350MW燃煤锅炉在富氧下掺烧生物质气的数值模拟

Numerical Simulation of Biomass Gas Blending in 350MW Coal-Fired Boiler under Oxygen Enrichment

摘要: 为了研究火力燃煤锅炉的碳减排与低氮燃烧技术，本文通过数值模拟方法研究了不同O₂/CO₂体积分数比的富氧条件下四角切圆锅炉内生物质气与煤粉混燃情况。结果表明：当O₂浓度高于29%时，炉膛整体速度梯度提高，有利于煤粉的充分混合燃烧，从而改善了煤粉的燃烧特性；随着O₂/CO₂体积分数比的增加，炉膛内温度整体是提高的，有利于提高炉膛内的换热性能；随着O₂/CO₂体积分数比的增加，炉膛内整体的CO₂浓度逐渐提高，炉膛出口的CO₂浓度是70%~77%，有利于CO₂的捕集，同时，炉膛内NOx的浓度也逐渐提高，主要原因是炉膛内的温度随着O₂浓度的增加而上升，由此热力型NOx的产生量更大。

Abstract: In order to study the carbon reduction and low-NOx combustion technology of thermal coal-fired boiler, this paper investigates the mixing and combustion of biomass gas and pulverized coal in a four-corner cut circle boiler under oxygen-rich conditions with different O₂/CO₂ volume fraction ra-tios by numerical simulation, and analyzes the flow, heat transfer and combustion processes in the furnace. The results show that: when the O2 concentration is higher than 29%, the overall velocity gradient in the furnace increases, which is favorable to the full mixed combustion of pulverized coal, thus improving the combustion characteristics of pulverized coal; with the increase of O₂/CO₂ vol-ume fraction ratio, the overall temperature in the furnace is increased, which is favorable to the improvement of heat transfer performance in the furnace; with the increase of O₂/CO₂ volume frac-tion ratio, the overall CO₂ concentration in the furnace gradually increases. The CO₂ concentration at the furnace outlet is in the range of 70% to 77%, which is conducive to the capture of CO₂. Mean-while, the concentration of NOx in the furnace chamber also gradually increases, mainly because the temperature in the furnace chamber increases with the increase of O₂ concentration, and thus the generation of thermal NOx is greater.

1. 引言

火力燃煤锅炉的燃烧过程中产生大量的污染物NOx、SO₂、CO₂以及粉尘等，对环境会造成严重的污染。其中NOx的排放控制是电力行业的重点治理领域，近年来，随着国家双碳目标的提出，CO₂的减排迫在眉捷 [1] 。为有效控制电站锅炉燃烧产生的NOx与CO₂，提出在燃煤锅炉中掺烧生物质气，并采用富氧燃烧的方式来实现。富氧燃烧技术是主要的低氮燃烧技术之一 [2] ，它是将氧气与循环烟气混合后代替空气作为燃烧氛围，能够使燃烧产生的烟气中CO₂体积分数达到80%以上，便于电站锅炉经济、节能地实现大规模的碳捕集。从全生命周期来看，生物质在生长过程中吸收的CO₂在燃烧过程中全部释放，对环境而言具有零碳特性 [3] 。因此将生物质通过处理形成生物质气并与煤粉混燃，使锅炉燃烧可以兼顾低氮燃烧和碳减排，具有重要的工程实践意义。在国内外相关研究中，文献 [4] [5] [6] 研究表明，生物质与煤在富氧条件下燃烧的最高反应温度比空气氛围的要低，且生物质的加入可以改善煤的燃烧特性；Liu Hao等 [7] 利用顶烧式燃烧炉对比研究O₂/CO₂气氛与O₂/N₂气氛下火焰燃烧温度，结果表明，富氧气氛中氧浓度在30%时，煤粉燃烧效率与O₂/N₂气氛中基本相同；Liu等 [8] 计算结果表明，相比空气气氛，富氧气氛中NOx的排放量将大约减少75%；Zhang等 [9] 研究表明，在CO₂/O₂下挥发分氮在还原区NO的转化率增大，而在氧化区抑制了NO的转化率。Stanger和Singh等 [10] [11] 研究表明在富氧条件下，生物质气与煤粉混燃过程产生的CO₂随着氧气浓度的提高而提高，可以采用碳捕集的手段进行收集。因此，在富氧条件下煤粉中掺烧生物质气一方面可以改善煤粉燃烧特性，增强燃烧强度，另一方面，能够提高炉膛出口的CO₂浓度，有利于碳捕集。本文以350MW亚临界四角切圆燃烧锅炉为研究对象，通过数值模拟研究不同氧浓度的富氧条件下生煤粉掺烧物质气过程中的炉内流动、传热与燃烧过程，得到了炉膛内的速度场、温度场和气相组分浓度场分布。

