配风方式对燃煤锅炉掺烧污泥影响的数值模拟研究
0 引 言
随着中国经济的迅速发展以及越来越深入的城镇化与工业化进程，城市污水厂的数量迅速增加[1]。由于污水处理过程中不可避免会产生副产物——污泥，同时由于污水处理厂的污水处理能力和效率有所提高，因而近些年污泥产量大幅增长。城市生活污泥富集了污水中各种污染物，有机物含量高、易腐烂、具有刺激性臭味、含有病原微生物和有毒的重金属元素，同时可能含有多氯联苯、二噁英等大量难降解的有毒有害物质[2- 3]。若不科学处理污泥而排放到环境中，会污染生态环境，威胁人类健康[4]。因此，如何对生活污泥进行适宜处置成为重要问题。污泥处置要做到“四化原则”，即减量化、稳定化、无害化以及资源化，通常处理方式有海洋倾倒、卫生填埋、厌氧消化、热解、焚烧等[5]。其中，卫生填埋由于空间不足、成本高、越来越严格的环境政策等原因受到限制。常用的处理技术，如卫生填埋、农用地堆肥、海洋倾倒在许多应用领域受到限制[6-7]。污泥焚烧具有处理速度快、减容率高、处理无害化以及可以回收能量等优点而得到广泛利用[8-9]。但由于污泥通常具有高含水率、低热值的特点，单独燃烧特性较差[10]。因此，污泥与高热值燃料的共烧利用得到广泛关注[11-12]。污泥与煤掺烧不仅可以无害化处理污泥，还可以利用污泥热值发电或对污泥干化，减少了燃煤消耗，是一种广泛利用潜能的污泥共烧处置方式[13]。我国已有十余家燃煤电厂采用污泥与煤掺烧发电或供热，包括流化床掺烧和煤粉炉掺烧[14]。
目前，国内外学者对污泥与煤共烧的研究更多集中在燃烧特性、成灰特性以及污染物排放等方面。Niu等[15]分别研究了市政污泥与烟煤在空气气氛和富氧条件下的燃烧特性，得出污泥与煤的掺混燃料的着火指数和燃尽指数随着污泥占比和加热速率增大而增长。Kang等[16]研究了市政污泥和准东煤掺混燃料的灰熔融特性，结果表明：由于污泥具有较高的磷含量，污泥和准东煤掺混燃料灰中产生了高熔点的磷酸盐，改善了准东煤的成灰特性，提高了灰熔融温度，减缓了准东煤的结渣特性。Zhao等[17]将市政污泥、煤焦化工业污泥分别与烟煤掺混，研究了掺混燃料污染物的排放特性。发现脱硫阶段SO2排放峰值随市政污泥占比增长而增大，而煤焦化工业污泥则影响不大，在焦炭燃烧阶段由于污泥灰的固硫作用，SO2排放被抑制。还得出随着污泥占比的增加，含氮气体排放中HCN浓度大幅增长，而NO浓度则会降低。
目前，由于污泥与煤的反应过程机理复杂，运用数值模拟方法对煤粉锅炉掺烧污泥的研究逐渐引起关注。Hu等[18]模拟了煤粉锅炉中煤与印染污泥混合燃料的燃烧和NOx排放特性。结果表明：印染污泥的含水率为40%、掺混比例为10%时是最佳混合燃料的燃烧特性与NOx排放量。此外，还得出最佳二次风的分配方案是顶部到底部二次风的比例为3∶1∶2∶4。先前研究证明了双混合分数PDF模型比单PDF模型更符合混煤的燃烧过程[19]。因而对于污泥与煤掺混的燃烧过程，有研究人员使用双混合分数PDF模型来模拟污泥与煤掺混的燃烧过程[20]。殷立宝等[21]使用双混合分数PDF模型研究了煤与污泥混烧后的燃烧和污染物排放特性，得出100%负荷下，10%含水率的污泥与煤混烧对炉内燃烧以及污染物浓度没有显著影响，但NOx浓度低于纯煤燃烧工况。由于PDF模型在CFD中输入的是燃料工业分析的干燥基，忽略了燃料中水分对于燃烧过程的影响。对于高含水率的污泥来说，无法准确模拟水分在混合燃料燃烧过程中的影响[22]。而涡耗散模型(EDM)输入的是燃料多种组分的收到基，考虑了水分对混合燃料燃烧过程的影响。已有对污泥与煤掺烧的数值模拟研究主要聚焦在污泥的掺混比例以及含水率等燃料特性对燃烧特性和污染物排放的影响，而对于过量空气系数、配风方式等配风条件对燃煤锅炉掺烧污泥的影响尚未有清晰的认识。
本文针对600 MW四角切圆燃煤锅炉，利用涡耗散模型模拟分析了不同种类污泥在不同掺混比下与煤掺烧过程中燃烧特性和污染物排放，此外，主要分析了主燃区过量空气系数和二次风配风方式对煤泥掺烧的影响，研究结果可以为实际电厂燃煤锅炉掺烧污泥提供可行性的指导方案。
