生物質氣與煤混燃燃燒過程數值模擬及燃燒分析

宋前進

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州　450000）

生物質氣與煤混燃燃燒過程數值模擬及燃燒分析

宋前進

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州450000）

為了分析生物質氣與煤混燃污染物排放的變化，利用GAMBIT軟件對鍋爐的爐膛結構進行網格劃分；并且基于FLUENT軟件，搭建生物質氣和煤混合燃燒模型，對混合燃燒過程進行數值模擬和計算，分析隨著生物質氣摻燒比和燃燒溫度的變化爐內NOx和SO2排放規律。當含有一定可燃氣體的生物質氣進入鍋爐與煤混燃，隨著摻燒比從0%增加至30%，爐膛中心截面的最高溫度從1 910k至1 770k逐漸降低，NOx濃度質量分數從8.92e-04%降至6.21e-04%，SO2的濃度也從9.12e-04%降低至8.37-04%。生物質氣的摻燒對減少污染物的排放有利。

生物質氣；混燃；數值模擬；污染物

在鍋爐內，煤粉的燃燒是一個非常復雜的物理化學過程。根據爐內的燃燒情況，運用數值模擬的知識，建立數學模型，以研究其在燃燒過程中各種情況的變化。在這些方面，已經有一定的研究成果。浙江大學錢力庚教授等［1］運用數值模擬的方法模擬了330MW對沖燃燒鍋爐在煤粉燃燒室爐內氣體的流動、燃燒時的傳熱等。華中科技大學的徐明厚教授［2］同樣運用數值模擬的方法對一臺350MW燃煤電站鍋爐進行模擬研究，詳細了解了鍋爐在不同負荷下的燃燒狀況。湖北省電力試驗研究所的黃偉等［3］對一臺300MW四角切圓鍋爐進行了數值模擬研究，詳細分析其燃燒之后產物NOx的生成過程。清華大學郭印誠等［4］認為化學反應速率對煤粉在鍋爐內的燃燒有很大的影響［5-6］，并據此對爐內的燃燒狀況進行了數值模擬研究。Srdian Belosevic等［7-8］采用Eulerian-Lagrang?ian方法成功地預測除了在不同工況下鍋爐的運行參數。浙江大學的潘維等［9-10］通過數值模擬得出了不同的配風比例對鍋爐燃燒的影響。但是，對于生物質氣與煤粉混燃對NOx和SO2排放的研究不多。

1　生物質氣與煤混合燃燒過程

1.1生物質氣與煤混合燃燒過程及鍋爐特點

生物質氣是由生物質氣化得來，其包含成分復雜，主要含有的可燃氣體成分包括CO、H2和CH4等。生物質氣通過燃燒器進入鍋爐，和進入爐膛的一次風和二次風進行混合燃燒，將引起鍋爐燃燒狀況及煙氣產物的變化。生物質氣與煤混燃過程如圖1所示。

圖1　生物質氣化及與煤混燃流程

其中，生物質氣化采用的氣化爐是常壓循環流化床氣化爐，混燃鍋爐模型為東方鍋爐廠DG1025/17.5-П4型300MW亞臨界自然循環鍋爐，該鍋爐最大連續蒸發量為1 095t/h，過熱蒸汽出口壓力為17.5MPa，過熱蒸汽出口溫度為540℃。再熱蒸汽量為962t/h，再熱蒸汽出口壓力為3.42MPa，再熱蒸汽出口溫度為541℃，給水溫度為276℃。爐膛高度為36.10m，寬度為14.02m，深度為12.35m，一次風噴嘴截面尺寸為0.32m×0.48m，二次風噴嘴截面為0.42m×0.64m。

燃燒方式為四角布置切向燃燒，整組燃燒器設置四層一次風噴口、四層二次風噴口、二次風和一次風間隔布置，每角燃燒器分為上下兩組，整組燃燒器高為10.07m。鍋爐參數如表1所示。

