1 000 MW超超臨界機組鍋爐生物質(zhì)與煤粉混燒數(shù)值模擬研究

齊曉娟，童家麟，呂洪坤，丁歷威

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

1 000 MW超超臨界機組鍋爐生物質(zhì)與煤粉混燒數(shù)值模擬研究

齊曉娟1，童家麟2，呂洪坤2，丁歷威2

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

針對大型燃煤電站鍋爐的生物質(zhì)和煤粉混燒可行性研究欠缺的問題，利用CFD軟件平臺，以某電廠1 000 MW超超臨界四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了不同煤粉和生物質(zhì)混燒熱量比對爐膛內(nèi)溫度場和組分濃度場的影響。計算結(jié)果表明，爐膛整體輸入熱量接近相同的情況下，混燃生物質(zhì)后爐內(nèi)溫度場無明顯變化；摻燒生物質(zhì)后，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低；隨著生物質(zhì)混燒比的增加，落入爐膛冷灰斗的渣量增加。研究結(jié)果為大型鍋爐實際混燒生物質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)。

生物質(zhì)；煤；超超臨界；混燒；數(shù)值模擬

0 引言

國務(wù)院《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出：以風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能利用為重點，大力發(fā)展可再生能源；有序開發(fā)生物質(zhì)能，因地制宜利用農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。國務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》也指出：積極發(fā)展生物質(zhì)能，制定生物質(zhì)能開發(fā)利用規(guī)劃，積極推動生物質(zhì)能清潔高效利用，推廣生物質(zhì)能發(fā)電示范工程。因此，生物質(zhì)與煤混合燃燒是近年來研究的熱點，而燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)燃料將是未來傳統(tǒng)燃煤電站改造的新方向[1-4]。

過去生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)的發(fā)展主要基于鍋爐運行經(jīng)驗及小型實驗裝置所測得數(shù)據(jù)，由于實驗裝置昂貴，燃燒過程又十分復(fù)雜，所以試驗結(jié)論很難在實際中應(yīng)用。目前數(shù)值模擬已成為研究鍋爐燃燒的一種有效途徑，盧洪波等[5]對600 MW機組四角切圓煤粉爐進行了混燃的數(shù)值模擬，孫俊威等[6]對600 MW超臨界機組燃煤鍋爐生物質(zhì)氣體再燃進行了數(shù)值研究，而目前對生物質(zhì)與煤在1 000 MW機組四角切圓煤粉爐中的數(shù)值模擬研究基本沒有。

在此以某發(fā)電廠1 000 MW超超臨界機組四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了煤粉和生物質(zhì)混燒熱量比不同時，對爐膛內(nèi)溫度場和組分濃度場的影響，為大型鍋爐混燒生物質(zhì)實際應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 鍋爐概況

某發(fā)電廠1 000 MW超超臨界機組鍋爐為單爐膛塔式布置，爐膛寬度為23 160 mm，深度為23 160 mm，高為118 090 mm，寬深比為1∶1。該鍋爐采用中速磨煤機一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器。煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設(shè)有12層一次風(fēng)噴口，四周布置有燃料風(fēng)。燃燒器風(fēng)箱分成獨立的4組，下面3組風(fēng)箱各有4層一次風(fēng)噴口，對應(yīng)2臺磨煤機，磨煤機由下至上分別對應(yīng)A，B，C，D，E，F(xiàn)磨。投運時，上5臺磨運行，A磨煤機備用。在每相鄰2層一次風(fēng)之間布置有1層CFS（偏置二次風(fēng)）。在上層煤粉燃燒器組頂部布置有1層CCOFA（緊湊燃盡風(fēng)）噴口。在整個煤粉燃燒器組頂部布置有6層SOFA（分離燃盡風(fēng)）噴口。其中一次風(fēng)內(nèi)切圓直徑為3.315 m。CFS與一次風(fēng)之間有22°的角度。

圖1和圖2分別為鍋爐幾何模型和燃燒噴口立面布置圖。

圖1 鍋爐本體

圖2 燃燒器噴口布置

2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)該發(fā)電廠爐膛的結(jié)構(gòu)特點及流動特點，利用Gambit軟件對爐膛進行網(wǎng)格劃分，將整個鍋爐物理模型計算區(qū)域分成10個區(qū)段。為了避免偽擴散的產(chǎn)生，盡量使從燃燒器出來的氣流方向與網(wǎng)格線垂直，在鍋爐水平截面采用Paving方法[7]生成四面體網(wǎng)格，如圖3所示。以燃燒器為中心呈輻射狀，對切向流動氣流來說，網(wǎng)格線與流動方向夾角很小，有效地抑制了計算偽擴散，保證了數(shù)值計算的穩(wěn)定收斂。鍋爐爐膛根據(jù)已經(jīng)生成的橫截面網(wǎng)格，采用Cooper方法沿著爐膛高度方向生成六面體網(wǎng)格。

