60MW机组燃煤锅炉耦合生物质气再燃数值模拟.doc
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1、60MW机组燃煤锅炉耦合生物质气再燃数值模拟摘要:为了研究不同高度生物质气再燃喷口对锅炉燃烧过程等的影响,基于Fluent软件,搭建燃煤耦合生物质气模型,对某公司660MW机组煤粉炉耦合生物质气再燃过程进行了数值模拟,研究生物质气喷口位置对锅炉温度场、NOx的排放量和烟气中各组分变化的影响。结果表明:燃煤锅炉耦合生物质气再燃会导致炉膛烟气出口温度升高,并且随着生物质气喷口高度的增加而增加;生物质气再燃能降低NOx的排放量,生物质气喷口位于再燃区上部、中部、下部时NOx排放的平均质量浓度分别为22.32、210.19、239.58mg/m3其中生物质气喷口位于再燃区中部的效果最好,与原始工况NO
2、x排放平均质量浓度291.96mg/m3相比,下降了2.01%;生物质气再燃增加了烟气中CO的体积分数,并且随着生物质气喷口位置的增高而增加。生物质气和大型燃煤锅炉机组耦合发电,不但能提高生物质利用效率,还能降低污染物的排放1。生物质与燃煤机组耦合运行是消纳秸秆和农林废弃物,污泥垃圾等燃料的有效途径2。李国林等3-5结合我国实情,阐述了生物质气耦合的必然性;王一坤等6-8研究分析了我国燃煤耦合生物质气发电的现状;李振山等9-11研究了生物质气还原NOx的反应机理并验证了生物质气掺烧可以减少NOx的生成量;孙俊威等12利用Fluent软件研究了生物质气再燃对污染物排放的影响,发现生物质气再燃可以
3、降低NOx的排放;殷仁豪等13-17研究了生物质气再燃对污染物排放的影响,发现生物质气对污染物中的NOx有很高的还原率;徐皓鹏等18研究了燃煤与生物质气混燃的燃烧特性及对污染物排放的影响,发现掺烧生物质气不仅可以降低污染物排放,而且对锅炉运行影响较小;NihadHodzic等19研究了煤与生物质、天然气共燃对污染物排放的影响,发现通过燃料和空气分级可以降低NOx的生成;吴智泉等20通过系统能流、烟流分析模型,分析生物质气化-燃煤耦合发电系统能量流动及损失分布,采用科学合理的燃气配气方式,锅炉燃烧稳定性几乎不受影响。本文基于Fluent软件,对不同高度生物质气喷口对660MW机组煤粉锅炉耦合生物
4、质气再燃过程进行数值模拟,对比分析不同高度生物质气喷口对锅炉炉膛温度、烟气组分分布和NOx排放的影响,为燃煤耦合生物质气再燃提供参考数据。1实验对象及方法1.1锅炉概况本文研究对象为某660MW机组亚临界、一次再热、控制循环、四角喷燃燃煤锅炉。锅炉炉膛宽19.558m,深16.44m,高约为57m。燃烧器呈四角切圆布置,一次风喷口总计24个,二次风喷口总计28个,一次风喷口与二次风喷口间隔布置,燃尽风喷口总计8个。一次风喷口面积为0.6m0.6m,二次风喷口面积为0.60m0.75m,燃尽风喷口面积0.60m.75m。锅炉主要设计参数见表1。利用GAMBIT软件对锅炉按1:1建模,并划分网格数
5、约为70万。炉膛结构、燃烧器喷口布置与网格划分如图1所示。1.2数学模拟与计算方法燃煤耦合生物质气是一个复杂的燃烧过程。其数学模型既包含湍流流动、离散相运动和气固两相与炉膛壁面间的对流,也包含挥发分析出、焦炭燃烧和辐射传热。锅炉模拟流程如图2所示。气相湍流运动釆用k-模型;釆用非预混燃烧模型,把化学反应速率计算问题转化为流动混合问题,进而也解决了化学反应速率难以求解的问题。其中,煤以主要流、经验流的形式通入,生物质气以次要流、非经验流的形式通入P1模型求解煤粉燃烧的辐射传热较准确,因此采用P1模型;焦炭的燃烧釆用动力/扩散限制模型;采用Simple算法求解计算离散方程组的压力和速度耦合,先冷态
6、后热态,最后再计算NOx排放质量浓度。1.3生物质气与燃煤再燃过程理论基础生物质气再燃,是将生物质气作为二次燃料投入主燃烧区与燃尽区之间的区域,在这里煤粉燃烧产生的NOx与炷根O2i和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm发生还原反应,生成N2,最终减少NOx生成量。利用这一原理,把炉膛高度自下而上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区。1.4燃料分析及边界条件设定试验选取煤种为阜新烟煤,其工业分析和元素分析见表2。生物质气采用4509的松木气,松木气成分基于Aspen软件根据松木特性模拟获得22,结果见表3。所有入口设为速度入口,并根据各喷口数量分配风量;出口设为压力出口,负压为-80Pa;壁面采用
7、无滑移边界条件,主燃烧区域壁面温度为1000K,再燃区域壁面温度为950K,燃尽区域壁面温度为900K。炉膛主要计算参数设置见表4。1.5研究工况将生物质气通入锅炉再燃区域,再燃区位于锅炉的主燃区和燃尽区之间。为了保证通入的生物质气不影响锅炉切圆燃烧,生物质气通入口位于锅炉炉膛四个角落,通入角度与锅炉燃烧器一二次风通入角度一致。本文针对不同高度生物质气喷口对煤粉炉影响的数值模拟。一二次风和燃尽风的位置保持不变,在再燃区设置生物质气喷口。原工况和3种不同掺烧工况生物质气喷口布置如图3所示。各工况下一二次风、燃尽风吉生物质气喷口的流速设置见表5。2实验结果分析2.1模型结果验证通过对比文献23中,
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