“生物质&有机固废耦合燃烧”专题
燃煤机组耦合生物质直燃发电研究进展:非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型
0 引 言
自第一次工业革命以来,持续大规模化石燃料使用导致的污染物和温室气体排放[1-2],已对人类生存环境和可持续发展产生严重冲击[3-4],引起国际社会广泛且重点关注,各国先后提出了碳减排目标。2020年9月,在第七十五届联合国大会上,中国提出了力争实现在2030年碳达峰和2060年碳中和的双碳战略和目标。早在2016年,我国《“十三五”控制温室气体排放工作方案》已开始推动我国CO2排放在2030年左右达到峰值的战略[5]。为实现双碳目标,必须进行能源革命,大力推进能源生产和消费转型,转向资源丰富的可再生能源[6]。生物质是世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源,储量丰富,可再生和应用潜力大,碳排放接近碳中性,但实际利用率低[7]。目前,生物质能转化与利用主要以热化学转化技术为主,分别为气化、燃烧、热解和液化[8]。与其他技术相比,热化学转化技术具有能耗少、转化率高和易工业化等优势[9]。
我国拥有世界先进水平且规模最大的清洁燃煤发电系统,其中,我国电力企业碳排放在所有工业行业中最大,电力行业排放51亿t,占比46.37%[10]。《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》提出非化石能源发电量占全部发电量比重在2030年要达到60%以上[11]。但根据国家能源局发布《2022年全国电力工业统计数据》显示我国燃煤发电仍占全部发电量的比重超过60%,这与国家战略部署还有一定差距[12]。这主要是目前仍以煤为主的能源消费结构造成。为消除这一差距,除大力发展风力发电、太阳能发电、水力发电、核能发电以外,充分利用现有燃煤发电机组,将生物质与燃煤耦合发电是可行和现实的途径之一,既符合双碳目标又成本低廉,性价比高,同时,也可避免未来以新能源发电为主时这些机组由于碳排放指标和负荷限制导致的设备闲置。国家在“十三五”规划中也提出中国电力行业需大力发展燃煤锅炉掺烧生物质的燃烧技术[13]。
笔者围绕燃煤机组耦合生物质直燃发电在非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型方面的研究进展开展综述,从国内外燃煤机组直燃耦合生物质发电技术的应用历程出发,全面分析直燃耦合非球形生物质大颗粒数值模拟过程中存在的问题,并提出建议,为未来揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑和理论依据。
1 直燃耦合技术及应用
煤与生物质共燃技术是一种利用可再生资源[14]和温室气体减排的手段[15]。煤粉炉直燃耦合生物质只需适当改造现有装置,即可促进锅炉原料灵活性改变。生物质与煤混合燃烧发电不仅可实现CO2快速减排,还具备经济、高效和环保等优点[16],较多国家已开展燃煤锅炉与生物质燃料耦合研究并逐步推进商业化运行,有助于不可再生燃料逐步转变成可再生燃料,农林业生物质直燃耦合燃烧是目前效率最高的一种耦合方式。这些技术在国外已积累了丰富的研究成果和实际电站的应用经验,而我国这方面示范工程偏少,仍存在一些问题。
1.1 耦合燃烧技术
目前,农林生物质耦合燃煤发电技术主要有3种方式:直燃耦合、间接耦合和并联耦合[17]。直燃耦合为在燃烧侧实现混烧,将生物质燃料处理后与煤粉一起放入锅炉燃烧的状态;间接耦合是将生物质气化或燃烧后形成气体送入专用煤粉燃烧器进行耦合,需添加独立气化炉,掺混热量比在3%左右;并联耦合主要是煤与生物质分别在各自燃烧锅炉产生蒸汽下一同进入推动汽轮机耦合发电,理论掺烧量为三者最高,但需增加生物质燃料锅炉和汽轮机进汽管道。
与另外2种方式相比,直燃耦合具有以下优点[18]:① 耦合利用生物质的效率更高;② 利用电厂现有设备和系统,投资成本更低;③ 具备更好的环境优势,如减少CO2、SO2、NOx排放等。直燃耦合最具前景,也是目前电厂的首选[19]。2018年8月,国家能源局和生态环境部印发《关于燃煤耦合生物质发电技改试点项目建设的通知》,强调加快直燃耦合生物质发电关键技术的研究开发[20]。
1.2 国内外直燃耦合生物质技术应用
燃煤机组耦合农林生物质发电技术主要在欧美等国应用较广泛,大都采用直燃方式[21]。