1 锅炉概况
研究对象为600 MW四角切圆煤粉锅炉，锅炉本体高约64.4 m，炉膛深度为16.4 m，宽度为18.54 m。锅炉采用单炉膛结构，呈“Π”型半露天布置，一次中间再热，制粉系统为正压直吹式。燃烧系统为四角布置，切圆燃烧形成逆时针旋向的双假想切圆，主燃区每边切角布置6层一次风喷口，从低到高依次为A、B、C、D、E、F。同时，主燃区每边切角也布置了4层二次风喷口，分别为AA、BC、DE、FF。在燃尽区布置了5层分离式燃尽风喷口(SOFA 1～SOFA 5)。锅炉本体结构、燃烧器截面和喷口布置如图1所示。模拟采用的煤种为淮南烟煤(HNM)，3种生活污泥(WN1、WN3、WN-PJ)样品来自淮南3个污水处理厂。烟煤与污泥样品元素和工业分析见表1，3种污泥不含固定碳，且含水量远高于淮南煤，而发热量远低于烟煤。因此，掺混污泥必然对燃煤锅炉的燃烧过程产生影响。
图1 锅炉本体结构与燃烧器截面
Fig.1 Structure of boiler and cross-section of burner
表1 烟煤与污泥样品元素和工业分析
Table 1 Proximate and ultimate analyses of bituminous coal and sludge samples
2 数学模型和计算方法
2.1 网格划分
本研究采用结构化网格对锅炉几何模型进行了相应的划分，整体网格包括3个子块，为灰斗区域、燃烧器区域和炉膛上部区域。由于燃烧器区域为主要燃烧反应区，且此区域反应十分剧烈，因此在燃烧器区域对网格进行相应加密以便准确模拟该区域的流动特性。此外，为了避免数值发生伪扩散，燃烧器入口的网格线方向与流动方向基本一致，具体网格如图2所示。
图2 锅炉与燃烧器部分网格示意
Fig.2 Grid diagram of boiler and burner
2.2 计算模型
煤粉燃烧过程主要包括热分解、挥发气相燃烧、焦炭燃烧等物理化学过程，这些过程非常复杂。由于涉及的因素很多，在Fluent里选择不同模型得到的模拟结果不尽相同，因而选择合适的计算模型对模拟结果至关重要。本研究采用realizable k-ε湍流模型模拟气相湍流；焦炭燃烧采用动力/扩散控制反应速率模型；辐射传热计算采用P1辐射模型；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒与污泥颗粒的运动。使用有限速率/涡耗散模型(EDM)模拟组分运输和燃烧，采用 EDM 模拟煤泥混烧时，输入的是燃料工业分析的收到基，研究污泥水分对煤泥混烧后锅炉燃烧特性的影响。挥发分析出燃烧为双步反应[23]，设定其摩尔质量，根据煤和污泥工业分析和元素分析的结果，得出煤和污泥挥发分的燃烧过程，反应系数和标准生成焓。第1步生成CO，第2步生成CO2，反应机理见式(1)、(2)。
vol. aO2
bCO cCO2 dH2O eSO2 fN2，
(1)
CO 0.5O2
CO2。
(2)
氮氧化物的生成过程对炉内温度和组分影响不大，因此NOx浓度分布的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布后，独立进行相应模拟计算。由于快速型NOx在煤粉锅炉中生成量很少，因此本文不考虑快速型NOx的生成。NOx生成模型主要考虑了热力型NOx和燃料型NOx。其中，热力NOx生成模型采用经典的广义Zeldovich机理，燃料型NOx则根据De Soete机理[24]。
2.3 模型与网格验证
本研究在100%负荷下燃烧淮南煤，分别设置了3种不同网格数的算例，通过对算例模拟结果进行对比得到能够精确快速计算的网格数目。不同网格数目下，炉膛不同高度横截面的平均温度如图3所示。由图3可知，3种网格数的结果基本一致，说明此时网格数的增加对计算结果影响不大。因此，本研究选取网格数目1 146 781进行数值模拟。
图3 沿炉膛高度方向温度分布
Fig.3 Temperature distribution along the furnace height
