新型生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒NOx釋放規(guī)律研究

謝曙光，鄭曉杰，王為術(shù)，范高峰，劉群安

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016； 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；3.鄭州鍋爐股份有限公司，河南 鄭州 450001)

構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，實現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展，嚴(yán)格控制燃煤污染物排放，規(guī)定新建火電機(jī)組和具有改造條件的機(jī)組達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵濃度低于10 mg/m3，SO2排放濃度低于35 mg/m3，NOx排放濃度低于50 mg/m3[1]。循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，簡稱CFB)具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、NOx排放濃度低等顯著優(yōu)點(diǎn)而被用于低質(zhì)燃料和含碳固體廢棄物燃燒發(fā)電。生物質(zhì)是一種可再生能源，主要指秸稈、鋸末、果皮等農(nóng)林廢棄物，我國生物質(zhì)資源十分豐富，2020年全國生物質(zhì)資源量約20億t，在眾多生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)中，直接燃燒是高效利用生物質(zhì)能最切實可行的技術(shù)之一。因此，將生物質(zhì)燃料與循環(huán)流化床燃燒技術(shù)結(jié)合起來，對節(jié)能減排具有重要的社會和生態(tài)意義。

國內(nèi)外學(xué)者采用試驗和數(shù)值模擬方法對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程進(jìn)行研究。彭建升[2]對320 t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行試驗研究，分析NOx的生成與抑制機(jī)理。張向宇[3]、Lucas D[4]的試驗研究結(jié)果表明循環(huán)流化床鍋爐NOx排放直接受爐內(nèi)溫度的影響。張建平[5]采用試驗方法對生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐脫硝進(jìn)行研究，分析NOx排放特性。袁文杰[6]對165 t/h循環(huán)流化床鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行下NOx排放量進(jìn)行研究。陳拓[7]采用試驗方法研究50 MW循環(huán)流化床鍋爐生物質(zhì)摻燒的比例對NOx排放的影響規(guī)律。Kosowska-Golachowska M[8]在12 kW循環(huán)流化床燃燒器上試驗研究了不同燃燒氛圍對NO、NO2等氣體排放的影響。試驗研究成本高、難度大，目前，數(shù)值模擬被廣泛用于循環(huán)流化床鍋爐燃燒與NOx釋放的研究。史丹君[9]采用數(shù)值模擬方法，研究循環(huán)流化床鍋爐一、二次風(fēng)配比、二次風(fēng)射流等因素對爐膛出口處NOx排放濃度的影響。王文潔[10]對75 t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同粒徑燃料NOx釋放規(guī)律。張沖沖[11]采用數(shù)值模擬方法，研究了350 MW循環(huán)流化床鍋爐變負(fù)荷過程中NOx排放規(guī)律。謝興旺[12]采用數(shù)值模擬方法，研究混燒生物質(zhì)燃料的循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性及污染物釋放特性。文獻(xiàn)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前研究多集中在以煤或煤摻混生物質(zhì)為燃料的循環(huán)流化床，而對燃燒生物質(zhì)燃料的CFB鍋爐燃燒過程及污染物釋放特性研究較少。為減少生物質(zhì)CFB鍋爐燃燒過程中NOx排放，滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，筆者采用Fluent 2020軟件對一種新型生物質(zhì)CFB鍋爐燃燒和NOx釋放規(guī)律進(jìn)行研究，分析燃料顆粒運(yùn)行軌跡和不同過量空氣系數(shù)下NOx的釋放規(guī)律，為生物質(zhì)CFB鍋爐污染控制和運(yùn)行優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模型與計算方法

1.1 研究對象

研究對象為新型生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐是雙鍋筒橫置式的自然循環(huán)水管鍋爐。鍋爐爐膛高度為13 500 mm，爐膛寬度為4 300 mm，爐膛深度為1 960 mm。燃料由爐膛右墻處給料口送入，煙氣出口在爐膛上部后墻位置，為直徑1 400 mm的圓形出口。燃燒生成煙氣進(jìn)入臥式高溫水冷旋風(fēng)分離器，分離器由兩片水冷膜式壁組成，煙氣中未燃盡的顆粒經(jīng)分離器由慣性力被分離出來，通過水冷回料道由松動風(fēng)重新送入爐膛進(jìn)行再燃燒，提高燃燒效率。一次風(fēng)進(jìn)口在爐膛底部，簡化為平均進(jìn)風(fēng)，兩個二次風(fēng)進(jìn)口對稱布置在爐膛的前后墻。生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1 燃料的工業(yè)分析和元素分析