目前,生物质耦合发电已在世界各国240多个电厂应用,其中48%电厂采用悬浮燃烧技术、24%电厂采用鼓泡流化床(Bubbling Fluidized Bed,BFB)、19%循环流化床(Circulating Fluid Bed,CFB)和9%炉排锅炉技术[22]。在欧洲,悬浮燃烧技术在木质生物质耦合燃烧方面取得成功[23],其中英国Drax电厂代表性很强[24],经历4次改造,2004年在单机5%的锅炉最大连续蒸发量(Boiler Maxium Continuous Rating,BMCR)耦合燃烧改造,2008年对全部机组进行10% BMCR耦合燃烧改造,2012年前后对部分机组进行高比例耦合燃烧,燃料为秸秆及林业废弃物制成的颗粒燃料,最终实现100%生物质燃烧改造,可稳定运行,未出现明显结焦和腐蚀问题,投产运行后CO2年减排量减少200万t,同时获得了相应的政府补贴收益,环境和经济效益显著;2015年12月12日巴黎气候协定诞生后,荷兰、英国和丹麦等欧洲国相继制定煤发电下碳排放为零的能源发展战略规划,现阶段,欧洲的燃煤耦合农林生物质发电技术已转向高比例掺混和大容量机组方向。美国生物质耦合发电技术应用也十分广泛,如2017年美国Michigan电厂采用农业秸秆为掺烧燃料,采用专用燃烧器工艺实现了496 MW燃煤机组10%直接耦合,运行良好。其他国外典型燃煤机组直燃耦合农林生物质发电代表性应用情况见表1。
表1 国外典型燃煤机组直燃耦合农林生物质掺烧发电应用情况
Table 1 Application of co-firing biomass power generation in power plants units abroad
近20 a来,我国持续开展了燃煤锅炉直燃耦合生物质燃烧发电工作。2004年,山东十里泉电厂对140 MW煤粉锅炉进行掺烧改造,通过引进丹麦BWE公司独立喷燃系统和生物质燃烧器,掺烧热量比20%,将设计燃料小麦和玉米杆破碎后用气力运输的方式经生物质燃烧器送入炉内与煤粉实现掺烧,这也是国内首个燃煤机组耦合生物质秸秆发电的示范工程。2011年,陕西宝鸡第二电厂在一台300 MW旋流对冲燃煤锅炉上掺烧了生物质成型颗粒,通过小幅改造,采用专用生物质制粉机,参照欧洲直接耦合案例,得到了陕西省政府政策支持。随着双碳目标提出,我国对燃煤耦合生物质发电政策开始陆续出台(表2)。加之2021年燃煤价格大幅上涨,国内各燃煤电厂陆续启动各类生物质掺烧项目。2021年12月华润广西贺州电厂设计最大掺烧量为10万t秸秆生物质的1 000 MW项目机组投产,技术路线类似燃煤电厂污泥耦合及纯生物质发电物料处理。2022年4月,国家能源集团河北龙山电厂600 MW燃煤机组锅炉实现了掺烧核桃壳,采用类似宝鸡第二电厂的技术路线。2022年11月,华能山东日照电厂也完成680 MW机组年掺烧量10万t农林类秸秆生物质成型颗粒燃料项目的试运行阶段,借鉴了欧洲电厂成功的耦合燃烧系统改造案例,安装专用生物质燃烧器。2022年12月,大唐安徽淮北电厂借鉴山东十里泉电厂示范项目技术路线,燃煤机组耦合生物质发电项目完成年掺烧25万t秸秆生物质试运行,也是目前国内首台/套生物质散料直接破碎燃煤耦合掺烧项目,采用散料进厂,厂内破碎耦合燃烧的方式[25]。此外,国家能源集团山东寿光电厂“超超临界燃煤锅炉直接掺烧生物质燃料技术研究与工程示范”科技项目也开工建设,年设计农林废弃生物质掺烧量达25万t。
表2 中国对燃煤耦合生物质发电政策
Table 2 China′s policies on coal-fired coupled biomass power generation
国内现有燃煤锅炉掺烧生物质项目的生物质掺烧量和掺烧比例均较低,且项目投运后实际掺烧量明显小于设计掺烧量[11]。这受原料和技术因素影响,说明目前行业发展处于起步和验证阶段[26]。与煤相比,农林生物质与典型煤种的煤质参数对比[27]见表3,生物质具有不同特性[28],如不易破碎、流动性差、挥发分高、能量密度低、低灰熔融温度等[29],为电厂燃煤锅炉中直接耦合燃烧生物质带来问题和挑战[30],主要是生物质燃料储运过程存在的有害气体、自燃、粉尘污染、燃料破碎和输运、燃烧组织、锅炉受热面积灰结渣与腐蚀[31]、SCR脱硝系统催化剂失活等[32]。由于国内燃煤锅炉直接耦合燃烧生物质项目应用偏少、技术成熟度不足等,上述问题和挑战还没有成熟的解决方案[33]。
表3 农林生物质与典型煤种的煤质参数对比[27]
Table 3 Comparison of coal quality parameters between agricultural and forestry biomass and typical coal types[27]
2 直燃耦合数值模拟
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)已被证明是可用于清洁、高效燃烧过程设计、运行及优化的强有力工具[34-35]。生物质与煤粉在锅炉中的耦合燃烧过程复杂,涉及气固两相湍流、颗粒运动、传热传质、挥发分析出、气相燃烧、焦炭燃烧、污染物生成等众多物理化学过程[26],在国内目前缺乏成熟的技术方案和相关经验的情况下,CFD提供了强大、经济、有效的研究工具[36-37]。