炉膛出口参数的仿真结果与实际结果比较见表2。可知与实际结果相比，炉膛出口温度模拟结果的误差只有1.38%。此外，实际运行过程中，炉膛出口含氧量在3.2%，而模拟结果氧含量为3.4%，相对误差为6.25%，满足工程误差允许范围。
表2 炉膛出口参数的仿真结果与实际结果的比较
Table 2 Comparison of simulation results and actual results of furnace outlet parameters
2.4 边界条件及模拟工况
锅炉运行工况为MCR工况，该工况关闭了燃烧器A层。在掺烧不同比例的污泥时，总的燃料量保持269.9 t/h。以纯煤燃烧为例，烟煤给煤量为74.97 kg/s。过量空气系数为1.2，一次风比例占总风量的30%，燃尽风占总风量的30%，一次风温为344.7 K，二次风及燃尽风温为576 K。
在模拟过程中保持炉膛空气过量系数保持1.2不变，考虑到实际磨煤机的负荷出力，保持总的燃料量为269.9 t/h不变，由于污泥高含水率、低热值的特点，污泥掺混会出现负荷一定幅度的下降，具体模拟工况见表3。
表3 模拟工况
Table 3 Simulation condition
3 结果与讨论
3.1 污泥掺混比对掺烧的影响
基于WN-PJ煤样，得到不同污泥掺烧比例下炉膛中心截面温度和流场云图如图4、5所示。可知温度场和流场在燃烧器截面形成一个清晰的环状区，这是由于燃烧器4个角喷入炉膛的煤粉气流在炉内强烈旋转，环状区内流速较高，而环状区两侧流速较低，使得环状区中心形成一个低压区。同时截面温度最高的位置在燃烧器的环形四角处，而中心处温度最低。这表明煤粉射流着火后，在强旋流作用下，不断盘旋上升，炉膛中心温度较低，环流温度高，这表明火焰中心是合理的。
图4 不同污泥掺混比例对温度场的影响
Fig.4 Effect of different mass fraction of sludge on temperature field
随着污泥掺混比例增大，炉膛主燃区的温度降低。这主要是因为污泥热值相较于淮南烟煤较低，随着污泥在掺混燃料占比提高，高热值烟煤量降低，炉膛内烟气温度下降。此外，掺混污泥后燃料中水分增大，进入炉膛中的水分相应提高，在炉膛燃烧过程中水分蒸发吸热，导致沿炉膛高度方向的烟气温度下降。
图5 不同污泥掺混比例对速度场的影响
Fig.5 Effect of different mass fraction of sludge on velocity field
不同污泥掺烧比例下沿炉膛高度方向温度和烟气组分参数分布如图6所示。可知随着污泥掺烧比例的增加，炉膛烟气温度降低。这是由于污泥的主要成分是灰分和挥发分，不含固定碳，故污泥燃烧主要过程是挥发分的析出与燃烧。因此相较于煤粉燃烧的主要过程是固定碳的燃烧，污泥会较早燃烧完全，从而导致后期炉膛中燃料不足，炉膛温度下降。因此污泥掺烧比例不宜过大，较大的污泥掺烧比会使掺混燃料的着火与燃尽特性下降，从而使炉膛温度降低。
图6 炉膛横截面平均温度和烟气组分沿炉膛高度分布
Fig.6 Distribution of average temperature and flue gas components of furnace cross section along furnace height
在炉膛高度方向，主燃烧区域NOx浓度较高，这是由于在主燃烧区域温度很高，产生了大量热力型NOx。高度继续增加，NOx浓度逐渐下降，这是由于温度下降导致热力型NOx排放量下降，同时NOx也被还原导致浓度下降。随着污泥掺混比例增大，NOx浓度有一定程度下降。这主要是随着污泥掺混比例增大，炉膛温度下降，热力型NOx生成量降低。另一方面，虽然污泥的氮含量略高于烟煤，但本文以湿污泥(80%含水率)量为掺混比例，干污泥量相较烟煤量很少，影响较小。同时，污泥挥发分较高，挥发性N生成的HCN导致NOx被还原成NO，造成燃料型NOx下降。因此，掺混燃料的NOx排放量仍然下降。不同污泥掺烧比例下炉膛出口参数见表4。随着污泥比例增大，炉膛出口烟气温度下降，燃尽率下降，飞灰含碳量上升。污泥掺混比例达到25%时，相较于纯煤燃烧，烟气出口温度下降94 ℃，NOx浓度下降53%，但同时飞灰含碳量上升。
