摘要：針對生物質(zhì)氣摻燒，采用Fluent軟件，考察了不同摻燒比例、不同燃?xì)鉅t負(fù)荷下，鍋爐的燃燒工況和NO排放情況。模擬結(jié)果表明：摻燒生物質(zhì)氣后，燃燒室內(nèi)火焰向下偏移程度減弱，煙氣流動均勻程度提高，火焰沖擊減弱;一次換熱管內(nèi)煙氣速度提高0.5~2m/s，速度差異由3.6m/s降低至2.7m/s，二次換熱管出口煙氣速度差異也相應(yīng)減小;83.3%負(fù)荷以下，出口煙氣溫度顯著降低，為確保燃燒穩(wěn)定，摻燒比例設(shè)定在15%~20%較為合理;部分CH4燃燒位置后移，燃燒室壁面溫度降低400~600K。同時(shí)，NO排放質(zhì)量濃度及排放量在摻燒生物質(zhì)氣后均顯著下降。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)氣;摻燒;燃燒工況;NO排放;數(shù)值模擬
隨著我國“碳中和”及“碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出，對傳統(tǒng)化石能源替代品的需求將進(jìn)一步增加。生物質(zhì)顆粒摻燒作為一種切實(shí)可行的方法[1]，在煤電企業(yè)中已有較多應(yīng)用，而生物質(zhì)氣的應(yīng)用相對較少。我國從1998年便已開始投建生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目[2]，但規(guī)模有限，多為示范項(xiàng)目。2006年國能單縣生物質(zhì)發(fā)電廠并網(wǎng)發(fā)電，之后生物質(zhì)開發(fā)利用速度緩慢[3]，其原因主要為工藝限制、設(shè)計(jì)困難、經(jīng)濟(jì)性低等[4]。生物質(zhì)原料在農(nóng)村地區(qū)獲取方便，且小型生物質(zhì)氣化裝置技術(shù)成熟，制造簡單，符合低強(qiáng)度能源需求[5-9]。若有效利用該類生物質(zhì)氣，將改善當(dāng)下低強(qiáng)度能源消費(fèi)以煤炭、天然氣及柴油為主的組成結(jié)構(gòu)[10]。
目前，農(nóng)村等地區(qū)小型天然氣鍋爐使用廣泛，限于成本因素，配置脫硝設(shè)備的較少，且存在燃燒效率低、安全性差等問題。學(xué)者對小型燃?xì)鉅t的燃燒運(yùn)行進(jìn)行了廣泛研究，陳衛(wèi)杰等[11]發(fā)現(xiàn)15%的天然氣分級燃燒可減少NOx的排放;趙巖等[12]針對小型鍋爐尾部管道運(yùn)行安全問題提出了預(yù)防措施;Lee等[13]研究了預(yù)混燃燒器在燃?xì)鉅t中的應(yīng)用;張軍等[14]利用AspenPlus對煙氣余熱的利用工藝進(jìn)行了優(yōu)化;王紀(jì)曄等[15]提出以水蒸氣作為稀釋劑可降低NOx排放。
上述研究多以天然氣等為燃料關(guān)注燃燒方式的優(yōu)化，已經(jīng)較難進(jìn)一步降低NOx排放。而生物質(zhì)氣燃燒溫度低于天然氣，可減少NOx產(chǎn)生，用其對天然氣鍋爐進(jìn)行摻燒具有一定的環(huán)保潛力。本文以現(xiàn)有的燃?xì)鉅t摻燒生物質(zhì)氣為研究對象，采用Fluent軟件，通過數(shù)值模擬考察了不同摻燒比例(0、10%、15%、20%、25%)、不同燃?xì)鉅t負(fù)荷(50%、66.7%、83.3%、100%)下，鍋爐燃燒和NO排放情況，以期得出生物質(zhì)氣的摻燒特性，為相關(guān)應(yīng)用提供參考。
1燃?xì)鉅t摻燒生物質(zhì)氣模擬
1.1燃?xì)鉅t結(jié)構(gòu)
研究對象為某公司生產(chǎn)的1.4MW燃?xì)鉄崴仩t，布置形式為臥式，出水溫度為85°C，回水溫度60°C，用于大型建筑或城鄉(xiāng)偏遠(yuǎn)地區(qū)冬季供熱。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)為在燃燒室上方布置有兩級換熱管，相對于單級換熱鍋爐能量利用率有所提升，設(shè)計(jì)值可達(dá)90%以上，并在入口增加了生物質(zhì)氣燃燒器。