生物质与煤粉直燃耦合燃烧涉及的气固两相流动对整个燃烧过程影响巨大,其中,准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒的运动轨迹是准确模拟整个燃烧过程的基础和关键。
但对于不规则、非球形生物质大颗粒,现有球形粒子运动模型过于简单,难以适用。这是由于传统煤粉燃烧模拟中使用的颗粒运动模型只求解颗粒平移运动方程,往往只保留曳力和重力[38]。然而,目前用于直燃耦合的生物质种类主要有生物果壳类(稻壳、谷壳、棉籽壳、油茶壳、桃壳和花生壳)、生物秸秆类(玉米杆、高粱杆、芦苇杆、稻草、麦秆和豆类)、杂木类(树木、枝叶、树皮和木屑)、生物果芯类(玉米芯)等。这些生物质原料主要有2种破碎方式:① 直接粉碎成燃料,如采用秸秆粉碎与输运系统(图1),取样得到典型秸秆颗粒(图2),可近似为平均直径约2 mm、平均长度约10 mm(单个颗粒最大长度约150 mm)的圆柱体[39]。② 由制粒设备压制成具有高热值和高密度的生物质颗粒成型燃料后再磨制成燃料,如采用2种破碎方式(图3),来自实际悬浮燃烧电站锅炉的生物质颗粒样品如图4所示,颗粒最大3 mm,颗粒平均粒径900 μm,但仍为非球形。与传统煤粉颗粒不同,这些生物质颗粒通常较大且非球形,如杆状、棒状、椭圆状、片状等不规则形状。煤粉燃烧过程中气固两相模型模拟的煤粉颗粒跟随性较好且连续,但非球形生物质大颗粒相对不连续,运动轨迹不同。导致现有模型无法准确模拟这些非球形生物质大颗粒的运动轨迹。与煤粉燃烧模型相比,生物质与煤粉耦合燃烧模型中首先要解决稀相流中非球形生物质大颗粒运动特殊的建模问题——非球形与球形颗粒气固两相动力学差异性[40]。
图1 秸秆粉碎与输运示意[35]
Fig.1 Schematic diagram of straw crushing and transport[35]
图2 从直燃锅炉输送管道中采集的破碎后的秸秆样品[35]
Fig.2 Crushed straw samples taken from a direct fired boiler conveyor line[35]
图3 生物质成型颗粒燃料破碎的2种方式
Fig.3 Two ways of biomass pellet fuel crushing
图4 生物质成型颗粒燃料在2种破碎方式下的木屑颗粒样品直径[35]
Fig.4 Diameter of wood pellet sample of biomass pellet fuel under two crushing methods[35]
3 非球形颗粒气固两相流模型研究现状
目前,CFD模拟气固两相流动方法主要是欧拉法和欧拉-拉格朗日法。欧拉法是将颗粒与流体视为连续介质,颗粒与流体相互渗透,在欧拉坐标系下求解。欧拉-拉格朗日法是将流体作为连续相、颗粒作为离散相,流体在欧拉坐标系下求解,离散相则在拉式坐标系求解。在锅炉内燃烧过程中涉及众多物理化学反应,为减少模拟中出现的伪扩散问题,离散相的建模通常采用拉式参考系中的跟踪完成,使用随机轨道模型预测流体湍流引起的颗粒分散。对于煤粉颗粒,仍使用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)[41]。而对于非球形不规则颗粒,目前有4种方法。
1)简单依赖于球形模型,气体和固体颗粒之间的动量传递用曳力系数CD表示。但此方法下球体表面积与体积比最小,这影响非球形粒子运动和反应[42]。
2)为考虑形状偏离球形(生物质颗粒)的影响,引入颗粒形状因子f(小于1),定义为等体积球体的表面积与非球形颗粒的实际表面积之比。作用在非球形颗粒上的曳力表述为球形颗粒雷诺数和形状因子的函数,仅适用于形状偏差不大且平均雷诺数较小的情况。
3)压力中心与质心不重合时,对于一个非球形质点,升力很重要。在质点上引入一个扭矩,不规则颗粒的运动同时考虑非球形粒子的平移和旋转[43],目前在应用方面还有待更详细和深入的检验。
4)利用点颗粒法(Reynolds Average Navier-Stokes,RANS)和全辨析法(Direct Numerical Simulations,DNS)导出各种非球形粒子的力和力矩系数的新关联式。点颗粒方法非常适合大量颗粒的计算,但模型适用范围有限,如颗粒尺寸要足够小、颗粒雷诺数须满足模型要求等。而DNS通常可较精确模拟单个颗粒的行为,每个颗粒的计算成本较高。这2种方法在研究中相辅相成,需进一步完善[44]。