表4 不同污泥掺混比下炉膛出口参数
Table 4 Furnace outlet parameters with different mass fraction of sludge
3.2 污泥种类对掺烧的影响
不同污泥种类的炉膛温度和流场分布如图7所示。不同种类污泥炉膛横截面平均温度和烟气组分沿炉膛高度分布如图8所示。由图8可知，WN1在主燃区的烟气温度略高于WN3和WN-PJ，而在主燃区以上WN-PJ温度略高，这可能是主燃区温度较低导致燃料燃烧滞后，从而未燃尽的煤粉颗粒和污泥在燃尽区燃烧剧烈，WN-PJ在主燃区氧气浓度最高也证明这点。3种污泥样品在相同掺混比例下，沿炉膛高度温度相差较小。这可能由于3种污泥干污泥(掺混污泥为含水率80%的湿污泥)占比相对较少，而且3种污泥的成分相差较小，尤其WN-PJ和WN3成分几乎一致。因此，煤粉分别掺混3种污泥间燃烧特性差异较小。
图7 污泥种类对温度场分布的影响
Fig.7 Effect of different sludge types on temperature field
图8 炉膛横截面平均温度和烟气组分沿炉膛高度分布
Fig.8 Distribution of average temperature and flue gas components of furnace cross section along furnace height
污泥掺烧比例为10%时，不同污泥烟煤掺烧炉膛出口参数见表5。可知WN3和WN-PJ的出口参数基本一致，这可能是由于2种污泥的成分基本一致。此外，虽然WN1样品炉膛出口温度与另外2种污泥出口温度基本一致，但飞灰含碳量和NOx排放浓度略高，炉膛出口NOx浓度高比另外2种高9.52%左右。这主要是由于WN1中氮含量相对较高，燃料型NOx生成量高，从而总NOx排放浓度高。
表5 不同污泥种类下炉膛出口参数
Table 5 Furnace outlet parameters under different sludge types
3.3 不同二次配风方式对掺烧的影响
二次风配风方式分别采用倒塔配风、鼓腰配风、均等配风、束腰配风和正塔配风5种方式，相应的配风比例如图9所示。不同配风方式下温度场的分布如图10所示，沿炉膛高度温度和烟气组分分布如图11所示。由图10、11可知，各种配风方式的工况均在炉膛主燃区内形成了高温区域，其中鼓腰配风条件下的温度相对较高。5种二次风配风方式的烟气温度峰值均在主燃区与燃尽区高度之间，这是由于污泥含水率较高，致使掺混燃料燃烧滞后。采用鼓腰配风时，主燃区中部较大的风量使得污泥与煤的掺混燃料在相对充足的氧气条件下充分燃烧，主燃区的烟气温度相对较高。在主燃区下部，倒塔配风下温度较低，可能是下部二次风量小，造成燃料燃烧不完全，从而温度较低，这与主燃区下部倒塔配风型氧气浓度较高相符合。倒塔型配风在主燃区随着炉膛高度升高二次风量增大，烟气温度逐渐升高。鼓腰配风在主燃区NOx浓度峰值远高于其他二次风配风工况，而束腰型配风在主燃区的NOx浓度峰值最低。这主要由于鼓腰配风在主燃区中部二次风量较大，充足的氧含量使得还原性气氛减弱，NOx浓度高，而束腰配风与之相反。
图9 二次风配风方式
Fig.9 Distribution of secondary air
图10 不同二次风配风方式对温度场的影响
Fig.10 Effect of different secondary air distribution on temperature field
在燃尽区及以上部位，束腰型配风烟气温度较高，鼓腰型则温度较低。而束腰型与鼓腰型NOx排放浓度沿高度方向与温度分布趋势相反。
