基于數(shù)值模擬的爐內(nèi)煤粉耦合固廢的混燃研究

江蘇新海發(fā)電有限公司 李子涵

引言

碳達(dá)峰，碳中和,戰(zhàn)略目標(biāo)是以馬克思主義理論為基礎(chǔ)的中國特色社會(huì)主義生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論戰(zhàn)略，是生態(tài)文明建設(shè)整體布局內(nèi)容之一[1]。燃煤電廠的碳排放較大，若改變煤的組成成分，采用煤和污泥組成混合燃料進(jìn)行燃燒，是一種既可節(jié)省燃煤又可減少碳排放的方法。工業(yè)生產(chǎn)總值及城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)和生活帶來的污水量急劇升高。數(shù)據(jù)顯示：2020年我國工業(yè)污泥產(chǎn)生量為4千萬噸，生活污泥產(chǎn)生量為4.38千萬噸，總量達(dá)8千萬噸以上。而且根據(jù)有關(guān)預(yù)測，在之后的二十年期間每年的污泥生成量也會(huì)不斷增長[2]。因此，污泥的安全處理和回收利用問題已是刻不容緩。

污泥的處理方法一般為焚燒、干燥、荒地填埋、土地使用、直接排海等方法，由于對(duì)環(huán)境影響較大，直接排海的處理方法已被逐漸禁止使用[3]。其中，經(jīng)過蒸汽、煙氣或其他熱源干燥處理后的污泥，焚燒后可以有效地利用這一熱量，焚燒法其具有固廢物質(zhì)減量大、對(duì)環(huán)境危害小、資源化利用程度高等特點(diǎn)，已成為主流的污泥處理方法之一[4]。在實(shí)際的生產(chǎn)中，由于污泥燃燒后氣體的污染物濃度較大，其所占的比例需要嚴(yán)格的控制，不宜過大。因此，考慮采用數(shù)值模擬的方法，分析不同比例混合燃料的亞臨界鍋爐在4種工況下的燃燒特性：100%煤，90%煤加10%污泥，80%煤加20%污泥，70%煤加30%污泥。

1 研究對(duì)象

1.1 鍋爐概況

研究對(duì)象是一臺(tái)亞臨界330MW的四角切圓燃煤鍋爐。此鍋爐為亞臨界壓力、π型布置，采用一次中間再熱，其大氣擴(kuò)容啟動(dòng)系統(tǒng)不帶再循環(huán)泵，單爐膛類型的固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛南北向長14.02m，東西向?qū)?3.64m。

圖1 鍋爐尺寸及風(fēng)口布置

1.2 模型搭建及模擬方法

鍋爐按結(jié)構(gòu)被分為四個(gè)不同區(qū)域，由下到上分別是冷灰斗區(qū)域、燃燒區(qū)、折焰角區(qū)和水平煙道區(qū)。燃燒區(qū)的情況復(fù)雜，存在大量的噴口、且是模擬的關(guān)鍵區(qū)域，因此網(wǎng)格的繪制運(yùn)用適應(yīng)性四面體的劃分方式，該方式不但可減輕運(yùn)算量，并且能使計(jì)算結(jié)果更加貼合實(shí)際、精確。此外，加密了燃燒器噴口處的網(wǎng)格，以盡可能提高網(wǎng)格的合理性及準(zhǔn)確性。而除此之外的其它三個(gè)區(qū)域，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較簡單，網(wǎng)格劃分均采用結(jié)構(gòu)化六面體型網(wǎng)格即可。最終該鍋爐的網(wǎng)格value0.4以下占到了99%以上，網(wǎng)格數(shù)量約為201萬，該鍋爐網(wǎng)格質(zhì)量很好。具體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 鍋爐網(wǎng)格模型

模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型、SIMPLE算法，輻射模型采用P-1模型，燃燒采用非預(yù)混燃燒模型，PDF混合分?jǐn)?shù)法，進(jìn)行了計(jì)算模擬，得出了溫度場等的數(shù)值模擬結(jié)果。

1.3 燃燒組分的化學(xué)組成

煤、污泥的工業(yè)及元素分析如表1，表2所示。

表1 煤的元素分析及工業(yè)分析

2 理論基礎(chǔ)

2.1 理論公式

熱平衡公式為：B0Qar,net=BcoalQar,net+BwnQwn,net，式中：B0為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下煤的燃燒量，kg；Bcoal為摻燒工況下煤的燃燒量，kg；Qar,net為煤的低位熱值，kj/kg；Bwn為污泥的燃燒量，kg；Qwn,net為污泥的低位熱值，kj/kg。

摻燒比的計(jì)算方式為如下：α=Qwn,netBwn/Qf×100%，式中：α為污泥摻燒比例，%；Qf為非摻燒工況下純煤燃燒生成的熱值，kj。

理論空氣量的計(jì)算公式如下：V=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar，式中：V為單位質(zhì)量燃料燃燒消耗空氣量，m3/kg；Car，Sar，Har，Oar為1kg收到基燃料中各元素的含量。

