燃煤鍋爐摻燒卡車輪胎粉末的數(shù)值模擬研究

李子涵, 金承璋, 姜未汀, 潘衛(wèi)國, 潘丹露, 崔 涵

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.國網(wǎng)上海市電力公司, 上海 200035;3.萬聯(lián)能源集團(tuán)有限公司, 江蘇 連云港 222000)

《2017—2022年中國汽車輪胎行業(yè)市場深度調(diào)研及投資前景分析報告》指出,我國于2017年共計(jì)生產(chǎn)輪胎9.79億條,并預(yù)測2019年產(chǎn)量將達(dá)到驚人的10億條。其中,貨車和重卡的輪胎消耗量占比達(dá)到了約6成,消耗量相當(dāng)可觀。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,廢舊輪胎的數(shù)量也將不斷提升。與煤相比,廢舊輪胎的熱值較高[1],若采用輪胎等橡膠制品作為燃料[2-5],并將其運(yùn)用在電廠鍋爐上,可節(jié)省一定的化石資源,保護(hù)自然環(huán)境,并為廢舊輪胎的處理問題提供新的思路。這種方法已經(jīng)在西方各國[6-11]予以應(yīng)用,但在國內(nèi),橡膠作為燃料還是個新興課題。文獻(xiàn)[12-14]通過熱重實(shí)驗(yàn)證明了煤粉和橡膠有較好的混合熱解特性,可應(yīng)用于電站鍋爐的摻燒。文獻(xiàn)[15-16]研究發(fā)現(xiàn),采用Simple算法對鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬效果較好,且Fluent軟件模擬的結(jié)果較為合理準(zhǔn)確。因此,可利用Fluent軟件作為載體,設(shè)置1臺300 MW的鍋爐,進(jìn)行摻燒橡膠的數(shù)值模擬計(jì)算。

1 燃煤與卡車輪胎的混燃

1.1 理論基礎(chǔ)

以鍋爐總熱不變?yōu)榛A(chǔ),熱量計(jì)算平衡公式為

B0Qar,net=Bar,netQar,net+BtdfQtdf,net

(1)

式中:B0——原始工況下煤的燃燒量,kg;

Qar,net——煤的低位熱值,kJ/kg;

Bar,net——摻燒工況下煤的燃燒量,kg;

Btdf——卡車輪胎粉末的燃燒量,kg;

Qtdf,net——卡車輪胎粉末的低位熱值,kJ/kg。

摻燒比的計(jì)算公式為

(2)

式中:α——摻燒比例;

Qf——非摻燒工況下純煤燃燒生成的熱值,kJ/kg。

理論空氣量的計(jì)算公式為

(3)

式中:V——單位質(zhì)量燃料燃燒所需理論空氣量,m3/kg;

Car,Sar,Har,Oar——1 kg收到基燃料中各元素的含量。

在摻燒工況下,燃燒所需空氣量的計(jì)算公式為

式中:Ba——輸入鍋爐的空氣量,m3;

V0——單位質(zhì)量煤燃燒所需空氣量,m3/kg。

煤粉和卡車輪胎粉末的元素分析和工業(yè)分析如表1和表2所示。

表1 煤的元素分析及工業(yè)分析 單位:%

表2 卡車輪胎粉末的元素分析及工業(yè)分析 單位:%

數(shù)據(jù)表明,卡車輪胎粉末有較高的揮發(fā)分,有助于燃燒。煤粉和卡車輪胎粉末的干燥無灰基低位發(fā)熱量分別為32 386 kJ/kg和34 123 kJ/kg。根據(jù)廠家測量的結(jié)果取平均值,燃料顆粒粒徑的最小直徑、最大直徑和平均直徑均設(shè)定為10 μm,250 μm,56 μm。

4種不同工況為純煤粉燃燒(工況1)、摻燒20%(工況2)、摻燒40%(工況3),摻燒60%(工況4)。各工況燃料量及所需空氣量如表3所示。

表3 各工況燃料量及所需空氣量

1.2 數(shù)值模擬方法

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型、Simple算法、P-1輻射模型、非預(yù)混燃燒模型及混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)法(Probability Density Function,PDF)方法,進(jìn)行計(jì)算模擬,得出溫度場等的數(shù)值模擬結(jié)果。

通過污染物排放模型對NOx進(jìn)行模擬,NOx可分為快速型NO,燃料型NO和熱力型NO。其中,快速型NO由于數(shù)值過小,故選擇忽略。通過Fluent軟件可求出NO的體積含量,再根據(jù)式(4)可計(jì)算出NOx標(biāo)準(zhǔn)狀況下干煙氣中的質(zhì)量濃度ρNOx。其中,2.05為單位由μL/L到mg/m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(4)

式中:VNO——干煙氣中NO的實(shí)際體積含量,μL/L;

vO2——干煙氣中O2的實(shí)測含量,%。

2 研究對象

采用亞臨界自然循環(huán)鍋爐,燃燒器布置為四角切圓,型號為DG1025/17.5-Ⅱ4 型。采用中儲式熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)。鍋爐容量為300 MW,爐膛斷面尺寸為深12.8 m、寬12.8 m。鍋爐示意如圖1所示。

圖1 鍋爐示意(m)

