350MW燃煤锅炉在富氧下掺烧生物质气的数值模拟.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4294-4304 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125392 文章引用文章引用:曹广懿德,陈帅,胡超.350MW 燃煤锅炉在富氧下掺烧生物质气的数值模拟J.建模与仿真,2023,12(5):4294-4304.DOI:10.12677/mos.2023.125392 350MW燃煤锅炉在富氧下掺烧生物质气的数值燃煤锅炉
2、在富氧下掺烧生物质气的数值模拟模拟 曹广懿德曹广懿德,陈陈 帅帅*,胡胡 超超 上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 收稿日期:2023年6月29日;录用日期:2023年8月28日;发布日期:2023年9月4日 摘摘 要要 为了研究火力燃煤锅炉的碳减排与低氮燃烧技术,本文通过数值模拟方法研究了不同为了研究火力燃煤锅炉的碳减排与低氮燃烧技术,本文通过数值模拟方法研究了不同O2/CO2体积分数比体积分数比的富氧条件下四角切圆锅炉内生物质气与煤粉混燃情况。结果表明:当的富氧条件下四角切圆锅炉内生物质气与煤粉混燃情况。结果表明:当O2浓度高于浓度高于29%时,炉膛整体速时,炉膛整体速度梯度提高,有
3、利于煤粉的充分混合燃烧,从而改善了煤粉的燃烧特性;随着度梯度提高,有利于煤粉的充分混合燃烧,从而改善了煤粉的燃烧特性;随着O2/CO2体积分数比的增加,体积分数比的增加,炉膛内温度整体是提高的,有利于提高炉膛内的换热性能;随着炉膛内温度整体是提高的,有利于提高炉膛内的换热性能;随着O2/CO2体积分数比的增加,炉膛内整体体积分数比的增加,炉膛内整体的的CO2浓度逐渐提高,炉膛出口的浓度逐渐提高,炉膛出口的CO2浓度是浓度是70%77%,有利于,有利于CO2的捕集,同时,炉膛内的捕集,同时,炉膛内NOx的浓度的浓度也逐渐提高,主要原因是炉膛内的温度随着也逐渐提高,主要原因是炉膛内的温度随着O2浓
4、度的增加而上升,由此热力型浓度的增加而上升,由此热力型NOx的产生量更大的产生量更大。关键词关键词 富氧燃烧,生物质气,掺烧比,数值模拟富氧燃烧,生物质气,掺烧比,数值模拟 Numerical Simulation of Biomass Gas Blending in 350MW Coal-Fired Boiler under Oxygen Enrichment Guangyide Cao,Shuai Chen*,Chao Hu School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering
5、Science,Shanghai Received:Jun.29th,2023;accepted:Aug.28th,2023;published:Sep.4th,2023 Abstract In order to study the carbon reduction and low-NOx combustion technology of thermal coal-fired boiler,this paper investigates the mixing and combustion of biomass gas and pulverized coal in a *通讯作者。曹广懿德 等
6、DOI:10.12677/mos.2023.125392 4295 建模与仿真 four-corner cut circle boiler under oxygen-rich conditions with different O2/CO2 volume fraction ratios by numerical simulation,and analyzes the flow,heat transfer and combustion processes in the furnace.The results show that:when the O2 concentration is highe
7、r than 29%,the overall ve-locity gradient in the furnace increases,which is favorable to the full mixed combustion of pulve-rized coal,thus improving the combustion characteristics of pulverized coal;with the increase of O2/CO2 volume fraction ratio,the overall temperature in the furnace is increase
8、d,which is favora-ble to the improvement of heat transfer performance in the furnace;with the increase of O2/CO2 volume fraction ratio,the overall CO2 concentration in the furnace gradually increases.The CO2 concentration at the furnace outlet is in the range of 70%to 77%,which is conducive to the c