基于这些方法,专家开展了一些研究工作。如GUO等[45]比较了CFD中3种生物质颗粒的跟踪模型,即传统的球形粒子模型、仅用非球形粒子曳力定律修正的简化非球形粒子模型和同时求解粒子平移和旋转的闭合球形模型。封闭球体模型与传统球体模型相比,颗粒速度标准差更大,颗粒浓度和停留时间更多样化。SCHNEIDERS等[46]以直接数值模拟质点DNS为参考,对不同拉格朗日质点模型的精度进行评估,认为在常用的拉格朗日质点模型框架中,尤其非球形质点需要一个精确的平移和旋转耦合的闭合质点模型。BONEFACIC等[47]在实验室规模的气流床反应器中,建立了煤/生物质混燃圆柱形生物质颗粒的跟踪模型,在运动方程中考虑了曳力、重力、压力梯度力和升力,且曳力和升力的计算与颗粒的取向性有关。然而,并未系统分析粒子受力,而是通过随机跟踪简化。将该模型应用于20%生物质与煤在气流床反应器中混燃模拟,结果表明该模型与试验数据吻合更好。YIN等[35-43]发展了一个跟踪非球形大粒子的封闭模型,同时求解了粒子平移和旋转耦合运动,解决了圆柱形生物质颗粒的平移和旋转耦合问题。该研究模型除考虑重力外,还考虑了曳力、升力、虚质量、压力梯度力等,也考虑了俯仰力矩和反转力矩。该模型准确再现圆柱形颗粒(Polyvinylchloride,PVC)在水箱中的沉降。
对于生物质大颗粒形状偏差对颗粒运动的影响已有一些理论、试验和应用研究[48-49],这些研究方法主要在传统模型中通过将高度不规则的生物质颗粒近似为等体积球体,然后使用修正的曳力系数关联式简化,研究大多是针对微小和无反应的颗粒,导致这几种方法对燃烧炉内生物质颗粒形状和运动变化建模存在不同程度的局限。如文献[50-52]中煤/秸秆悬浮混燃的CFD研究。
为将生物质大颗粒受力分析与相关力矩系数适用于燃煤锅炉直燃耦合生物质的条件,现有模型需进一步发展完善。一方面,在颗粒动力学模型中,对于不同的非球形颗粒形状和流动条件,“横流原理(Cross Flow Principle)”假设可能导致目前在非球形运动模型中使用的关联式不准确,由于将颗粒一些受力进行简化处理,但颗粒在实际流体中运动时,非球形颗粒除受自身重力及碰撞作用外,其与流体还会产生相互作用,进而产生相互作用力,如曳力、浮力、升力、旋转力、虚拟质量力、颗粒间的接触力等。尽管学者对生物质颗粒在流化床中的数值模拟做了大量工作。提出的基于颗粒轨道方法的模型离散单元法(Discrete Element Method,DEM)-CFD耦合的方式,最大特点是允许颗粒在碰撞过程中发生轻微形变和重叠[53],符合生物质颗粒在流化床中的实际碰撞过程,且特别适合用于较稠密的密相颗粒体系[54]。但燃煤锅炉耦合生物质燃烧中含煤粉和非球形生物质大颗粒的气固两相流流动属于稀相流,导致生物质大颗粒在流化床中的模型与在燃煤锅炉直燃耦合中有很大差异。另一方面,近10 a来,不同学者利用颗粒分辨的直接数值模拟(Particle-resolved DNS)导出了各种典型的非球形粒子的曳力、升力系数和力矩系数关联式。如HÖLZER等[55]根据文献试验数据和自身数值研究,提出了一种新的非球形颗粒曳力系数关联式。非球形颗粒通过其最长轴垂直于局部流动方向而使曳力局部最大,且比等体积球形颗粒具有更大的平均速度。ZASTAWNY等[56]评价了现有曳力、升力和俯仰力矩系数的关联式,包括文献中的关联式,并与其采用DNS对椭球颗粒受力的结果进行比较,认为非常有必要建立椭球颗粒的新关联式[57]。OUCHENE等[58]通过拟合长椭球颗粒绕流的颗粒分辨DNS结果,导出并验证了非球形颗粒在大颗粒雷诺数Rep、旋转雷诺数ReR和长宽比β范围内的曳力、升力和俯仰扭矩系数的新关联式。CAO等[59]利用DNS导出了单个圆柱在不同入射角(0~90°)与流体(10≤Rep≤300)的曳力、升力和扭矩系数的关联式。这些新的颗粒形状、颗粒雷诺数和颗粒取向相关的曳力、升力和扭矩系数都可用来计算相关形状的非球形颗粒所受的力和扭矩。研究者在广泛颗粒和流动条件下,采用DNS方法在颗粒群数值模拟方面开展了很多研究,获得一些具有代表性的、更普遍和更精确的非球形颗粒曳力、升力和扭矩系数的关联式[60-61]。对这些具有代表性的曳力系数、升力系数和扭矩系数的新关联式的适用性进行总结[57,60-63],具体见表4。
表4 阻力系数、升力系数和扭矩系数的适用性总结
Table 4 Summary of the applicability of drag coefficient, lift coefficient and torque coefficient