各燃料燃燒所需空氣量的計(jì)算如下：Ba=V10Bwn+V0Bcoal，式中：Ba為輸入鍋爐的空氣量，m3；V10為單位質(zhì)量污泥燃燒消耗空氣量，m3/kg；V0為單位質(zhì)量煤燃燒消耗空氣量，m3/kg。

計(jì)算可得各工況燃料量及所需風(fēng)量如表3所示。

表3 各工況燃料量及所需風(fēng)量

2.2 邊界條件

風(fēng)口尺寸由鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)決定，風(fēng)速的計(jì)算公式如下：v=βBa/(3600ρa(bǔ)S)，式中：V為風(fēng)速，m/s；Β為風(fēng)率，%；S為風(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)、CCOFA風(fēng)及SOFA風(fēng)的溫度按照設(shè)計(jì)參數(shù)定為525K。鍋爐在工況1時(shí)采用額定負(fù)荷下額定風(fēng)速，一次風(fēng)為27m/s，二次風(fēng)為56m/s，CCOFA風(fēng)為56m/s，SOFA風(fēng)為56m/s。

表4 各工況邊界條件輸入?yún)?shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 溫度分布

在額定負(fù)荷下，分別計(jì)算出4種工況的溫度分布情況。

由圖3及圖4所示，爐膛的溫度隨著爐膛高度的升高先增大后減小，滿足四角切圓的鍋爐燃燒狀態(tài)?？砂l(fā)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒區(qū)域的平均溫度在發(fā)生降低，這是由于污泥中的熱值與煤相比小得多，影響了燃料的總熱值，因此溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。此外，由工業(yè)分析可知，污泥的水分和灰分占比也較大，水分在高溫下蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收熱量吸熱，灰分占比大直接導(dǎo)致了可燃物的占比較小。因此在摻10%、20%、30%的污泥的工況下，爐內(nèi)燃燒區(qū)截面上的平均溫度分別減少了60K、101K、130K。

圖3 爐膛溫度分布

圖4 爐膛高度方向的溫度變化

3.2 NOx分布

在額定負(fù)荷下，計(jì)算4種工況下的NOx分布。

由圖5、圖6可知，NOx的質(zhì)量濃度不斷升高，沿爐膛高度分別分析低值和峰值情況，低值出現(xiàn)在燃燒區(qū)域下部，此處為燃料進(jìn)口，是爐內(nèi)發(fā)生燃燒的初始區(qū)域，CO生成量較大，形成了還原區(qū)，總NOx濃度減少；隨著高度增加，燃料在爐內(nèi)切圓中完全燃燒，燃燒最為劇烈，燃料型NO大量生成，NOx濃度出現(xiàn)了一個(gè)峰值；之后，在上層SOFA風(fēng)口輸入的情況下形成富氧區(qū)域，溫度也較高、超過1300℃，熱力型NO大量生成，導(dǎo)致NOx質(zhì)量濃度開始緩慢增大。

圖5 爐膛NOx分布

圖6 爐膛高度方向的NOx變化

隨著污泥含量的增大，與原工況相比鍋爐中NOx的生成量逐漸增大。這是由于，根據(jù)元素分析可知，與煤相比污泥中的N含量高得多，因此可供生成的燃料型NO量較大。此外，NOx的生成量中燃料型占比達(dá)70%以上[5]，因此，燃料中N元素的含量是影響NOx生成的最主要因素。綜上，隨著污泥的比例的增加，在摻燒10%、20%、30%污泥時(shí)，與原工況相比，水平煙道處的總NOx的質(zhì)量濃度逐漸提高。

4 結(jié)語

通過合理運(yùn)用數(shù)值模擬工具，以亞臨界鍋爐作為研究設(shè)備，用污泥作為主要摻燒對(duì)象，定義了4種工況，對(duì)各工況下的溫度及NOx分布進(jìn)行了分析并得出以下結(jié)論：當(dāng)煤粉和污泥混合燃燒時(shí)，由于污泥的含水量較大、熱值較低。因此，隨著污泥摻燒比例的增加，燃燒區(qū)域的溫度是在不斷降低的。在摻燒10%、20%、30%的污泥后，相比于原工況燃燒區(qū)域溫度分別下降了60K、101K、130K；當(dāng)煤粉和污泥混合燃燒時(shí)，由于污泥中所含N元素較多，導(dǎo)致燃料型NO生成增多，隨著污泥比例的增大，水平煙道出口處的NOx質(zhì)量濃度逐漸增大。因此，當(dāng)燃煤鍋爐摻燒污泥時(shí)比例為10%時(shí)較好。