天然氣燃燒器直徑200mm，布置于爐膛入口中心;生物質(zhì)氣燃燒器入口為圓環(huán)，其中心與天然氣燃燒器相同，內(nèi)直徑為200mm、外直徑為400mm;燃燒室為柱體，長為2135.5mm，直徑為600mm，燃燒室入口設(shè)置過渡區(qū)域;換熱管直徑為51mm，長為2018.5mm，錯(cuò)排布置，同層間距80mm，層間距70mm，一次換熱管數(shù)目78根，二次換熱管數(shù)目87根，出口設(shè)置匯聚空間;出口截面為矩形，寬度為343mm，高度為146mm，長度為412mm。在燃?xì)鉅t中，射流在燃燒室內(nèi)燃燒后，在后部發(fā)生轉(zhuǎn)向，并向上流動，進(jìn)入一次換熱管內(nèi)，通過連接部分轉(zhuǎn)向進(jìn)入二次換熱管，在出口區(qū)域匯集流出。
1.2摻燒條件
以該型燃?xì)鉅t為例，在實(shí)際運(yùn)行中，考慮煙氣阻力，換熱管內(nèi)煙氣平均速度提高程度應(yīng)低于5m/s。同時(shí)為避免局部換熱惡化，火焰需盡量靠近燃燒室中央，并在不同負(fù)荷下保持穩(wěn)定。燃?xì)鉅t設(shè)計(jì)天然氣熱值為8850kJ/m3，100%燃?xì)鉅t負(fù)荷下，天然氣消耗量為120m3/h。以易獲取的玉米秸稈為生物質(zhì)原料，其含水率約15%~22%，其氣化燃?xì)鉄嶂禐?635kJ/kg。依據(jù)相關(guān)研究，為獲得較高熱值，氣化爐內(nèi)平均溫度可控制為750°C[16]。
生物質(zhì)氣的熱值較低，等熱量完全替代天然氣會使耗氣量過大，且射流速度過高，現(xiàn)有燃?xì)鉅t內(nèi)流程轉(zhuǎn)折大，煙氣流動結(jié)構(gòu)阻力增大，導(dǎo)致能耗和排煙熱損失增加。將生物質(zhì)氣與天然氣組合使用，煙氣流動阻力有所增加，但遠(yuǎn)低于完全改用純生物質(zhì)氣燃燒的情況。以入爐總熱值不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，對不同氣體比例的生物質(zhì)氣摻燒進(jìn)行研究。同時(shí)，參考東北某市供熱站在2020年12月份的基本供熱負(fù)荷(日均負(fù)荷72%，最低負(fù)荷位于50%以上)，設(shè)置4個(gè)負(fù)荷工況。
1.3網(wǎng)格設(shè)置
模擬中射流造成的卷席明顯，煙氣雙回程換熱，速度矢量變化大，渦流數(shù)目多，網(wǎng)格偽擴(kuò)散等情況造成的誤差影響不大。為提高計(jì)算精確性，避免結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導(dǎo)致的局部流線過于平直理想化，在計(jì)算力允許時(shí)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分[17]，在爐膛和一次換熱管部分進(jìn)行加密。相同工況下計(jì)算不同網(wǎng)格數(shù)模擬時(shí)的出口溫度。結(jié)果為當(dāng)網(wǎng)格密度增加，出口截面平均溫度下降。其中，網(wǎng)格數(shù)為73萬時(shí)為460K，88萬時(shí)為443K，97萬時(shí)為432K，118萬時(shí)為427K，151萬時(shí)為423K。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到151萬時(shí)，其與網(wǎng)格數(shù)為118萬時(shí)的計(jì)算結(jié)果差異僅為0.95%，但計(jì)算時(shí)長增加了50%以上，故選取網(wǎng)格數(shù)為118萬。
1.4理論模型及假設(shè)