尽管粒子分辨DNS工作(对于工业多相流来说,完全无法计算)主要目标是得到可适用于工程气固多相流数值模拟(点粒子雷诺平均数值模拟)的更普遍、更精确的曳力、升力和扭矩系数。然而,有2个关键问题尚需解决。首先,目前广泛应用的点颗粒RANS模拟只考虑颗粒平移,而未考虑与平移相耦合的颗粒的旋转,尽管后者对非球形燃料颗粒的轨迹继而对燃料颗粒转化都有很大影响。其次,这些最新非球形颗粒的曳力、升力和扭矩系数尚未应用于工程非球形颗粒多相流的数值模拟中,更无法应用到带反应的工程非球形颗粒多相流的数值模拟中。因此,目前广泛应用于工程气固多相流的模拟框架需拓展以正确包括与颗粒平移相耦合的颗粒的旋转,在此基础上实现最新非球形颗粒的曳力、升力和扭矩系数应用,进行交叉验证(Cross Validation)并与试验数据比较[64],才能准确模拟生物质/煤混燃,从而进一步开展设计/运行优化[52]。
4 直燃耦合生物质气固两相动力学模型存在的问题
现有非球形颗粒气固两相流模型研究具有一定局限性,尤其对适用于燃煤锅炉生物质耦合直燃的稀相流非球形生物质大颗粒的气固两相流模型,仍存在一些问题。
目前关于生物质直燃耦合燃煤锅炉的数值模拟,大部分基于数值模拟软件CFD-Fluent自带的球形颗粒运动模型,并未考虑非球形生物质大颗粒的动力学模型对于耦合燃烧模拟结果的影响[64],非球形颗粒不同的受力及旋转都会影响颗粒的轨迹继而影响颗粒的热化学转化[35]。生物质大颗粒燃烧过程中非均相反应(生物质干燥、生物质挥发分析出及焦炭气化)和均相反应(生物质挥发分反应机理及其模型)与非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型的耦合还缺乏研究,不利于正确模拟生物质整个热转化过程,也会影响生物质与煤混燃设计和运行优化[51]。
1)目前工业/学术界广泛应用的多相流点颗粒RANS模拟只考虑颗粒平移,而未考虑与平移相耦合的颗粒旋转,这对小球形或类球形颗粒可行。然而对大的非球形颗粒,尤其是形状严重偏离球形的颗粒,如破碎后的生物质颗粒,目前普遍使用的模拟框架不准确,这是由于非球形颗粒不同的受力及旋转都会对颗粒轨迹继而对颗粒热化学转化产生很大影响。
2)目前极少耦合了非球形颗粒平移及旋转运动的应用于工程多相流问题的颗粒运动模型只限于较低颗粒雷诺数(一般是蓄电池)及纤维状或长圆柱状颗粒,且其中的曳力、升力和扭矩系数很大程度上是经验关联式(如基于横流原理的升力系数),对较大的颗粒雷诺数范围及其他不同形状的非球形颗粒等不具有普适性和准确性。在燃煤锅炉紊流条件下,生物质大颗粒呈不连续性、多形状和高雷诺数特性,显著区别于纤维状或长圆柱状颗粒。新的耦合了非球形颗粒平移和旋转的模型中必须考虑以上因素[43],正确模拟和描述实际燃煤锅炉中生物质混燃,进而可靠进行设计和运行优化。
3)近10 a来,不同学者利用颗粒分辨的直接数值模拟(DNS)导出了各种典型的非球形颗粒的曳力升力系数和力矩系数的关联式,具有较宽广的颗粒和流动条件且具有较好的普适性,主要用于多相流点颗粒的多相流数值模拟。但这些非球形颗粒曳力升力系数和力矩系数的关联式并未与试验数据比较,未真正应用于工业界多相流模拟和燃煤锅炉生物质与煤混燃等复杂的多相流模拟中。
5 结语及展望
1)国家明确大力发展燃煤机组耦合生物质直燃发电技术,并强调加快推进关键技术研发,在国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下,计算流体力学(CFD)可为准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒气固两相动力学特性提供有效的研究工具。
2)非球形颗粒气固两相动力学模型中主要采用工业/学术界广泛应用的多相流点颗粒模拟(RANS),只考虑平移,难以适用非球形生物质大颗粒高雷诺数下含平动、旋转与偏转的更复杂的运动状态;在低雷诺数下基于经验关系式耦合平移与旋转的颗粒运动模型不具有准确性;而利用颗粒分辨的直接数值模拟(DNS)导出典型非球形颗粒的曳力、升力和力矩系数的新关联式,虽有较好普适性,但并未与试验数据比较,未真正应用于工业界的多相流模拟,如燃煤锅炉耦合生物质燃烧。
3)建议加强生物质颗粒高效燃烧气固两相动力学模型的基础理论研究,通过直接数值模拟(DNS)准确导出不同非球形颗粒曳力升力及力矩相关系数,并耦合平移与旋转,与气固两相动力学试验数据交叉验证,构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型,为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。
[1] JAMIL U, KHOJA A H, LIAQUAT R, et al. Copper and calci-um-based metal organic framework (MOF) catalyst for biodiesel production from waste cooking oil: A process optimization study[J]. Energy Conversion and Management, 2020,215:112934.
