运模型，煤热解使用双方程平行反应模型。由于PDF模型无法模拟煤粉掺烧酒糟过程中水析出对燃烧的影响[15]，因此模拟结果比实测温度偏高，而涡耗散模型中燃料以收到基为输入条件，煤粉与酒糟颗粒混燃模拟结果更精确[16]，因此气相燃烧过程采用涡耗散模型描述。

燃烧产生的NOx是NO和NO2总称，其中大部分为NO。生物质与煤掺混燃烧烟气排放的NOx按生成机理主要分为：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。由于温度控制在1 000 ℃以内，故快速型NOx极少，热力型NOx含量可以忽略，NOx主要为燃料型NOx。原料中的N经过一次热解转换后分为挥发分中的N和焦炭中的N两种形态。挥发分N二次热解产生HCN和NH3等轻质气体，这些气体经过复杂的气相均相反应后生成NO和N2。而焦炭N经过一系列非均相反应也最终生成NO和N2[17]。挥发分N转化为NO的机理[18]如图2所示。

图2 HCN、NH3生成NO的机理[18]Fig.2 NO mechanism diagram generated by HCN and NH3[18]

对于煤粉燃烧过程中NO的生成，目前普遍采用DE SOETE提出的NO生成原理[19]，NO的生成主要是由反应(1)和(2)控制：

(1)

(2)

NO还原反应主要由式(3)控制：

(3)

2.2 网格划分

网格质量的高低影响模拟结果的准确性，采用六面体网格进行模型网格划分。不同区域网格密度不同，以减少网格伪扩散带来的偏差。经过网格无关性测试后，考虑计算时间及成本，最终采用260万个网格进行模拟计算。燃烧器采用前后墙布置，由下至上依次为A、B、C、D、E、F，共6层。锅炉竖直截面与E层截面的网格划分如图3所示。

2.3 边界条件

一次风、二次风均采用质量入口边界条件，出口设置为压力边界条件；炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件。热交换采用温度边界条件，壁面温度设定为690 K，壁面辐射率设定为0.6[20]。

图3 锅炉网格Fig.3 Grid diagram of the boiler

煤粉和酒糟颗粒直径均采用Rosin-Rammler分布，其中煤粉粒径为45～150 μm，酒糟粒径为150～200 μm。煤与酒糟的工业分析和元素分析见表1，可知酒糟中固定碳仅为15.34%，挥发分为75.42%，酒糟中挥发分为其热值的主要来源。煤的哈氏可磨性指数和灰熔融温度见表2。

表1 煤与酒糟的工业分析及元素分析

表2 煤质特性

2.4 研究工况

在不改变锅炉负荷的情况下，模拟了满负荷工况下，5个不同酒糟掺混比例的燃烧情况，酒糟掺烧质量分数分别为0、3%、6%、8%、10%。磨煤机燃烧器布置如图4所示，每炉配置6台双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统，每台磨煤机带4只双旋风煤粉燃烧器，每只煤粉燃烧器配置一只点火油枪，24只煤粉燃烧器顺列布置在下炉膛的前后墙炉拱上，前后墙各12只。

图4 磨煤机及燃烧器布置Fig.4 Arrangement of coal mill and burner

3 酒糟掺混燃烧数值模拟结果分析

3.1 模拟结果验证

为验证模型与模拟的合理性与准确性，将满负荷下相同条件的试验数据与数值模拟结果进行对比，见表3。试验值源于四川中电福溪电力开发有限公司2×600 MW级燃煤机组新建工程1号锅炉性能考核报告，取平均值。可知出口氧量、飞灰含碳量以及NOx排放量的相对误差分别为2.4%、6.1%、5.2%，均不超过10%，在合理误差范围内，可进一步分析数值模拟结果。

表3 试验测量值与模拟值对比

3.2 不同酒糟掺混比对温度场的影响

在不同酒糟掺混比例下，煤粉燃烧锅炉中心截温度分布云图如图5所示，煤粉在不同酒糟掺混比例下燃烧的沿程温度分布如图6所示。以电厂预计酒糟含水率进行模拟，酒糟干燥预处理，含水率为50%，炉外掺烧。由图5可知，不同的掺混比例下炉膛中心温度分布较为一致，炉膛整体的温度水平变化较小。随着酒糟掺烧比例的增加，燃烧器喷口附近着火距离缩短。由图6可知，在炉膛高度较低时，由于进入冷灰斗区域的燃料较少，锅炉中心下部温度较低。此外，由于酒糟挥发分高，燃点更低，相对于煤粉更易着火燃烧[21]，并且酒糟含水率较高，导致不同掺烧比例下温度在冷灰斗区域出现波动。随着炉膛高度上升，在主燃区酒糟燃料增加，温度上升。由于酒糟燃烧消耗大量O2，影响煤粉燃烧，导致随着炉膛高度进一步上升，温度有所回落。而更多的煤粉在燃尽区充分燃烧，使燃尽区及炉膛出口温度较高。

图5 不同掺混比例下锅炉中心截面温度分布云图Fig.5 Cloud diagram of temperature distribution in boiler center section under different blending proportions

图6 不同掺混比例下沿程温度分布Fig.6 Temperature distribution along the path under different blending proportions