不同主燃区配风工况的炉膛出口参数见表6。可知束腰配风方式的出口NOx排放浓度最低，同时飞灰含碳量较低，而出口温度相对较高，为1 332 K。倒塔配风出口温度最高(1 341 K)，NOx浓度相对较低。而鼓腰配风出口温度最低，可能是鼓腰配风下炉膛主燃区燃烧较为充分，后期燃料不足导致出口温度下降，这与图11中鼓腰配风在主燃区温度较高，燃尽区后温度逐渐下降一致。因此，采用束腰配风和倒塔配风2种配风方式，烟气出口温度较高，同时NOx排放浓度相对较低。
图11 不同二次风下沿炉膛高度温度和烟气组分分布
Fig.11 Distribution of average temperature and flue gas components along furnace height at various secondary air
3.4 主燃区过量空气系数对掺烧的影响
污泥掺混比例10%时，不同主燃区过量空气系数的条件下，炉膛横截面平均温度和烟气组分沿炉膛高度分布如图12所示。可知随着主燃区过量空气系数增长，主燃区烟气温度降低，而在主燃区以上部位温度分布呈相反趋势。这说明主燃区空气量较大时，较大的风量起冷却作用，从而降低了主燃区烟气温度。同时，主燃区较大的风量使得燃料在主燃区停留时间相应减小，因此在主燃区以上温度升高。
表6 不同二次风配风下炉膛出口参数
Table 6 Furnace outlet parameters with different secondary air distribution
图12 不同主燃区过量空气系数下沿炉膛高度温度和烟气组分分布
Fig.12 Distribution of average temperature and flue gas components along furnace height with differentexcess air coefficient
主燃区过量空气系数为0.72时，氧量消耗较为剧烈，主燃区氧量一直处于较低状态。而主燃区过量空气系数为0.96时，由于主燃区空气量充足，氧量一直较高。同时，随着主燃区过量空气系数增大，NOx浓度随之上升。这是由于主燃区过量空气系数较小时，较低的氧气量会在主燃区形成还原性气氛，从而抑制氮氧化物的生成。随着主燃区过量空气系数增大，较高的氧气含量使得还原性气氛减弱，NOx浓度相应提高。主燃区空气量较大时，相应在燃尽区的风量越小，还原性气氛越强，NOx浓度下降较快。因此，控制氮氧化物的生成，需要平衡不同区域内的氧量，需要合适的主燃区过量空气系数。
不同主燃区过量空气系数炉膛出口参数的对比见表7。可知随着主燃区过量空气系数的增大，NOx浓度不断增加，出口温度略有升高。当主燃区过量空气系数从0.72增长到0.96，出口温度仅提高了15 K；过量空气系数分别为0.84和0.96时，出口温度基本一致。主燃区过量空气系数0.96与0.84相比，出口温度基本一致，而NOx浓度则大幅度增长，增长了67.16%，燃尽率略有降低。
表7 不同主燃区过量空气系数炉膛出口参数
Table 7 Outlet parameters of furnace with different excess air coefficient in main combustion zone
4 结 论
1)随着污泥掺混比例提高，掺混燃料燃烧特性变差，炉膛内烟气温度呈下降趋势，NOx浓度降低，而飞灰含碳量增加。因此，掺混污泥比例不宜过大，较高的掺混比影响炉内燃烧的稳定性。
2)二次风配风方式影响煤泥掺烧过程中燃烧和污染物排放特性，由于相同污泥掺混比下炉膛出口NOx浓度最低，仅有156.42 mg/m3，且对出口温度影响较小(1 332 K)，推荐采用束腰配风方式。
3)随着主燃区过量空气系数增加，炉膛出口温度增长较小，而出口NOx浓度则大幅度增长。主燃区过量空气系数由0.72增长到0.96，出口NOx浓度约增长了50.4%。比较3种主燃区过量空气系数对污泥掺混燃烧特性和污染物排放特性的影响，推荐主燃区过量空气系数采用0.84。
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