爐膛壁面和換熱管設(shè)置為80°C等溫?fù)Q熱;爐膛出口由風(fēng)機(jī)建立-80Pa微負(fù)壓;湍流模型選用k-ε可實(shí)現(xiàn)型，輻射模型P1;入口為速度入口，出口為壓力出口，精度二階，Simple算法。為便于研究，對模型進(jìn)行合理簡化，考慮燃燒熱值來源，簡化天然氣組成為CH4。天然氣和生物質(zhì)氣成分穩(wěn)定，不考慮長期使用后結(jié)垢對換熱的影響，不考慮入口工質(zhì)溫度的影響，天然氣和生物質(zhì)氣初始溫度都為300K。
2模擬結(jié)果與討論
2.1模擬結(jié)果驗(yàn)證
不同負(fù)荷下，使用純天然氣燃?xì)鉅t出口煙氣溫度實(shí)測值與模擬值變化，實(shí)測值大于模擬值，其主要原因是在長期運(yùn)行中，燃?xì)鉅t水側(cè)存在結(jié)垢的可能，同時(shí)入口天然氣實(shí)際初溫可能高于300K?？傮w看來，實(shí)測值與模擬值差異較小，隨負(fù)荷變化趨勢相同。
2.2摻燒工況分析
以燃燒器入口射流反方向?yàn)閄軸正方向，垂直相反方向?yàn)閆軸正方向，側(cè)向水平方向?yàn)閅軸正方向。
2.2.1速度分布
使用生物質(zhì)氣進(jìn)行摻燒，對流場的影響區(qū)別于燃料分級燃燒。在使用分級燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物及化學(xué)反應(yīng)放熱特性一定。采用生物質(zhì)氣摻燒，因生物質(zhì)氣熱值低，保證輸入總能量不變時(shí)，體積流量變大;同時(shí)燃燒產(chǎn)物發(fā)生變化，而化學(xué)反應(yīng)放熱對氣體密度的影響較大，故多種因素綜合影響火焰形狀變化。以負(fù)荷為83.3%、摻燒比例為0和20%為例，燃燒室內(nèi)Z-X截面，3個(gè)垂直高度上火焰射流沿X方向分速度。
u點(diǎn)高度在摻燒比例為0時(shí)，X軸0m處(燃燒器入口)附近因渦流分速度較低，-1.0m處速度最高;后隨著火焰向下偏斜，上部煙氣速度下降;至-2.0m處開始上升，并在-2.5m處接觸壁面而轉(zhuǎn)向，分速度迅速下降至0m/s。在摻燒比例為20%時(shí)，渦流尺寸縮減導(dǎo)致入口波動消除，速度上升較平緩;同時(shí)火焰并未下降偏斜，-2.0m前速度無下降。m點(diǎn)高度受天然氣速度影響，雖煙氣速度下降，但中間射流剛度大，火焰形狀并未發(fā)生改變。d點(diǎn)高度在摻燒比例為0時(shí)，在入口區(qū)別于u點(diǎn)無明顯的渦流;后因下方火焰射流開始偏斜，在-0.7m處速度迅速上升，并在-1.0m后保持高速度直至與后方壁面接觸，該段距離內(nèi)，射流貼下部壁面的可能性較大。
在摻燒比例為20%時(shí)，入口速度上升較為平緩，同時(shí)后部速度也有所下降?？傮w上摻燒比例為0時(shí)，中間大部區(qū)域內(nèi)m點(diǎn)高度上的速度最高，d點(diǎn)次之，u點(diǎn)最低，差異在2m/s左右，這也是導(dǎo)致底部煙氣溫度高的主要原因。但摻燒比例為20%時(shí)，中間區(qū)域u、m、d點(diǎn)高度上的速度都維持在8m/s左右，煙氣速度均勻程度明顯提高。
燃燒室出口的煙氣速度分布直接影響熱管內(nèi)的煙氣流動。在66.7%負(fù)荷下，摻燒比例為0和15%時(shí)，X軸為-2m處Z-Y截面，摻燒生物質(zhì)氣使得燃燒室出口的高速度煙氣分散，沖擊減小，便于煙氣轉(zhuǎn)向。整體看來，摻燒后進(jìn)入一次換熱管內(nèi)的煙氣速度有所提高(0.5~2m/s);未摻燒前靠近燃燒室側(cè)煙氣管速度較低，摻燒后該情況有所緩解，煙氣速度間差異也由3.6m/s降低至2.7m/s。摻燒前，二次換熱管出口部分速度較高的區(qū)域位于上部，摻燒后整體均勻程度有所提高。
2.2.2出口溫度