以100%負(fù)荷為研究工況，燃料消耗量為1.38 kg/s，燃料進(jìn)口溫度為503 K，燃料顆粒粒徑范圍為0.2～5 mm，平均粒徑為2 mm。一次風(fēng)速為0.375 m/s，一次風(fēng)溫503 K，二次風(fēng)速7.14 m/s，二次風(fēng)溫573 K，燃料進(jìn)口速度取5.5 m/s。循環(huán)流化床鍋爐在微負(fù)壓條件下運(yùn)行，將鍋爐出口定義為壓力出口，大小為-19.81 Pa。

1.2 網(wǎng)格模型

采用Gambit 2.4.6對循環(huán)流化床鍋爐建立1∶1幾何模型，進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在物理量變化劇烈的主燃區(qū)采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行加密，生成的網(wǎng)格模型如圖1所示。在模擬過程中，對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗，逐次細(xì)化得到網(wǎng)格無關(guān)解，檢驗結(jié)果如圖2所示，最佳網(wǎng)格數(shù)量約為450萬。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐網(wǎng)格模型

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

1.3 數(shù)學(xué)模型

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒過程首先滿足質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、組分質(zhì)量守恒，基本控制方程如下[13]：

質(zhì)量守恒

(1)

動量守恒

(2)

能量守恒

(3)

組分質(zhì)量守恒方程

(4)

鍋爐爐膛內(nèi)包括了物料的流動、傳質(zhì)、燃燒等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，本文選擇RNGk-ε方程進(jìn)行求解。

湍動能方程

GK+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

湍動能耗散率方程

(6)

式中：Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能；YM為膨脹對總耗散率的作用；C1ε=1.42，C2ε=1.68。

1.4 計算方法

在生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程數(shù)值模擬中，采用非預(yù)混燃燒模型對生物質(zhì)燃料化學(xué)反應(yīng)及組分輸運(yùn)進(jìn)行模擬，湍流模型選用RNGk-ε模型，顆粒與氣體間相互作用選用拉格朗日離散相模型(DPM)。考慮鍋爐內(nèi)部燃料顆粒及產(chǎn)物自身的傳熱和輻射散射，采用P1輻射模型。對流項選用二階迎風(fēng)格式，離散后方程組采用SIMPLE算法求解，近壁面區(qū)域選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

在燃燒過程中，鍋爐內(nèi)NOx的生成有三種類型：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx，其中熱力型NOx和燃料型NOx占主導(dǎo)，快速型NOx只占總NOx生成量的5%。因此，在模擬中主要考慮熱力型NOx和燃料型NOx。

生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的NOx包括NO、NO2和N2O，其中NO約占90%，NO2占5%～10%，N2O只占1%左右。因此，對鍋爐燃燒過程N(yùn)Ox釋放規(guī)律分析時，主要討論NO的生成[14]。在燃料燃燒產(chǎn)物中，NO占比很小，因此對NO生成特性的模擬采用后處理的方法，先計算爐內(nèi)燃燒反應(yīng)，燃燒結(jié)果收斂后加入NOx模型，計算NO的生成。

2 結(jié)果分析

2.1 顆粒運(yùn)動軌跡

圖3是生物質(zhì)CFB鍋爐爐膛內(nèi)部燃料顆粒運(yùn)動軌跡，不同顏色代表了顆粒的不同速度。由模擬的結(jié)果分析可知，在鍋爐進(jìn)行燃燒的過程中，一小部分顆粒在一次風(fēng)和二次風(fēng)作用下，進(jìn)入位于鍋爐頂部的旋風(fēng)分離器。未燃盡的顆粒在分離器中由于慣性力的作用與煙氣分離，經(jīng)回料管回到爐膛內(nèi)繼續(xù)參與燃燒。但燃料顆粒粒徑較大時，一、二次風(fēng)無法將顆粒直接作用至分離器。較大粒徑的顆粒首先在重力作用下，落至爐膛一側(cè)，然后在爐膛稀相區(qū)內(nèi)回旋，經(jīng)較長時間反復(fù)燃燒，當(dāng)顆粒粒徑變小時，在一次、二次風(fēng)的作用下，沖進(jìn)旋風(fēng)分離器。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，首先不同粒徑的顆粒重力作用不同，一、二次風(fēng)無法將較重的顆粒沖進(jìn)旋風(fēng)分離器。其次，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部是一個復(fù)雜的流動、傳質(zhì)和燃燒過程，燃料顆粒的運(yùn)動與壓力、一次風(fēng)和二次風(fēng)配比等諸多因素有關(guān)，因此燃料顆粒在爐膛內(nèi)部出現(xiàn)了回旋現(xiàn)象。

