基于某330_MW煤粉锅炉...元混合物燃烧的数值模拟研究_李双涛.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年 2月上海电力大学学报JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerVol39，No 1Feb2023DOI:10 3969/j issn 2096 8299 2023 01 002收稿日期:2022-04-02通信作者简介:姜未汀(1979)，男，博士，副教授。主要研究方向为有机朗肯循环和余热利用等。E-mail:jiang-weiting618163 com。基于某 330 MW 煤粉锅炉煤粉多元混合物燃烧的数值模拟研究李双涛1，姜未汀1，潘卫国1，倪璐阳1，李子涵2，潘丹露3(1 上海电力大学，上海200090;2 江苏新海发电有限公司，江苏 连云港222023;3 上海理工大学，上海200093)摘要:为了研究煤粉、轮胎颗粒胶粉与污泥颗粒三者混合燃烧的燃烧特性，通过使用 Fluent 软件对锅炉进行建模并进行数值模拟计算。分别分析了煤粉单独燃烧、煤粉与轮胎颗粒胶粉混合燃烧、煤粉与污泥颗粒混合燃烧以及三者共同混合燃烧的模拟结果。分析结果表明，在煤粉燃烧时，掺入一定比例的轮胎颗粒胶粉和污泥颗粒可以提高炉膛的燃烧效率、增强炉膛内燃料的燃尽程度。关键词:电站锅炉;掺烧;煤粉;燃烧特性;数值模拟中图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:2096 8299(2023)01 0005 07Numerical Simulation of the Co-combustion of MulticomponentMixture in a 330 MW PC-fired BoilerLI Shuangtao1，JIANG Weiting1，PAN Weiguo1，NI Luyang1，LI Zihan2，PAN Danlu3(1 Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China;2 Jiangsu Xinhai Power Generation Co，Ltd，Lianyungang，Jiangsu222023，China;3 University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China)Abstract:Combustion characteristics of tire-derived fuel(TDF)and sewage sludge blends werestudied by using a pulverized coal(PC)-fired boiler through a CFD based approach Test were per-formed on pulverized coal combustion alone，co-combustion of coal between TDF and sewage sludge，and combination of them respectively esults indicate that adding a certain proportion of TDF andsewage sludge would improve the combustion efficiency and enhance the burnout of fuel in the boilerKey words:utility boiler;co-combustion;pulverized coal;combustion characteristics;numeri-cal simulation伴随着我国工业化程度快速发展，工业废弃物产量增长较快，其中废旧轮胎颗粒每年增长6%8%，生活污泥颗粒每年增长约 11%。因此，对工业固废物的处理及研究成为了人们关注的重点。目前，电厂对污泥颗粒的处理多以与煤混合进行掺烧，但由于污泥颗粒水分含量大，因而热值较低，在炉膛内的燃烧效果差;与之相比，轮胎颗粒具有较高的热值和挥发分，因此更易着火，燃尽率高。现有研究中，吴秀兰等人1 将对煤粉混合轮胎颗粒燃烧的研究大致分为原形利用、加上海电力大学学报2022 年工利用、热利用 3 种。在热利用中，轮胎颗粒可以作为锅炉的主燃料燃烧，并且日本建立了以废弃轮胎颗粒为燃料的锅炉。李子涵等人2 通过实验证明轮胎颗粒胶粉与煤粉混合燃烧可以使温度增高从而帮助燃烧，但可能会导致锅炉积灰结渣，并且煤粉在低比例混合轮胎颗粒胶粉燃烧时，可以控制污染物的产生，从而减少成本。吕太等人3 利用热重分析方法对污泥颗粒进行了热解特性实验，得出结论:煤的燃烧过程与污泥颗粒的燃烧过程存在明显的差异。苏胜等人4 则通过热重分析得出污泥颗粒与煤的混烧特性从总体上表现为污泥颗粒与煤共同作用的结果，其燃烧特性在某些方面优于污泥颗粒或煤的单独燃烧。因此，本文考虑将两者同时与煤粉进行混合燃烧，深入研究其燃烧特性。1煤粉与轮胎颗粒、污泥颗粒混合燃烧数值模拟1 1理论基础基于锅炉总热量不变的前提，可以得到热量平衡公式为A0Qar，net AcoalQar，net=AdtdfQdtdf，net+AwnQwn，net(1)式中:A0 初始工况下煤的燃烧量，kg;Qar，net 煤的低位热值，kJ/kg;Acoal 掺烧工况下煤的燃烧量，kg;Adtdf 废弃轮胎颗粒的燃烧量，kg;Qdtdf，net 轮胎颗粒粉末的低位热值，kJ/kg;Awn 污泥颗粒的燃烧量，kg;Qwn，net 污泥颗粒的低位热值，kJ/kg。掺烧比的计算方式为1=Qdtdf，netAdtdfQf 100%(2)2=Qwn，netAwnQf 100%(3)式中:1 轮胎颗粒的掺烧比例，%;Qf 非掺烧工况下纯煤燃烧产生的热值，kJ/kg;2 污泥颗粒掺烧比例，%。