表1　鍋爐參數表

1.2混合燃燒理論

為了更好地顯現出生物質氣與煤粉混合燃燒的特性，特選取純煤粉燃燒的工況進行對比。

選取的煤種特性及生物質氣特性分別如表2和表3所示。

表2　煤元素分析及低位熱值

表3　生物質氣成分

首先考慮純煤粉燃燒時所需的燃料消耗量，以便于求得生物質氣摻燒之后煤粉消耗量的變化。因此，純煤粉燃燒時煤粉消耗量Bcoal公式如下：

式（1）中，Dsh為過熱蒸汽流量，kg/s；為過熱蒸汽焓，kJ/kg；ifw為給水焓，kJ/kg；Drh為再熱蒸汽流量，kg/s；i″

為保證進入鍋爐的總熱量不變，以純煤粉燃燒時的燃料的總熱量為基準總熱量，基準總熱量Q的計算公式為：

式（2）中，Bcoal為煤粉消耗量，kg/s；Qcoal為煤的低位熱值，kJ/kg。

隨著摻燒比例的增加，生物質氣的含量增多，因此根據生物質氣和煤粉的低位熱值，可以求得生物質氣的質量流量。生物質氣摻燒比例的公式如下：

式（3）中，α為生物質氣的摻燒比；Mcoal為煤粉質量，kg；Mgas為生物質氣總質量，kg。

生物質氣的質量流量Bgas：

式（4）中，Bcoal為煤粉消耗量，kg/s；Qcoal為煤粉的低位發熱值，kg/kJ；Qgas為生物質氣的低位發熱值，kg/kJ。

設計生物質氣從爐膛下一次風噴口進入，爐膛一次風噴口面積已知，可以得出噴入生物質氣的噴口速度Vgas：

式（5）中，ρgas為生物質氣的密度，kg/m3；S為一次風噴口面積，m2。

模擬煤粉燃燒時，空氣量是關系著煤粉是否能完全燃燒的重要因素，根據煤粉的元素分析，可以得出煤粉燃燒的理論空氣量。

在煤粉燃燒時，根據過量空氣系數，可以求得所需的實際空氣量。純煤粉燃燒選取過量空氣系數β=1.05，則煤粉燃燒實際所需的空氣量為：

式（6）中，V1為煤粉燃燒實際所需的空氣量，m3/kg。根據實際空氣量，可以算出二次風噴口的速度：

式（7）中，S1為二次風噴口面積，m2。生物質氣燃燒所需的空氣量為：

式（8）中：V2為生物質氣燃燒所需空氣量，kg/s；VH2、VCO、VH2

分別為生物質氣中H2、CO、CH4的質量流量，kg/s。

輸入鍋爐的總的空氣流量為：

式（9）中，V為輸入鍋爐的總的空氣流量為，kg/s；Bcoal為輸入鍋爐的煤的質量流量，kg/s。

由以上式子可得初始參數表如表4所示。

表4　初始參數表

2　結果分析

2.1燃燒器區域速度場

圖2　速度場分布

圖2中，a為α=0，b為α=0.1，c為α=0.2，d為α=0.3。從圖2中可以看出，燃煤時爐內在燃燒器區域，包括與冷灰斗交界面處都有回流產生，形成漩渦。從燃燒器出來的氣流大部分向上流動，有一小部分向下流動，進入冷灰斗。在4個圖中可以清晰地看出在一次風截面及二次風截面有很明顯的速度切圓。隨著摻入生物質氣的比例增加，爐膛中心截面速度變化不大，約為20～50m/s，爐膛出口出口截面速度約為5～10m/s，但是在靠近折焰角附近的速度逐漸增大，當α=0時，速度為25m/s；α=0.1時，為28m/s；當α=0.2，速度為30m/s；α=0.3時，速度為32m/s。這就導致此處的湍流強度逐漸增大，混合加強，促進煤粉燃盡，加強了爐內燃燒。

2.2沿爐膛高度溫度分布

圖3　溫度場分布

圖3中，a為α=0，b為α=0.1，c為α=0.2，d為α=0.3。從圖3可以看出：高溫區出現在爐膛的中上部，向爐膛出口逐漸遞減，這與實際鍋爐燃燒情況基本相符。在一次風截面即燃料入口截面，由于爐內的燃料被迅速加熱，所以在該區域燃燒情況較為劇烈，且溫度分布呈旋渦狀，在燃燒區上部出現高溫區。通過對比可以發現：在燃燒時，最高溫度都維持在1 400～1 800k，與實際情況相同。α=0時，純煤粉燃燒，爐膛中心截面達到最高溫度，為1 900k，燃燒器區域爐膛截面溫度為1 700k；α=0.1時，爐膛中心截面達到最高溫度為1 800k，燃燒器區域爐膛截面溫度為1 600k；α=0.2時，其中心截面最高溫度為1 700k，燃燒器區域爐膛截面溫度為1 500k；α=0.3時，中心截面最高溫度為1 600k，燃燒器區域爐膛截面溫度為1 400k。隨著生物質氣的比例不斷增加，煤粉的燃燒溫度略有降低。由此可見，摻入生物質氣后，對鍋爐效率影響不大，同時減少了煤粉含量，節約了能源。當生物質氣的比例增加時，可以看出燃燒區域的溫度逐漸升高，說明摻入的生物質氣容易燃燒，比單獨煤粉燃燒較早的達到較高的溫度，使煤粉的著火提前，有助于煤粉的燃燒。

