60MW机组燃煤锅炉耦合生物质气再燃数值模拟.doc

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1、60MW机组燃煤锅炉耦合生物质气再燃数值模拟摘要：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NO

2、x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

3、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

4、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0.6m0.6m，二次风喷口面积为0.60m0.75m，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

5、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

6、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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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%、0.0

13、934%、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%、3.1

14、1%。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。15