9、ap-ture of CO2.Meanwhile,the concentration of NOx in the furnace chamber also gradually increases,mainly because the temperature in the furnace chamber increases with the increase of O2 concen-tration,and thus the generation of thermal NOx is greater.Keywords Oxyfuel Combustion,Biomass Gas,Blending
10、Ratio,Numerical Simulation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 火力燃煤锅炉的燃烧过程中产生大量的污染物 NOx、SO2、CO2以及粉尘等,对环境会造成严重的污染。其中 NOx 的排放控制是电力行业的重点治理领域,近年来,
11、随着国家双碳目标的提出,CO2的减排迫在眉捷1。为有效控制电站锅炉燃烧产生的 NOx 与 CO2,提出在燃煤锅炉中掺烧生物质气,并采用富氧燃烧的方式来实现。富氧燃烧技术是主要的低氮燃烧技术之一2,它是将氧气与循环烟气混合后代替空气作为燃烧氛围,能够使燃烧产生的烟气中 CO2体积分数达到 80%以上,便于电站锅炉经济、节能地实现大规模的碳捕集。从全生命周期来看,生物质在生长过程中吸收的 CO2在燃烧过程中全部释放,对环境而言具有零碳特性3。因此将生物质通过处理形成生物质气并与煤粉混燃,使锅炉燃烧可以兼顾低氮燃烧和碳减排,具有重要的工程实践意义。在国内外相关研究中,文献4 5 6研究表明,生物质与
12、煤在富氧条件下燃烧的最高反应温度比空气氛围的要低,且生物质的加入可以改善煤的燃烧特性;Liu Hao 等7利用顶烧式燃烧炉对比研究 O2/CO2气氛与 O2/N2气氛下火焰燃烧温度,结果表明,富氧气氛中氧浓度在 30%时,煤粉燃烧效率与 O2/N2气氛中基本相同;Liu 等8计算结果表明,相比空气气氛,富氧气氛中 NOx 的排放量将大约减少 75%;Zhang 等9研究表明,在 CO2/O2下挥发分氮在还原区 NO 的转化率增大,而在氧化区抑制了 NO 的转化率。Stanger 和 Singh 等10 11研究表明在富氧条件下,生物质气与煤粉混燃过程产生的 CO2随着氧气浓度的提高而提高,可以
13、采用碳捕集的手段进行收集。因此,在富氧条件下煤粉中掺烧生物质气一方面可以改善煤粉燃烧特性,增强燃烧强度,另一方面,能够提高炉膛出口的 CO2浓度,有利于碳捕集。本文以 350MW 亚临界四角切圆燃烧锅炉为研究对象,通过数值模拟研究不同氧浓度的富氧条件下生煤粉掺烧物质气过程中的炉内流动、传热与燃烧过程,得到了炉膛内的速度场、温度场和气相组分浓度场分布。2.研究对象研究对象 以某电厂 350MW 亚临界四角切圆煤粉锅炉为研究对象,锅炉几何尺寸为 12.43 m 14.62 m 55.8 m Open AccessOpen Access曹广懿德 等 DOI:10.12677/mos.2023.125
14、392 4296 建模与仿真 (长 宽 高)。采用四角切圆的燃烧方式,燃烧器布置于炉膛四角形成切向射流,每组燃烧器高 13,106 mm,并配有 13 层喷口,分别为五层一次风燃烧器(A-E)、五层二次风燃烧器(AA-DE)和三层燃尽风燃烧器(OFA1-OFA3),其中 C 层一次风携带生物质气,其余一次风燃烧器携带煤粉。锅炉燃烧的假想切圆直径分别为 1140 mm 和 1740 mm。燃烧器布置和切圆示意图如图 1 所示。锅炉燃烧采用神化混煤,其特性参数见表 1,生物质气采用秸秆气,其燃料特性见表 2。Figure 1.The schematic diagram of boiler burn
15、er arrangement and circle cutting 图图 1.锅炉燃烧器布置和切圆示意图 Table 1.Proximate and ultimate analyses of coal 表表 1.煤的元素分析与工业分析 工业分析 w ar/%元素分析 w ar/%低位热值/(kJ/kg)w(M)w(A)w(V)w(FC)w(C)w(H)w(O)w(N)w(S)16.00 5.04 28.05 50.91 64.00 3.78 10.08 0.67 0.43 24.320 Table 2.Biomass gas characteristics 表表 2.生物质气的燃料特性 生物质
16、气体积分数/%密度/(kJ/Nm3)显热/(kg/Nm3)空燃比 低位热值/(kJ/m3)N2 CO H2 CO2 CH4 H2O 40.30 25.49 21.53 8.00 0.45 4.23 1.078 1126 1.6 5696 3.建立模型建立模型 3.1.网格划分网格划分 基于研究锅炉的实际尺寸在 Gambit 中建立三维模型,由于本文重点研究富氧下炉膛中煤粉与生物质曹广懿德 等 DOI:10.12677/mos.2023.125392 4297 建模与仿真 气的燃烧过程,以及炉膛出口的烟气排放情况,故而简化了锅炉炉膛上部的过热器与再热器部分。对三维模型采用分区划分网格方法,整体使