2.3沿爐膛高度截面CO濃度分布

圖4　CO濃度分布

圖5　CO濃度隨爐膛高度分布圖

隨著摻燒比例的增加，爐膛中心截面的CO濃度逐漸降低（見圖4和圖5）。α=0時，純煤粉燃燒，爐膛中心截面CO濃度為4.83e-03%；α=0.1時，爐膛中心截面CO濃度為4.03e-03%；α=0.2時，爐膛中心截面CO濃度為2.74e-03%；α=0.3時，爐膛中心截面CO濃度為1.53e-03%。這是因為在爐膛中心截面，燃料在富氧下燃燒，迅速燃盡，CO的濃度很快降低。

4種工況下CO濃度的峰值都是在煤粉燃燒器區域，隨著生物質氣摻燒量的增加，CO濃度水平明顯下降。從污染物控制方面考慮，燃燒器區域形成CO濃度較高的還原性氣氛，有利于減少NOx。

2.4沿爐膛高度截面O2的濃度分布

圖6　O2濃度分布

α=0時，純煤粉燃燒，燃燒器區域截面O2濃度為2.28e-01%；α=0.1時，燃燒器區域截面O2濃度為2.26e-01%；α=0.2時，燃燒器區域截面O2濃度為2.24e-01%；α=0.3時，燃燒器區域截面O2濃度為2.20-01%（見圖6和圖7）。這是因為在二次風口附近，新鮮的來流使O2的濃度達到最大值；相反，在一次風口附近，新鮮來流形成噴口附近燃料濃度的最大值，消耗大量的O2，造成此處的O2濃度較低，隨著生物質氣的比例增加，其中部分氣體與氧氣發生反應，也消耗了氧氣，所以在燃燒器區域氧氣濃度減低。

圖7　O2濃度隨爐膛高度分布圖

3　結論

基于FLUENT軟件，搭建生物質氣和煤混合燃燒模型，研究生物質氣與煤混燃爐膛內NOx和SO2排放的分布特性。

①隨著生物質氣摻入的比例增加，NOx和SO2的濃度逐漸降低，由于摻燒生物質氣的比例增加，爐膛內的溫度水平整體下降，而NOx和SO2的濃度受溫度影響較大。另外，因為燃燒器區域周圍由于生物質氣中CO、H2等還原性氣體增加，對NO和SO2具有還原作用，這些都是NOx和SO2濃度降低的原因。

②爐內NOx的濃度隨爐膛高度先上升后下降，SO2的濃度隨爐膛高度先上升后下降，在燃燒器區域濃度較高，這是因為爐內的高溫區主要集中在燃燒器區域。在相同條件下，溫度高的地方，NOx和SO2的濃度較大。

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Numerical Simulation and Combustion Analysis of Biomass Gas and Coal Co-firing Process

Song Qianjin
（Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing，Zhengzhou Henan 450000）

In order to analyze the emission changes of biomass gas and coal co-firing pollutants，GAMBIT software was used to partition the furnace structure of the boiler.And based on FLUENT software，biomass gas and coal mixed combustion model was builded，the mixed combustion process was simulated and calculated，and the NOxand SO2emissions in the furnace were analyzed with the change of the biomass gas combustion ratio and the temperature. When the combustible gases containing a certain mixed with coal combustion of biomass gas into the boiler，with the mixing ratio increased from 0%to 30%，the maximum temperature of the center section of the furnace was gradually reduced from 1 910k to 1 770k，the concentration of NOxconcentration dropped from 8.92e-04%to 6.21e-04%，and the concentration of SO2concentration dropped from 9.12e-04%to 8.37-04%.The combustion of biomass gas is ben?eficial to reduce the emission of pollutants.

biomass gas；co-firing；numericalsimulation；pollutant

TK224.1

A

1003-5168（2016）08-0025-04

2016-07-20

宋前進（1978-），男，本科，研究方向：承壓類特種設備檢驗。