[2] NAQVI S R, ALI I, NASIR S, et al. Assessment of agro-ind-ustrial residues for bioenergy potential by investigating thermo-kinetic behavior in a slow pyrolysis process[J]. Fuel, 2020,278:118259.
[3] KHAN Z, YUSUP S, ASLAM M, et al. NO and SO2 emissions in palm kernel shell catalytic steam gasification with in-situ CO2 adsorption for hydrogen production in a pilot-scale fluidized bed gasification system[J]. Journal of Cleaner Production, 2019,236:117636.
[4] SHAHBAZ M, AL-ANSARI T, ASLAM M, et al. A state of the art review on biomass processing and conversion technologies to produce hydrogen and its recovery via membrane separation[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2020,45(30):15166-15195.
[5] 国务院关于印发“十三五”控制温室气体排放工作方案的通知[EB/OL].(2016-11-04)[2023-07-26].https://www.gov.cn/zhengce/content/2016-11/04/content_5128619.htm.
[6] BOURGUIGNON D. Biomass for electricity and heating:Opportunities and challenges[EB/OL].(2015-07-17)[2023-07-26]. https://policycommons.net/artifacts/1335955/biomass-for-electricity-and-heating/1942769/.
[7] GAN M, JI Z, FAN X, et al. Insight into the high proportion application of biomass fuel in iron ore sintering through CO-containing flue gas recirculation[J]. Journal of Cleaner Production, 2019,232:1335-1347.
[8] 姚金楠. 我国生物质能源化利用潜力约4.6亿吨标煤[N]. 中国能源报, 2021-09-20(019).
[9] 中国产业发展促进会生物质能产业分会.3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书[R]. 北京: 中国产业发展促进会生物质能产业分会, 2021.
[10] 关大博.中国碳核算数据库[EB/OL].(2022-10-25)[2023-07-26]. https://www.ceads.net.cn/.
[11] 周义, 张守玉, 郎森, 等. 煤粉炉掺烧生物质发电技术研究进展[J]. 洁净煤技术, 2022,28(6):26-34.
ZHOU Yi, ZHANG Shouyu, LANG Sen, et al. Research progress of biomass blending technology in pulverized coal furnace for power generation[J]. Clean Coal Technology, 2022,28(6):26-34.
[12] 国家能源局.国家能源局发布2022年全国电力工业统计数据[EB/OL]. (2023-01-18)[2023-07-26]. https://www.nea.gov.cn/2023-01/18/c_1310691509.htm.
[13] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[EB/OL]. (2016-03-17)[2023-07-26]. https://www.nea.gov.cn/2016-03/18/c_135199768.htm.
[14] LU G, ZHANG K, CHENG F. The fusion characteristics of ashes from anthracite and biomass blends[J]. Journal of the Energy Institute, 2018,91(5):797-804.
[15] LI R, KAI X, YANG T, et al. Release and transformation of alkali metals during co-combustion of coal and sulfur-rich wheat straw[J]. Energy conversion and management, 2014,83:197-202.
[16] 陆王琳, 刘炳池. 电站煤粉炉生物质混燃技术及关键设备分析[J]. 能源研究与信息, 2013,29(1):28-31.
LU Wanglin, LIU Bingchi. Analysis of the biomass co-firing technology and key equipment for pulverized-coal power boilers[J]. Energy Research and Information, 2013,29(1):28-31.
[17] RONI M S, CHOWDHURY S, MAMUN S, et al. Biomass co-firing technology with policies, challenges, and opportunities: A global review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017,78:1089-1101.
[18] VEIJONEN K, VAINIKKA P, JAERVINEN T, et al. Biomass co-firing-an efficient way to reduce greenhouse gas emissions[EB/OL]. (2003-03-15)[2023-07-26].https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/20790851.
[19] BASU P, BUTLER J, LEON M A. Biomass co-firing options on the emission reduction and electricity generation costs in coal-fired power plants[J]. Renewable Energy, 2011,36(1):282-288.