鍋爐網(wǎng)格被劃分成冷灰斗區(qū)域、燃燒器區(qū)域、折焰角區(qū)域和水平煙道區(qū)域4個部分。劃分原則為除燃燒器區(qū)域外,均采用結(jié)構(gòu)化六面體型網(wǎng)格。燃燒器區(qū)域的情況復(fù)雜,因此采用適應(yīng)性四面體的劃分方式,提高準(zhǔn)確性且減少一定的運(yùn)算量。加密燃燒器噴口處網(wǎng)格,盡可能提高網(wǎng)格的合理性及準(zhǔn)確性。最終該鍋爐的網(wǎng)格值0.4以下占到了99%以上,網(wǎng)格數(shù)量為779 494,質(zhì)量很好。具體鍋爐建模網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 鍋爐建模網(wǎng)格

邊界條件的確定:在鍋爐模型建立時,已知風(fēng)口的面積,風(fēng)速的計(jì)算公式為

(5)

式中:v——一、二、三次風(fēng)風(fēng)速,m/s;

β——一、二、三次風(fēng)風(fēng)率,%;

S——一、二、三次風(fēng)的風(fēng)口面積,m2。

各工況的具體參數(shù)如表4所示。其中,一、二次風(fēng)的溫度均為525 K,三次風(fēng)的溫度為363 K。

表4 各工況邊界條件輸入?yún)?shù) 單位:m/s

3 結(jié)果分析

為了分析不同比例摻燒下的燃燒特性及污染物生成情況,繪制了4種工況下鍋爐中部寬度方向上的溫度及NOx分布云圖,并沿高度方向繪制相應(yīng)的折線圖。

3.1 溫度場

在額定負(fù)荷下,4種工況的溫度變化如圖3和圖4所示。

圖3 沿爐膛高度方向橫截面溫度變化曲線

由圖3和圖4可知:爐膛內(nèi)的溫度分布是以先增高后降低的形式變化的,符合四角切圓鍋爐溫度分布的規(guī)律,爐膛出口處溫度較低的兩個矩形位置為過熱屏;在摻燒工況下,由于煤粉占比的下降,卡車輪胎粉末占比的上升,燃燒區(qū)域的溫度不斷提高,摻得越多,提高得越多;在摻燒20%,40%,60%卡車輪胎粉末的工況下,爐膛燃燒區(qū)域的截面溫度分別提高了21 K,33 K,54 K。溫度的升高有助于燃燒,但也會導(dǎo)致熱力型NOx的生成量增加,可能引起結(jié)焦結(jié)渣等情況。

圖4 爐膛截面溫度變化云圖

3.2 NOx分布

在額定負(fù)荷下,4種工況下的NOx變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 沿爐膛高度方向NOx平均質(zhì)量濃度變化

由圖5和圖6可知,NOx的平均濃度分別出現(xiàn)了兩個峰值和兩個低值。出現(xiàn)兩個低值的原因是燃燒區(qū)域中存在過渡區(qū)域。第一個峰值出現(xiàn)于爐膛底部冷灰斗處。冷灰斗處空氣量較大,為空氣過量狀態(tài),導(dǎo)致燃料型NOx較高,總NOx質(zhì)量濃度較大。第一個低值出現(xiàn)在燃燒區(qū)域下部。此處為燃料進(jìn)口,燃燒反應(yīng)劇烈,CO大量生成,形成還原區(qū)域,NOx的質(zhì)量濃度降低。隨著高度的增加,第二個峰值出現(xiàn)于燃燒區(qū)域中部,此處燃料發(fā)生劇烈燃燒,導(dǎo)致燃料型NO生成急劇增加,因此NOx濃度出現(xiàn)了一個質(zhì)量峰值。第二個低值出現(xiàn)在燃燒區(qū)域上部,這時燃料最后一次噴入,影響了NOx的質(zhì)量濃度。之后,在上層燃盡風(fēng)輸入的情況下,形成氧化區(qū)域,使得NOx平均濃度開始緩慢上升。

圖6 爐膛中心截面NOx變化云圖

對比以上4種工況可以發(fā)現(xiàn),隨著卡車輪胎粉末比例的增大,鍋爐中NOx的生成量明顯增加。這是由于燃料中卡車輪胎粉末熱值較大,造成爐內(nèi)的平均溫度變大,所生成的熱力型NOx含量也就越大,導(dǎo)致水平煙道出口處NOx的排放量不斷提高。工況1出口處NOx的質(zhì)量濃度為112.853 1 mg/m3,摻燒20%,40%,60%卡車輪胎粉末后,出口處的NOx質(zhì)量濃度分別增加到125.652 5 mg/m3,135.110 2 mg/m3,142.411 7 mg/m3。

4 結(jié) 論

通過合理運(yùn)用Fluent工具,以300 MW鍋爐為研究設(shè)備,用橡膠燃料及污泥作為主要摻燒對象,定義了4種工況,對各工況下的溫度、煙氣組分及NOx分布進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論。

(1) 在燃煤鍋爐中摻燒橡膠會引起爐膛內(nèi)部溫度上升,在分別摻燒20%,40%,60%卡車輪胎粉末的工況下,爐膛燃燒區(qū)的截面溫度比純煤工況分別上升了21 K,33 K,54 K,溫度的上升有助于燃燒但也引起了NOx生成量增大,可能引起結(jié)焦結(jié)渣情況。

(2) 在燃煤鍋爐內(nèi)摻燒橡膠會導(dǎo)致爐膛出口處NOx的質(zhì)量濃度增加。純煤工況出口處NOx的質(zhì)量濃度為112.853 1 mg/m3,在分別摻燒20%,40%,60%卡車輪胎粉末的工況下,出口處的NOx質(zhì)量濃度分別增加到125.652 5 mg/m3,135.110 2 mg/m3,142.411 7 mg/m3。根據(jù)數(shù)值模擬的研究成果可知,在橡膠和煤粉的混合比較低時,生成的污染物較少,可在一定程度上節(jié)省燃燒成本。