2. 研究对象

以某电厂350MW亚临界四角切圆煤粉锅炉为研究对象，锅炉几何尺寸为12.43 m × 14.62 m × 55.8 m (长 × 宽 × 高)。采用四角切圆的燃烧方式，燃烧器布置于炉膛四角形成切向射流，每组燃烧器高13,106 mm，并配有13层喷口，分别为五层一次风燃烧器(A-E)、五层二次风燃烧器(AA-DE)和三层燃尽风燃烧器(OFA1-OFA3)，其中C层一次风携带生物质气，其余一次风燃烧器携带煤粉。锅炉燃烧的假想切圆直径分别为1140 mm和1740 mm。燃烧器布置和切圆示意图如图1所示。锅炉燃烧采用神化混煤，其特性参数见表1，生物质气采用秸秆气，其燃料特性见表2。

Figure 1. The schematic diagram of boiler burner arrangement and circle cutting

图1. 锅炉燃烧器布置和切圆示意图

Table 1. Proximate and ultimate analyses of coal

表1. 煤的元素分析与工业分析

Table 2. Biomass gas characteristics

表2. 生物质气的燃料特性

3. 建立模型

3.1. 网格划分

基于研究锅炉的实际尺寸在Gambit中建立三维模型，由于本文重点研究富氧下炉膛中煤粉与生物质气的燃烧过程，以及炉膛出口的烟气排放情况，故而简化了锅炉炉膛上部的过热器与再热器部分。对三维模型采用分区划分网格方法，整体使用高质量六面体网格。针对燃烧器部分容易出现伪扩散的情况，对燃烧器部分采用Pave方法 [12] ，此方法能够将射流方向与网格线方向基本保持一致，可以有效减小伪扩散问题。同时，燃烧器区域的速度、温度和组分等物理量变化梯度大的特性，对燃烧器区域的网格进行适当加密以保证其模拟精度。分别采用网格数为78万、103万和130万来进行网格无关性检验，采用103万网格进行模拟计算，既能保证计算精度，又能节省计算时间。锅炉纵截面与燃烧器横截面网格如图2所示。

Figure 2. The grid of boiler longitudinal section and burner cross section

图2. 锅炉纵截面与燃烧器横截面网格

为提高数值模拟计算结果的准确性，选择合适的数学模型十分重要。富氧下煤粉与生物质气的混燃过程中是一个十分复杂的气固耦合燃烧过程，包括气相湍流流动与燃烧，煤粉的热解、挥发分与生物质气的燃烧、焦炭的燃烧、辐射传热以煤粉的运动等过程。本文在进行模拟时，针对燃烧的各个过程选择的数学模型如表3所示。其中，气相湍流燃烧采用的混合分数PDF模型是把燃烧简化为一个混合问题，流体的瞬时热化学状态与一个守恒量即混合分数f相关。本文模拟的对象包含2种燃料(煤粉和生物质气)，使用二混合分数方法，把煤粉流定义为燃料流，生物质气定义为二次流。混合分数的输运方程如下所示：

平均(时间平均)混合分数f的方程为：

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho \bar{f}\right)+\nabla \cdot \left(\rho \bar{v}\bar{f}\right)=\nabla \cdot \left(\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_t}\nabla \bar{f}\right)+S_m$ (1)

式中：r为物质密度；v为平均速度；m_t为湍流黏性系数，常数s_t取0.85；源项S_m仅指质量由燃料颗粒(如煤)传入气相中。

平均混合分数方差的守恒方程：

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho \overline{{f^{\prime }}^2}\right)+\nabla \cdot \left(\rho \bar{v}\overline{{f^{\prime }}^2}\right)=\nabla \cdot \left(\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_t}\nabla \overline{{f^{\prime }}^2}\right)+C_g{\mu }_t\left({\nabla }^2\bar{f}\right)-C_d\rho \frac{\epsilon }{K}\overline{{f^{\prime }}^2}$ (2)