3.3 不同酒糟掺混比对组分场的影响

煤粉在不同酒糟掺混比例下燃烧的锅炉中心截面O2与水蒸气体积分数分布云图如图7所示。煤粉在不同酒糟掺混比例下沿程O2与水蒸气体积分数分布如图8所示。

由图7(a)可知，O2体积分数在不同工况下分布状况基本一致。由图8(a)可知，在炉膛底部，多余空气不能及时被燃料利用，O2体积分数较高。在燃烧器喷口附近由于酒糟燃烧，O2体积分数下降。随着炉膛高度上升，由于酒糟代替部分煤粉，酒糟燃烧耗氧量较少，且酒糟燃烧更易着火并完全燃烧，在喷入酒糟燃料后，附近的局部空气系数增大[22]。燃尽区煤粉充分燃烧，使得O2体积分数在燃尽区及炉膛出口处较低。

由图7(b)可知，随酒糟掺混比例增加，水蒸气体积分数在燃烧器喷口附近有所升高，这是受酒糟自身含水量的影响。由图8(b)可知，水蒸气体积分数随酒糟掺烧比例的增加呈上升趋势。在炉膛底部，进入冷灰斗区域燃料较少，水蒸气体积分数较低。在燃烧器喷口附近，酒糟燃料燃烧，水蒸气体积分数上升。随着炉膛高度上升，酒糟燃料减少且由于酒糟水分大于煤粉水分，水蒸气体积分数有所回落。随着煤粉在燃尽区充分燃烧，水蒸气体积分数有所上升。

图7 不同掺混比例下O2和水蒸气体积分数分布云图Fig.7 Cloud map of O2 and steam concentration distribution under different blending proportions

图8 不同掺混比例下沿程O2、水蒸气体积分数分布Fig.8 Concentration distributions of O2 and steam under different blending proportions

3.4 不同酒糟掺混比对NOx生成的影响

煤粉在不同酒糟掺混比例下NOx排放量如图9所示(标况下)。常见的木质类、小麦、玉米秸秆干燥基N质量分数在0.3%～1.0%[23]，而酒糟N质量分数较高，约占3.26%。掺混无烟煤的干基N质量分数仅为0.72%。由于该模拟条件下主要为燃料型NO，由图2可知，掺混燃料中N质量分数增加，导致燃料型NO增加[18]，NOx排放量随酒糟掺混比例的增加而逐渐升高。

图9 不同掺混比例下NOx排放特性Fig.9 NOx emission characteristics at different blending proportions

不同掺混比例下沿程NO体积分数分布如图10所示，可知在炉膛底部，由于温度较低，NO生成量较少。随着炉膛高度上升，温度升高，NO生成量随着酒糟掺混比例的升高而增加。同时由于酒糟与煤粉的着火特性差异与耗氧量不同，在炉膛高度上升过程中，NO生成量有所波动。小比例掺混酒糟时，酒糟和煤粉颗粒在氧气相对充足的条件下完全燃烧，燃烧剧烈程度显著提高，促进了NO大量生成，此时由于酒糟的加入造成的还原性作用相对较弱，因此NO生成总量增加。酒糟掺混比例较大时，掺混燃料中的挥发分比例大幅上升，虽然燃料总体含氮量增加，但由于在燃烧初期时酒糟释放的大量挥发分燃烧会与煤竞争氧气，焦炭燃烧处于低氧气氛中，由式(1)和(2)可知，O2与—C和—CN的反应减少，导致—CNO数量下降，最终造成NO生成量下降。同时生物质焦炭中释放出较多还原性气体和生物质焦炭，其作为多孔性焦炭参与NO还原反应。在大比例掺混条件下，样品周围形成还原性环境，利于NO还原成氮，还原性效果显著。相比之下，燃料中N含量对NO增量影响减小。因此，大比例掺混酒糟时，NO生成量降低。本模拟由于掺烧比例较小，NO生成量还处于较高水平。

图10 不同掺混比例下沿程NO体积分数分布Fig.10 Distribution of NO concentration under different blending proportions

综合来看，NO排放量主要由掺混燃料N含量和生物质挥发分释放造成的还原性氛围交互作用决定。由图2可知，随着酒糟掺混比例的增加，掺混燃料中会有更多的挥发性N以NH3和HCN形式释放出来[18]。在NH3和HCN被氧化过程中生成的中间产物NH和NH2可将NO还原为N2。因此随着酒糟掺混比例的增加，NO转化率降低。

煤粉在不同酒糟掺混比例下的燃尽率如图11所示，可知随着酒糟掺混比例的增加，煤粉燃尽率先增大后减小。掺烧比例较小时，由于酒糟挥发分较高，快速着火释放热量，有利于煤粉着火和燃尽，因此煤粉燃尽率提高。随着酒糟掺混比例进一步增加，酒糟燃烧消耗大量O2，造成酒糟对煤粉初期燃烧的抢氧效果，导致煤粉燃尽率降低。

图11 不同掺混比例下煤粉燃尽特性Fig.11 Pulverized coal burnout characteristics under different blending proportions

4 结 论

1)与原始工况相比，加入酒糟后，燃烧器喷口附近着火距离缩短，但酒糟掺烧对炉膛温度场的总体影响较小。

2)炉膛内的O2体积分数分布基本不受酒糟掺烧比例的影响；受酒糟自身水分影响，随着酒糟掺烧比例增加，在燃烧器喷口附近水蒸气体积分数有所提升。

3)酒糟掺混比例对NO排放有明显影响，随酒糟掺混比例增加，更多NO被还原为N2，NO转化率不断降低。

4)综合考虑炉内温度场、组分场、NOx排放量以及燃尽率等因素，酒糟掺混比例控制在6%内较合理。在最优掺混比例基础上，进一步研究燃尽风比例、下炉膛区域二次风配比等对燃烧的影响，更好地指导现场实际掺烧试验。