理论空气量的计算公式为V=0 088 9(Car+0 375Sar)+0 265Har 0 033 3Oar(4)式中:V 单位质量燃料燃烧所需理论空气量，m3/kg;Car、Sar、Har、Oar 收到基燃料中每千克各元素的含量。在掺烧工况下，各燃料燃烧所需空气量的计算为Bin=V01Adtdf+V0Acoal+V02Awn(5)V01=Vdtdf(6)V0=Vcoal(7)V02=Vwn(8)式中:Bin 输入锅炉的空气量，m3;V01、Vdtdf 单位质量轮胎颗粒燃烧所需空气量和理论空气量，m3/kg;V0、Vcoal 单位质量煤燃烧所需空气量和理论空气量，m3/kg;V02、Vwn 单位质量污泥颗粒燃烧所需空气量和理论空气量，m3/kg;过量空气系数，本文根据燃煤锅炉经验参数取值为 1 2。煤、轮胎颗粒、污泥颗粒的元素及工业分析分别如表 1，表 2，表 3 所示。表 1煤的元素分析及工业分析元素分析/%CdrfHdrfOdrfNdrfSdrf低位热值/(kJkg1)工业分析/%MarAarVarFCar79385789851 7132832 386763248516655087表 2轮胎颗粒的元素分析及工业分析元素分析/%CdrfHdrfOdrfNdrfSdrf低位热值/(kJkg1)工业分析/%MarAarVarFCar82576628270 6119334 12306155861353246由表1 表3 可以看出:轮胎颗粒含有高挥发分，易于燃烧，并且热值较高 5;污泥颗粒热值较煤粉与轮胎颗粒更低，水分更大，燃烧效果更差 6-7。本次模拟中使用的是烟煤煤粉、废旧轮胎颗6李双涛，等:基于某 330 MW 煤粉锅炉煤粉多元混合物燃烧的数值模拟研究表 3污泥颗粒的元素分析及工业分析元素分析/%CdrfHdrfOdrfNdrfSdrf低位热值/(kJkg1)工业分析/%MarAarVarFCar373863244256 525536 7648111047745098粒胶粉(以下简称“轮胎颗粒”)以及干污泥颗粒粉末作为燃烧材料，假定三者均经过研磨筛选，粒径在 250 m 左右。选取 10 种不同工况，分别为全煤粉燃烧(工况1)、掺烧10%的轮胎颗粒(工况 2)、掺烧 20%的轮胎颗粒(工况3)、掺烧30%的轮胎颗粒(工况4)、掺烧10%的污泥颗粒(工况5)、掺烧20%的污泥颗粒(工况 6)、掺烧 30%的污泥颗粒(工况 7)、掺烧5%的轮胎颗粒和 5%的污泥颗粒(工况 8)、掺烧10%的轮胎颗粒和10%的污泥颗粒(工况 9)，掺烧15%的轮胎颗粒和15%的污泥颗粒(工况10)。各工况燃料量及所需空气量如表 4 所示。表 4各工况燃料量及所需空气量工况燃煤量/(kgs1)燃煤空气量/(m3s1)轮胎颗粒量/(kgs1)燃烧轮胎颗粒空气量/(m3s1)污泥颗粒量/(kgs1)燃烧污泥颗粒空气量/(m3s1)136 77310150000230 61258 20612447200326 22221 151049766000422 93193 4013761004900536 02303 8100361790635 29297 72007071545734 60291 870010392272834 66292 391057645051104932 78276 39198144595420871031 10262 342822056135829691 2数值模拟方法本次模拟采用了标准 k-epsilon 双方程模型来模拟湍流过程;对煤粉、轮胎颗粒和污泥颗粒三者燃烧时产生的辐射和对流放热则是采用了 p-l辐射模型8;燃烧过程中组分的混合情况通过采用非预混燃烧模型及混合分数/概率密度函数法(Probability Density Function，PDF)方法来模拟。NS 方程采用 Simple 算法来求解;采用一阶迎风来离散对流相9;最后，整合模拟，得到温度场、NOx、气体组分分布等的模拟结果10。根据文献 2 中对煤粉与卡车轮胎粉末的混合燃烧的研究，结果表明三维数值模拟可以有效模拟锅炉掺混燃烧。因此，本文采用相同的设置对煤粉的多元混合掺烧进行研究。2锅炉建模和边界条件确定本次的研究主体是1 台亚临界330 MW 的四角切圆燃煤锅炉。此锅炉为“”型布置的亚临界锅炉，其大气扩容启动系统不带再循环泵，采用一次中间再热、单炉膛类型的固态排渣煤粉炉。整个设备露天安装，采用冷一次风机、正压直吹式制粉系统;采用偏斜角度为 42的摆动式煤粉喷嘴，沿与地面垂直的方向在 4 个切面上布置，形成四角切圆的燃烧方式。炉膛断面尺寸深 14 02 m、宽 13 64 m。此锅炉示意图如图 1 所示。图 1四角切圆燃烧煤粉炉示意此锅炉按结构被分为4 个不同区域，由下到上分别是冷灰斗区域、燃烧区、折焰角区和水平烟道区。燃烧区存在大量的喷口，所以情况较为复杂，是本次模拟的关键，因此此区域网格的划分方式运用了适应性四面体。该方式不但可以减少运算量，7上海电力大学学报2022 年并且能使计算结果更加贴合实际、精确。另外，可以通过加密燃烧器喷口处的网格信息，以提高网格的合理性和精确度。其他的 3 个区域结构比较简单，网格划分也都使用了结构化六面体型网格。最终，该模型的网格在 Value04 上达到了 99%以上，网格总量约为 201 万个，而且网格品质也非常好，可以进行模拟。具体网格划分如图2 所示。图 2锅炉建模网格风口尺寸由锅炉的设计参数决定，风速的计算公式为v=Ca3 600aS(9)式中:v 一、二、三次风风速，m/s;Ca 一、二、三次风风率，%;a 一、二、三次风密度，kg/m3;S 一、二、三次风的风口面积 m2。各工况的边界条件输入参数如表 5 所示。表 5各工况边界条件输入参数工况风速/(ms1)一次风二次风CCOFA 风SOFA 风1270056005600560022637546954695469325925376537653764249951825182518252713562856285628627265654565456547273856815681