式中： $f^{\prime }=f-\bar{f}$ ；常数s_t、C_g和C_d分别取0.85，2.86和2.0；e为耗散率；k为湍流动能。

Table 3. Mathematical models in numerical simulations

表3. 数值模拟中的数学模型

3.2. 边界条件与模拟工况

结合350MW四角切圆锅炉的实际运行情况设置边界条件，如表4所示。

Table 4. Setting of boundary conditions

表4. 边界条件的设定

本文为研究不同氧浓度的富氧条件下生物质气与煤粉混燃过程中的炉膛流动、燃烧与传热过程，设置了8种不同工况，其中O₂/CO₂体积分数比分别为21%/79%、23%/77%、25%/75%、27%/73%，29%/71%，31%/69%，33%/67%，35%/65%，以热量掺烧的方式，从燃烧器C层喷口射入热量掺烧比为30%的生物质气，生物质气量为44.47 m³/s。8种工况下生物质气的温度均为363 K，一次风温均为337 K，二次风和燃尽风风温均为484 K，过量空气系数保持为1.12，具体设置如表5所示。

Table 5. Simulation of working conditions

表5. 模拟工况

4. 计算结果与分析

4.1. 速度场分析

Figure 3. Velocity vector diagram (m/s) of section in furnace (y = 7.31 m) for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图3. 不同O₂/CO₂体积分数比下炉膛中截面(y = 7.31 m)速度矢量图(m/s)

图3为不同O₂/CO₂体积分数比下炉膛中截面(y = 7.31 m)的速度矢量图。从图中可以看出，在八种工况下炉内的速度场的分布趋势相同，即炉膛中部的燃烧器区域有较大的速度梯度，主要原因是生物质气的喷入提高了速度梯度，炉膛上部燃尽区与下部灰斗区的生物质气与煤粉燃尽区域速度梯度较小，整体速度场的分布情况与四角切圆锅炉富氧燃烧时的速度分布情况是一致的 [13] [14] 。当O₂浓度小于29%时，炉膛纵截面速度场梯度变化相近，当O₂浓度高于29%时，速度场梯度变化逐渐增加，主要原因是CO₂密度大于O₂密度，当O₂浓度过大时，整体燃烧气氛密度减小，导致速度场梯度变化增大，有利于煤粉、生物质气与氧气的混合，改善煤粉的燃烧特性 [15] 。

4.2. 温度场分析

Figure 4. Cloud diagram (K) of temperature distribution in the middle section of furnace (y = 7.31 m) for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图4. 不同O₂与CO₂体积分数比下炉膛中截面(y = 7.31 m)温度分布云图(K)

图4与图5分别为不同O₂/CO₂体积分数比下炉膛中截面(y = 7.31 m)温度分布云图和沿炉膛高度方向截面平均温度分布图。从两图中可以看出，八种工况下，生物质气与煤粉在富氧下混燃的温度变化趋势相同，高温区域出现在炉膛中部的燃烧器区域及上部燃尽区域，且平均温度峰值均出现在燃烧器区域的上部，在燃烧器区域，C层，即生物质气燃烧层的温度达到最低，这是由于生物质气的热值低，相同质量的生物质气燃烧温度低于煤粉燃烧温度，从C层向上，可以看到温度在逐步上升，结合各工况速度场的分析可知，生物质气层燃烧的速度场梯度变化大，加强了上部煤粉与富氧气氛的混合扰动效果，促进了煤粉燃烧，温度从C层开始上升。随着O₂/CO₂体积分数比的逐步变大，即富氧氛围中氧气浓度逐步提高，炉内整体的燃烧温度升高，峰值温度也逐步增大，有利用炉内换热，提高了锅炉热效率 [16] ，同时，炉膛出口的排烟温度也随着氧气浓度增大而升高，导致排烟热损失的增大。

Figure 5. The average temperature distribution of the cross section along the height of the furnace for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图5. 不同O₂与CO₂体积分数下沿炉膛高度方向截面平均温度分布

4.3. O₂浓度分析

图6分别是不同O₂/CO₂体积分数比下沿炉膛高度方向截面平均O₂体积分数分布。从图中可以看出，八种工况下O₂浓度在燃烧器区出现两次峰值，在燃尽区上部折焰角附近出现一次峰值。主要原因是由于最底层二次风的喷入导致O₂体积分数的增加，随着炉膛高度的增加，煤粉燃烧消耗了氧气，致使其浓度降低，到C层生物质气喷口处，一方面该喷口只有生物质气进入而无氧气，另一方面生物质气与氧气混合燃烧更加充分，燃烧速度更快，导致氧气浓度下降最快，后面随着C层上部的一次和二次风的进入，氧气浓度又逐渐增加，在最上层一次风喷口附近氧气浓度到达另一个峰值；从图3炉膛中截面的速度场中可以看到在炉膛上部折焰角附近，速度度梯度明显变大，导致氧气浓度出现增加，使该位置呈现氧气浓度峰值的现象 [17] [18] 。随着氧气浓度的增加，燃烧器区域的氧气浓度整体出现逐步增加的现象，在高氧气浓度的氛围中，可能会促进燃料氮的中间产物HCN、N₂O、N₂向NO方向转化，导致炉膛中NOx的生成量增加 [19] [20] 。