17、用高质量六面体网格。针对燃烧器部分容易出现伪扩散的情况,对燃烧器部分采用 Pave 方法12,此方法能够将射流方向与网格线方向基本保持一致,可以有效减小伪扩散问题。同时,燃烧器区域的速度、温度和组分等物理量变化梯度大的特性,对燃烧器区域的网格进行适当加密以保证其模拟精度。分别采用网格数为 78 万、103 万和 130 万来进行网格无关性检验,采用103 万网格进行模拟计算,既能保证计算精度,又能节省计算时间。锅炉纵截面与燃烧器横截面网格如图 2 所示。Figure 2.The grid of boiler longitudinal section and burner cross secti
18、on 图图 2.锅炉纵截面与燃烧器横截面网格 为提高数值模拟计算结果的准确性,选择合适的数学模型十分重要。富氧下煤粉与生物质气的混燃过程中是一个十分复杂的气固耦合燃烧过程,包括气相湍流流动与燃烧,煤粉的热解、挥发分与生物质气的燃烧、焦炭的燃烧、辐射传热以煤粉的运动等过程。本文在进行模拟时,针对燃烧的各个过程选择的数学模型如表 3 所示。其中,气相湍流燃烧采用的混合分数 PDF 模型是把燃烧简化为一个混合问题,流体的瞬时热化学状态与一个守恒量即混合分数f相关。本文模拟的对象包含2种燃料(煤粉和生物质气),使用二混合分数方法,把煤粉流定义为燃料流,生物质气定义为二次流。混合分数的输运方程如下所示:
19、平均(时间平均)混合分数 f 的方程为:()()tmtfvffSt+=+(1)式中:为物质密度;v 为平均速度;t为湍流黏性系数,常数t取 0.85;源项 Sm仅指质量由燃料颗粒(如煤)传入气相中。平均混合分数方差的守恒方程:()()()22222tgtdtfv ffCfCftK+=+(2)式中:fff=;常数t、Cg和 Cd分别取 0.85,2.86 和 2.0;为耗散率;为湍流动能。曹广懿德 等 DOI:10.12677/mos.2023.125392 4298 建模与仿真 Table 3.Mathematical models in numerical simulations 表表 3.
20、数值模拟中的数学模型 类型 模型 气相湍流流动 RNG k 模型 气相湍流燃烧 混合分数 PDF 模型 煤粉热解 双步竞争热解模型 焦炭燃烧 动力/扩散模型 煤粉运动 欧拉拉格朗日模型 辐射传热 P-1 模型 3.2.边界条件与模拟工况边界条件与模拟工况 结合 350MW 四角切圆锅炉的实际运行情况设置边界条件,如表 4 所示。Table 4.Setting of boundary conditions 表表 4.边界条件的设定 项目 参数 入口设置 质量入口边界 出口设置 压力出口边界 40 Pa 壁面 温度 700 K 发射率 0.6 离散相类型 reflect 冷灰斗 温度 460 K
21、发射率 1 离散相类型 trap 煤粉粒径 分布类型 Rosin-Rammler 分布 平均粒径 56 m 分布指数 1.5 本文为研究不同氧浓度的富氧条件下生物质气与煤粉混燃过程中的炉膛流动、燃烧与传热过程,设置了 8 种不同工况,其中 O2/CO2体积分数比分别为 21%/79%、23%/77%、25%/75%、27%/73%,29%/71%,31%/69%,33%/67%,35%/65%,以热量掺烧的方式,从燃烧器 C 层喷口射入热量掺烧比为 30%的生物质气,生物质气量为 44.47 m3/s。8 种工况下生物质气的温度均为 363 K,一次风温均为 337 K,二次风和燃尽风风温均为
22、 484 K,过量空气系数保持为 1.12,具体设置如表 5 所示。曹广懿德 等 DOI:10.12677/mos.2023.125392 4299 建模与仿真 Table 5.Simulation of working conditions 表表 5.模拟工况 工况 (O2)/(CO2)煤粉量(kg/s)总风量(kg/s)一次风量(kg/s)二次风量(kg/s)燃尽风量(kg/s)1 21%/79%24.3 296 74 126 96 2 23%/77%24.3 270 68 115 88 3 25%/75%24.3 249 62 106 81 4 27%/73%24.3 230 58 98
23、 75 5 29%/71%24.3 215 54 91 70 6 31%/69%24.3 201 50 85 65 7 33%/67%24.3 189 47 80 61 8 35%/65%24.3 178 45 75 58 4.计算结果与分析计算结果与分析 4.1.速度场分析速度场分析 Figure 3.Velocity vector diagram(m/s)of section in furnace(y=7.31 m)for different O2 to CO2 volume fraction ratios 图图 3.不同 O2/CO2体积分数比下炉膛中截面(y=7.31 m)速度矢量图(
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