在不同負(fù)荷及摻燒比例下出口煙氣溫度變化，各工況下，負(fù)荷上升，出口煙氣溫度隨之上升，呈現(xiàn)明顯的線性變化。摻燒生物質(zhì)氣后，煙氣溫度降低幅度約為15~20K。相同負(fù)荷時(shí)，摻燒比例上升溫度下降且下降幅度減小。在個(gè)別工況下，摻燒會導(dǎo)致燃燒波動，以50%負(fù)荷下?lián)綗壤?5%為例，出口溫度下降較多。
負(fù)荷低于66.7%時(shí)，爐內(nèi)燃燒所需的風(fēng)量和總體煙氣量較小，生物質(zhì)氣體積相對變大;隨摻燒比例變化，煙氣溫度變化較大，對穩(wěn)定燃燒呈負(fù)面影響。100%和83.3%負(fù)荷下，由出口溫度推測，爐內(nèi)燃燒情況處于穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)荷低于83.3%，出口溫度變化較大，爐內(nèi)燃燒情況發(fā)生劇烈改變。此時(shí)，摻燒比例應(yīng)當(dāng)限制在15%~20%，減少燃燒波動。
2.2.3燃盡程度
生物質(zhì)氣H2含量較高，過量空氣系數(shù)為1.2，摻燒后易燃盡，此時(shí)影響燃料利用效率的主要為天然氣燃燒情況。83.3%負(fù)荷不同摻燒比例下，燃燒室后部X軸-2.22m處Z軸方向上CH4的含量(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同)。未燃的CH4主要集中在Z軸0m附近，摻燒后未燃的CH4含量明顯上升;在-0.3m和0.25m附近CH4含量明顯下降，此為生物質(zhì)氣攜帶的O2加速了CH4反應(yīng);隨著摻燒比例的上升，區(qū)域兩邊CH4含量下降的幅度變大，但中間區(qū)域CH4含量基本不變。進(jìn)一步可知，生物質(zhì)氣中的過量O2并不能在燃燒室內(nèi)與天然氣完全混合，少量CH4的燃燒位置將被推后至一次換熱管前及管內(nèi)區(qū)域。
2.3NO排放分析
2.3.1含量分布66.7%負(fù)荷不同摻燒比例下X軸-2m處Z-Y截面的NO含量分布。影響NO含量的主要因素之一為溫度，未摻燒生物質(zhì)氣時(shí)爐膛溫度較高，且部分區(qū)域煙氣流速較低，NO未被及時(shí)帶走，雙重因素導(dǎo)致含量提高。而其下方存在NO含量較低區(qū)域，該區(qū)域?yàn)榛鹧嫔淞?，溫度較低，煙氣流速較高。一次換熱管上部和二次換熱管中間區(qū)域NO含量較高，說明該區(qū)域內(nèi)的煙氣主要來源于燃燒室中NO含量較高區(qū)域。采用生物質(zhì)氣摻燒后，燃燒室內(nèi)NO含量明顯下降，隨著摻燒比例的增加，爐膛壁四周的NO含量明顯下降，截面內(nèi)的NO含量差異降低。一、二次換熱管煙氣中NO含量的分布趨勢與未摻燒時(shí)相同，其濃度差異亦有減小。
2.3.2出口質(zhì)量濃度與排放量
摻燒生物質(zhì)氣后出口煙氣NO質(zhì)量濃度明顯減少，未摻燒時(shí)，排放濃度隨負(fù)荷增長而增長。摻燒后負(fù)荷相同時(shí)，排放濃度隨摻燒比例增長而降低，且出口煙氣NO質(zhì)量濃度均低于80mg/m3，滿足大部地區(qū)的排放要求。
3結(jié)論
模擬了燃?xì)鉅t摻燒生物質(zhì)氣和天然氣，對不同負(fù)荷及摻燒比例下鍋爐燃燒和NO排放情況進(jìn)行了研究。摻燒生物質(zhì)氣后，燃燒室內(nèi)火焰下偏減少，一次換熱管內(nèi)煙氣流速提高0.5~2m/s，煙氣流速均勻程度提高;當(dāng)燃?xì)鉅t負(fù)荷低于83.3%，出口煙氣溫度變化較大，摻燒比例應(yīng)控制在15%~20%，減少燃燒波動;少量CH4燃燒位置被推后至一次換熱管前及管內(nèi)區(qū)域;燃燒室渦流減弱，壁面溫度下降400~600K，煙氣能量整體分布較均勻，發(fā)生局部熱應(yīng)力過大概率明顯減少;NO排放質(zhì)量濃度隨摻燒比例上升而大幅下降，NO單位時(shí)間排放量亦下降明顯。
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作者：戚勝，李想
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