4.4. CO₂浓度分析

图7为不同O₂/CO₂体积分数比下沿炉膛高度方向截面平均CO₂体积分数分布。从图中可以看出，各工况下炉膛下部的灰斗区CO₂浓度是最高的，主要原因是该区域速度场梯度非常小，形成了一定程度的滞留区，同时该区域的温度也是最低的，相比其他高温区域，气氛密度相对较高，容易富集CO₂，使该区域的CO₂浓度最高；同理，由于燃烧器区域的速度场梯度大，区域温度高，导致该区域的CO₂浓度较小，C层生物质气燃烧层，其速度梯度最大，使该层附近更快地上升至炉膛上部，因此在C层附近出现CO₂浓度最低的现象。通常，在空气燃烧氛围下，炉膛出口CO₂浓度一般在15%~20%左右，较低的CO₂浓度使得CO₂捕集过程需要消耗大量的能量 [21] [22] ，在富氧氛围下燃烧时，各工况炉膛出口CO₂浓度在70%~77%，有利于CO₂在工业上实现大规模捕集 [23] ，且随着O₂浓度的增加，出口CO₂浓度整体上是上升的，主要由于O₂浓度的增加有利于炉膛内煤粉与生物质气更加充分地燃烧，产生了更多的CO₂，从而使炉膛出口的CO₂浓度变高。

Figure 6. The distribution of the average O₂ volume fraction of the cross-section along the height of the furnace for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图6. 不同O₂与CO₂体积分数下沿炉膛高度方向截面平均O₂体积分数分布

Figure 7. The distribution of the average CO₂ volume fraction of the cross-section along the height of the furnace for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图7. 不同O₂与CO₂体积分数比下沿炉膛高度方向截面平均CO₂体积分数分布

4.5. NOx浓度分析

图8为不同O₂与CO₂体积分数比下沿炉膛高度方向截面平均NOx体积分数分布云图。从图中可以看出，随着富氧气氛中O₂浓度的增加，炉膛内NOx整体的浓度是逐渐提高的，这与文献 [24] 的研究结论一致，原因是60%~80%的NOx是由挥发性氮的氧化所贡献的 [25] ，随着O₂浓度的增加，富氧环境下，燃料中的挥发性氮易于被氧化催化转化为NOx [26] ，因此炉膛内NOx的浓度随着O₂浓度的增加而增加。因此在实际中，锅炉从空气氛围燃烧向富氧氛围燃烧的改造过程中，富氧氛围中O₂的浓度应该保持一个合理的水平，防止炉膛出口的NOx浓度过高。

Figure 8. The distribution of the average NOx volume fraction of the cross-section along the height of the furnace for different O₂ to CO₂ volume fraction ratios

图8. 不同O₂与CO₂体积分数比下沿炉膛高度方向截面平均NOx体积分数分布

5. 结论

本章以某350MW四角切圆锅炉为研究对象，从燃烧器C喷口掺烧30%的生物质气，数值模拟了不同O₂/CO₂体积分数比下炉膛内流动、温度、CO₂浓度及NOx浓度分布的情况，结果表明：

1) 当O₂浓度低于29%时，炉膛内的速度梯度分布相近，当O₂浓度高于29%时，炉膛整体速度梯度提高，有利于煤粉的充分混合燃烧，改善了煤粉的燃烧特性。

2) 随着O₂/CO₂体积分数比的增加，炉膛内温度整体是提高的，有利于提高炉膛内的换热性能，但过高的温度对炉膛材料的耐热要求更高，也增加炉膛出口的排烟损失。

3) 随着O₂/CO₂体积分数比的增加，炉膛内整体的CO₂浓度是逐渐提高的，主要原因是由于O₂浓度的增加有利于炉内燃料的充分燃烧，从而产生更多的CO₂，炉膛出口的CO₂浓度是70%~77%，有利于CO₂的捕集。

4) 随着O₂/CO₂体积分数比的增加，炉膛内NOx的浓度是逐渐提高，主要原因是炉膛内的温度随着O₂浓度的增加而上升，由此热力型NOx的产生量更大。

NOTES

^*通讯作者。