3 數(shù)學(xué)模型

煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒是一個復(fù)雜的過程，涉及氣相流動和湍流燃燒、顆粒運動、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒、輻射換熱等[8-9]。在數(shù)值模擬中，氣固兩相間的湍流計算采用Realizable k-ε模型[10-11]；用雙混合分數(shù)/PDF（概率密度函數(shù)）模型模擬氣相湍流燃燒，其中，煤以主要流、經(jīng)驗流的形式射入，生物質(zhì)以次要流、經(jīng)驗二次流形式射入，雙混合分數(shù)PDF模型與單混合分數(shù)PDF模型相比，PDF的積分是在FLUENT中進行，對計算機要求更高，計算時間也更長，相應(yīng)的計算精度較單混合分數(shù)PDF模型要高；焦炭燃燒選取擴散－動力模型；煤液化采用雙方程模型；對于爐內(nèi)燃燒時的輻射和對流換熱采用P1輻射模型；煤粉顆粒的軌跡場采用基于拉格朗日的隨機顆粒跟蹤方法。

圖3 燃燒器區(qū)域水平截面網(wǎng)格

4 計算方法及邊界條件

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計算。上述數(shù)學(xué)模型的控制方程采用控制體積法，使用一階差分格式進行方程離散，采用SMPLE方法求解N-S方程。

以下分別對生物質(zhì)與煤混燒熱量比為0%，10%，20%進行計算分析，模擬使用的煤與生物質(zhì)工業(yè)分析和元素分析如表1所示。燃燒器各層噴口風(fēng)量數(shù)據(jù)如表2所示，3種工況風(fēng)煤比均為2.2∶1。各臺磨煤機均等配煤，磨煤機煤粉和生物質(zhì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 鍋爐煤種煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)

5 計算結(jié)果與分析

5.1 溫度分布

表2 各層噴口風(fēng)量

表3 單臺磨煤機煤粉和生物質(zhì)質(zhì)量

圖4為爐膛縱向截面溫度分布圖。由圖中可知，混燒比為0%，10%，20%3種工況時，爐內(nèi)溫度場分布情況并無明顯改變，分布輪廓線相似。爐膛燃燒區(qū)域溫度分布都比較均勻，溫度差距不大。這是由于3種工況爐膛整體輸入熱量較接近的原因。在縱向截面，爐膛最高溫度不超過1 900 K，局部高溫僅出現(xiàn)在煤粉噴口附近，而這有利于煤粉顆粒的快速加熱和熱解。

圖4 爐膛縱向截面溫度分布

圖5為燃燒器區(qū)一次風(fēng)C2噴口中心截面溫度分布。從圖中可知，3個工況下，溫度分布均呈現(xiàn)明顯的切圓形式，隨著混燒比例的增加，由于生物質(zhì)揮發(fā)分較煤粉高，更易于燃燒，因此燃燒器噴口生成的高溫區(qū)域增大，混燒比為20%時，尤為明顯?；鞜葹?0%時，爐膛中心漩渦處的溫度較其他2種工況偏低，但是相差不大。

圖5 燃燒器區(qū)一次風(fēng)噴口（C2）中心截面溫度分布

圖6為鍋爐爐膛區(qū)域內(nèi)平均煙溫。從圖中可以看到：混燒比為10%時較0%和20%的整體溫度場有所下降，但僅下降了2.7%，這也在軟件本身的計算誤差內(nèi)。

圖6 爐膛整體區(qū)域平均煙溫

5.2 CO濃度分布

圖7為爐膛SOFA上方不同高度截面的CO平均物質(zhì)的量濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到，摻燒生物質(zhì)后，爐膛上方直至出口處，燃燒情況非常好。這是由于生物質(zhì)含碳量較煤粉偏低，且揮發(fā)分高，灰分低，有利于充分燃盡。