[20] 国家关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知[EB/OL].(2017-12-11)[2023-07-26]. https://info.hebei.gov.cn/hbszfxxgk/329975/329988/330035/6765293/index.html.
[21] 《生物质能发展“十三五”规划》公布[EB/OL]. (2017-08-10)[2023-07-26]. https://www.mnr.gov.cn/dt/kc/201612/t20161207_2321594.html.
[22] ORAVAINEN H. IEA bioenergy Task 32:Biomass combustion and cofiring[C]//VTT Symposium.[S.l.]:Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus,2002.
[23] AL-MANSOUR F, ZUWALA J. An evaluation of Biomass co-firing in Europe[J]. Biomass and Bioenergy, 2010,34(5):620-629.
[24] YI Q, ZHAO Y, HUANG Y, et al. Life cycle energy-economic-CO2 emissions evaluation of biomass/coal, with and without CO2 capture and storage, in a pulverized fuel combustion power plant in the United Kingdom[J]. Applied Energy, 2018,225:258-272.
[25] 国内大型燃煤电厂掺烧生物质发电的项目及行业现状[EB/OL]. (2023-01-06)[2023-07-26]. https://mp.weixin.qq.com/s.
[26] 王俊. 生物质掺混对煤粉锅炉燃烧及NOx排放影响的数值模拟研究[D].济南:山东大学, 2022.
[27] TAMURA M, WATANABE S, KOTAKE N, et al. Grinding and combustion characteristics of woody biomass for co-firing with coal in pulverised coal boilers[J]. Fuel, 2014,134:544-553.
[28] 刘宏宇, 张守玉, 宋晓冰, 等. 抗结渣生物质燃料研究进展[J]. 洁净煤技术, 2020,26(1):22-31.
LIU Hongyu, ZHANG Shouyu, SONG Xiaobing, et al. Advance in the research on slag-resistant biomass briquette preparation[J]. Clean Coal Technology, 2020,26(1):22-31.
[29] VASSILEV S V, VASSILEVA C G, VASSILEV V S. Advantages and disadvantages of composition and properties of biomass in comparison with coal: An overview[J]. Fuel, 2015,158:330-350.
[30] FULLER A, OMIDIJI Y, VIEFHAUS T, et al. The impact of an additive on fly ash formation/transformation from wood dust combustion in a lab-scale pulverized fuel reactor[J]. Renewable Energy, 2019,136:732-745.
[31] REGAN C M, CONNOR J D, SEGARAN R R, et al. Climate
change and the economics of biomass energy feedstocks in semi-arid agricultural landscapes: A spatially explicit real options analysis[J]. Journal of Environmental Management, 2017,192:171-183.
[32] MADANAYAKE B N, GAN S, EASTWICK C, et al. Biomass as an energy source in coal co-firing and its feasibility enhancement via pre-treatment techniques[J]. Fuel Processing Technology, 2017,159:287-305.
[33] 郭慧娜, 吴玉新, 王学斌, 等. 燃煤机组耦合农林生物质发电技术现状及展望[J]. 洁净煤技术, 2022,28(3):12-22.
GUO Huina, WU Yuxin, WANG Xuebin, et al. Current status of power generation technology of the agriculture and forest biomass co-firing in coal-fired power plants[J]. Clean Coal Technology, 2022,28(3):12-22.
[34] KITTO J B, STULTZ S C. Steam:Its generation and use 41st edition[M]. Ohio:Babcock Wilcox Co., 2005:1023-1325.
[35] YIN C. Suspension-firing of biomass for heat and power generation: The perspectives of a closed model for non-spherical particle tracking[J]. Applied Thermal Engineering, 2020,171:115110.
[36] ZHAO L, CLEARY M J, STEIN O T, et al. A two-phase MMC-LES model for pyrolysing solid particles in a turbulent flame[J]. Combustion and Flame, 2019,209:322-336.
[37] WEN X, LUO Y, WANG H, et al. A three mixture fraction flamelet model for multi-stream laminar pulverized coal combustion[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2019,37(3):2901-2910.
[38] TABET F, GÖKALP I. Review on CFD based models for co-firing coal and biomass[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015,51:1101-1114.
[39] LIU Y, WANG X, XIONG Y, et al. Study of briquetted biom-ass co-firing mode in power plants[J]. Applied Thermal Engineering, 2014,63(1):266-271.
[40] 李鑫洋, 蒋鸣, 黄哲庆, 等. 颗粒取向对椭球颗粒气固系统受力的影响规律[C]//第十届全国流体力学学术会议.杭州:[s.n.],2018.
[41] 高硕. 300 MW褐煤锅炉掺烧生物质的数值模拟及优化分析[D].北京:华北电力大学, 2021.
[42] ARIYARATNE W H, MALAGALAGE A, MELAAEN M C, et al. CFD modeling of meat and bone meal combustion in a rotary cement kiln[J]. International Journal of Modeling and Optimization, 2014,4(4):263-272.