圖3 顆粒運(yùn)動軌跡

2.2 過量空氣系數(shù)對NO釋放的影響

圖4為不同過量空氣系數(shù)下生物質(zhì)CFB鍋爐爐膛NO濃度分布圖。從圖4中可以看出，在爐膛底部，NO濃度較低，該區(qū)域燃料顆粒在一次風(fēng)的作用下處于流化狀態(tài)，溫度較低，進(jìn)行燃燒的顆粒少。在爐膛的中心區(qū)域，NO濃度較高，因為此區(qū)域燃料濃度高，燃燒反應(yīng)比較劇烈，導(dǎo)致NO生成量增加。在爐膛的中上部，部分工況下NO會產(chǎn)生積累現(xiàn)象，由顆粒運(yùn)行軌跡可知，這是因為爐內(nèi)的湍流流動十分劇烈，部分顆粒在爐膛內(nèi)部形成了回旋。

圖5是不同過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度方向NO濃度分布。由圖5可知，不同過量空氣系數(shù)下NO濃度在爐膛內(nèi)分布特性相同，沿爐膛高度方向增加，NO濃度由低到高，最后保持相對穩(wěn)定。在燃燒初期，燃料顆粒溫度升高達(dá)到著火溫度，揮發(fā)分析出并進(jìn)行燃燒，燃料中的N與空氣中的O2反應(yīng)生成NO。隨著燃料的燃燒，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，不斷地生成NO，因此沿爐膛高度增加，NO的濃度逐漸增加。在爐膛高度10 m之后，NO的濃度基本維持不變。由圖5還可得到，隨著過量空氣系數(shù)的增加，不同過量空氣系數(shù)下爐膛高度13 m處NO質(zhì)量濃度。在過量空氣系數(shù)為1.25時，爐膛高度13 m處NO的濃度最大，為197×10-6。因此，在生物質(zhì)CFB鍋爐運(yùn)行過程中，為減少氮氧化物的排放，應(yīng)控制過量空氣系數(shù)在合適的范圍內(nèi)。綜合考慮，取過量空氣系數(shù)1.2為最佳工況。

圖4 不同過量空氣系數(shù)下X=2.15 m截面處NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖5 不同過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度方向NO濃度分布

圖6是不同過量空氣系數(shù)下爐膛出口處NO的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。由圖6可知，隨著過量空氣系數(shù)由1.1增加至1.25，出口處NO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)先減小后增加。在過量空氣系數(shù)為1.2時，出口處NO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)最小，為0.16%。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.25時，爐膛出口處NO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)最大，為0.19%。由此可以得到，控制過量空氣系數(shù)在合適的范圍內(nèi)，是減少氮氧化物排放的重要舉措之一。該生物質(zhì)CFB鍋爐過量空氣系數(shù)取值范圍宜在1.15～1.2，綜合考慮，取過量空氣系數(shù)1.2為最佳工況。

圖6 不同過量空氣系數(shù)下出口處NO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

3 結(jié) 論

對新型生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究生物質(zhì)CFB鍋爐燃燒過程中顆粒運(yùn)行軌跡和不同過量空氣系數(shù)下NO釋放規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)在鍋爐燃燒過程中，從給料口進(jìn)入的生物質(zhì)燃料顆粒在爐膛內(nèi)運(yùn)動軌跡十分復(fù)雜。一小部分較小粒徑的燃料顆粒，在一、二次風(fēng)的作用下，被直接沖進(jìn)旋風(fēng)分離器。較大粒徑的燃料顆粒，在爐膛稀相區(qū)出現(xiàn)回旋。

(2)沿爐膛高度方向NO的濃度變化是不斷增大并保持穩(wěn)定的過程。在過量空氣系數(shù)從1.1～1.25變化過程中，爐膛出口處NO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)先減小后增大，因此為減少氮氧化物的排放，應(yīng)控制過量空氣系數(shù)在合理范圍內(nèi)。綜合考慮，取過量空氣系數(shù)1.2為最佳工況，該結(jié)論可為生物質(zhì)CFB鍋爐污染控制和運(yùn)行優(yōu)化提供依據(jù)。