圖7 爐膛截面CO平均物質(zhì)的量濃度沿著爐膛高度的變化

5.3 飛灰可燃物分布

圖8為鍋爐出口截面飛灰可燃物分布。分布曲線證明混燒比為10%和20%的工況下，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低，分析原因是由于生物質(zhì)燃料揮發(fā)分大，且灰分極低，接近于零，因此易于燃燒。

圖8 爐膛出口截面飛灰可燃物分布

5.4 渣量變化

通過跟蹤截面經(jīng)過的顆粒量，計算出這些跟蹤顆粒中代表的流量，從而得到該截面的渣量。圖9為爐膛冷灰斗處渣量分布。通過曲線可以看到：隨著生物質(zhì)混燒比的增加，落入爐膛冷灰斗的渣量增加。混燒比20%時落入的渣量近乎是混燒比10%時的2倍，是單一煤粉燃燒時的10倍。究其原因是：盡管生物質(zhì)燃料的密度只為煤粉的1/2，但生物質(zhì)顆粒平均直徑卻為煤粉顆粒平均直徑的10倍，這樣生物質(zhì)的比表面積只有煤粉的1/5，因此要求氣體攜帶速度更高，而此處計算時各層區(qū)域在爐膛高度方向上過量空氣系數(shù)接近相同，混燒比20%時托底二次風(fēng)量最低，從而導(dǎo)致混燒比20%時掉入冷灰斗的渣量最多。

6 結(jié)論

以某發(fā)電廠1 000 MW超超臨界機組四角切圓塔式煤粉鍋爐作為研究對象，計算分析了煤粉和生物質(zhì)混燒熱量比不同時，對爐膛內(nèi)溫度場、CO組分濃度場、飛灰可燃物和渣量的影響，為大型鍋爐混燒生物質(zhì)實際應(yīng)用提供了依據(jù)。

圖9 爐膛冷灰斗處渣量分布

（1）混燒比為0%，10%，20%時，由于3種工況爐膛整體輸入熱量較接近的原因，爐膛燃燒區(qū)域溫度分布都比較均勻，溫度差距不大。

（2）摻燒生物質(zhì)后，出口處飛灰可燃物含量比單一煤粉燃燒時要低，爐膛上方直至出口處，燃燒情況非常好。

（3）由于3種工況風(fēng)煤比相同，因此各層區(qū)域在爐膛高度方向上過量空氣系數(shù)基本一致。隨著生物質(zhì)混燒比的增加，要求氣體攜帶速度更高，而托底二次風(fēng)量卻逐漸降低，從而落入爐膛冷灰斗的渣量顯著增加。這就為今后進一步優(yōu)化研究提供了方向。

[1]陳海平，魯光武，于鑫瑋，等.燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)的經(jīng)濟性分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（12）∶40-44.

[2]魯光武，陳海平.生物質(zhì)與煤摻燒燃燒特性及動力學(xué)分析[J].電站系統(tǒng)工程，2013，29（4）∶7-9.

[3]張運洲.終端用能方式變革為電力發(fā)展注入新活力[N/ OL].[2016-02-17].http∶//shoudian.bjx.com.cn/html/20160217 /708449.shtml

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[5]盧洪波，馬玉鑫，祖國剛，等.生物質(zhì)與煤共燃溫度場的數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2014，34（1）∶1-4.

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（本文編輯：陸瑩）

Numerical Simulation of Co-firing of Coal and Biomass in a 1 000 MW Ultra-s Upercritical Boiler

QI Xiaojuan1，TONG Jialin2，LYU Hongkun2，DING Liwei2
（1.E.Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

There is a lack of feasibility study on co-firing of coal and biomass in boilers of large coal-fired power plants.The 1 000 MW ultra-supercritical tangential coal-fired boiler in a power plant is taken as a re search object，and the computational fluid dynamics（CFD）software platform is employed to calculate and analyze the effect of heat ratio of different co-fired coals and biomass on furnace temperature field and component concentration field.The result shows that there is no significant change in the temperature field in the furnace with the co-firing of biomass and the input heat the same；with the co-firing of biomass，the content of the combustible fly ash at the outlet is lower than that of the single pulverized coal.With the increase of biomass co-firing ratio，the amount of slag falling into the cold ash bucket increases.The results provide a theoretical basis for the actual mixed biomass of large boilers.

biomass；coal；ultra-supercritical；co-firing；numerical simulation

10.19585/j.zjdl.201705008

1007-1881（2017）05-0029-05

TK62，TK227

A

2017-02-17

齊曉娟（1981），女，高級工程師，主要從事發(fā)電廠方向數(shù)值模擬工作。