[43] YIN C, ROSENDAHL L, K☞R S K, et al. Modelling the motion of cylindrical particles in a nonuniform flow[J]. Chemical Engineering Science, 2003,58(15):3489-3498.
[44] 崔智文, 王泽, 蒋新宇, 等. 非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展[J]. 力学进展, 2022,52(3):623-672.
CUI Zhiwen,WANG Ze,JIANG Xinyu,et al. Numerical study of non-spherical particle-laden flows[J].Advances in Mechanics,2022,52(3):623-672.
[45] GUO N, LI T, ZHAO L, et al. Eulerian-Lagrangian simulation of pulverized biomass jet using spheroidal particle approximation[J]. Fuel, 2019,239:636-651.
[46] SCHNEIDERS L, MEINKE M, SCHRDER W. On the accuracy of Lagrangian point-mass models for heavy non-spherical particles in isotropic turbulence[J]. Fuel, 2017,201:2-14.
[47] BONEFACIC I, FRANKOVIC B, KAZAGIC A. Cylindrical particle modelling in pulverized coal and biomass co-firing process[J]. Applied Thermal Engineering, 2015,78:74-81.
[48] BLASER S. Forces on the surface of small ellipsoidal particles immersed in a linear flow field[J]. Chemical Engineering Science, 2002,57(3):515-526.
[49] FAN F, AHMADI G. Wall deposition of small ellipsoids from turbulent air flows:A Brownian dynamics simulation[J]. Journal of Aerosol Science, 2000,31(10):1205-1229.
[50] BHUIYAN A A, NASER J. Thermal characterization of coal/straw
combustion under air/oxy-fuel conditions in a swirl-stabilized furnace: A CFD modelling[J]. Applied Thermal Engineering, 2016,93:639-651.
[51] YIN C. Coal and biomass cofiring: CFD modeling[M]//New Tre-nds in Coal Conversion.Aalborg:Elsevier, 2019:89-116.
[52] YIN C. Development in biomass preparation for suspension firing towards higher biomass shares and better boiler performance and fuel rangeability[J]. Energy, 2020,196:117129.
[53] 段总样, 赵云华, 庄健崇, 等. 基于DEM模拟研究近壁非球形颗粒的动力学特征[C]//中国力学大会.西安:[s.n.],2022.
[54] 江茂强. 双锥型混合器内颗粒混合及增混机理研究[D].杭州:浙江大学,2010.
[55] HÖLZER A, SOMMERFELD M. New simple correlation formula for the drag coefficient of non-spherical particles[J]. Powder Technology, 2008,184(3):361-365.
[56] ZASTAWNY M, MALLOUPPAS G, ZHAO F, et al. Derivation of drag and lift force and torque coefficients for non-spherical particles in flows[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2012,39:227-239.
[57] OUCHENE R, KHALIJ M, TANIRE A, et al. Drag, lift and torque coefficients for ellipsoidal particles: From low to moderate particle Reynolds numbers[J]. Computers &Fluids, 2015,113:53-64.
[58] OUCHENE R, KHALIJ M, ARCEN B, et al. A new set of correlations of drag, lift and torque coefficients for non-spherical particles and large Reynolds numbers[J]. Powder Technology, 2016,303:33-43.
[59] CAO Z, TAFTI D K. Investigation of drag, lift and torque for fluid flow past a low aspect ratio (1∶4) cylinder[J]. Computers & Fluids, 2018,177:123-135.
[60] SANJEEVI S K, DIETIKER J F, PADDING J T. Accurate hydrodynamic force and torque correlations for prolate spheroids from Stokes regime to high Reynolds numbers[J]. Chemical Engineering Journal, 2022,444:136325.
[61] SANJEEVI S K, KUIPERS J, PADDING J T. Drag, lift and torque correlations for non-spherical particles from Stokes limit to high Reynolds numbers[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2018,106:325-337.
[62] VAN WACHEM B, ZASTAWNY M, ZHAO F, et al. Modelling of gas-solid turbulent channel flow with non-spherical particles with large Stokes numbers[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2015,68:80-92.
[63] FRÖHLICH K, MEINKE M,SCHRÖDER W. Correlations for inclined prolates based on highly resolved simulations[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2020,901:A5.
[64] 邓璠灏. 非球形颗粒曳力系数的实验研究[D].北京:中国石油大学(北京), 2018.
Research progress on direct-fired biomass power generation in coal-fired units:Gas-solid two-phase dynamic model for large non-spherical biomass particles
移动阅读
WANG Jingliang,FANG Qingyan,YIN Chungen,et al.Research progress on direct-fired biomass power generation in coal-fired units:Gas-solid two-phase dynamic model for large non-spherical biomass particles[J].Clean Coal Technology,2023,29(9):14-23.