W型燃煤锅炉掺烧酒糟的数值模拟

刘瑞东1，卓晓辉2，马 仑2，程 强2，罗自学2，周怀春3

(1.四川中电福溪电力开发有限公司，四川 宜宾 645152；2.华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

摘 要:燃煤锅炉掺烧生物质具有改造成本低、调峰灵活、运行安全等特点，实现生物质高效利用的同时，对于碳减排有积极作用。目前已经开展了大量燃煤锅炉中掺烧污泥等物质的试验与模拟研究，但鲜见燃煤锅炉中掺烧酒糟的数值模拟研究。为了研究燃煤锅炉中掺烧酒糟对炉内温度场、组分浓度场以及NOx排放等的影响，采用计算流体力学软件FLUENT中的涡耗散模型模拟煤粉与酒糟颗粒的混燃。结果表明，数值模拟具有可靠性；在满负荷下，模拟得到的出口氧量、飞灰含碳量及NOx排放与相同条件下的试验结果吻合较好。酒糟掺烧质量分数分别为0、3%、6%、8%、10%的模拟计算结果显示，掺烧酒糟后，燃烧器喷口附近着火距离缩短，但炉膛整体温度场无明显变化。掺烧酒糟对炉膛内的O2体积分数分布无太大影响，由于受酒糟含水量的影响，水蒸气体积分数在燃烧器喷口附近有所提升。掺混酒糟对NOx排放的影响较明显，这是掺混燃料氮含量和生物质挥发分释放造成的还原性氛围交互作用的结果。

关键词:燃煤锅炉；酒糟；混燃；氮氧化物(NOx)；生物质

0 引 言

生物质是一种可再生碳中性能源，是对煤炭资源的补充，且生物质在燃煤锅炉掺烧中具有改造成本低、调峰灵活、运行安全等优点[1-4]。酒糟是谷物酿酒后产生的固体废弃物，我国制酒业每年产生大量酒糟[5]。据不完全统计，我国酒糟年产量约2 100万t，主要作为饲料行业的原料，导致其附加值较低。实际上，酒糟量大且集中，热值高于其他生物质[6-7]。无烟煤与酒糟混烧不仅可有效利用酒糟，减少处理酒糟成本，还可改善煤的燃烧特性。

有关燃煤锅炉掺烧生物质的研究较多。熊穗平等[8]用马弗炉、定硫仪进行燃烧和定硫，研究了酒糟和煤掺烧的固硫效果，结果表明，酒糟与煤掺烧能将硫固定于残灰中。胡云鹏等[9]采用YX-HRD灰熔融性测定仪检测麦秆、酒糟等生物质灰及生物质与煤掺烧后灰的熔融特性，结果表明生物质的加入在不同程度上降低了煤的灰熔融温度。董信光等[10]以麦秆、杨木屑、酒糟与烟煤的不同配比作为变量，研究了混烧样品的灰熔融特性，发现提高生物质掺混比总体会降低灰熔融温度。

数值模拟方面，王凯等[11]利用双PDF模型模拟生物质从不同一次风口喷入对锅炉燃烧的影响，发现生物质从最底层一次风口喷入，NOx浓度下降更明显。TAN等[12]对比了FLUENT中污泥混燃的子模型，发现涡耗散模型可以更充分地考虑水分对燃烧的影响，更适合污泥混烧的模拟。董静兰[13]对富氧燃烧下纯煤掺烧生物质时污染物的排放特性进行了模拟研究，结果表明：烟气中NOx和SOx排放浓度均低于常规空气燃烧。

笔者对W型燃煤锅炉掺烧酒糟进行数值模拟计算，研究酒糟掺烧比例对炉内温度场、组分浓度场以及NOx排放的影响，揭示酒糟与烟煤/无烟煤掺烧的燃烧特性与不同掺配比例对燃烧的影响，为酒糟生物质的资源化利用提供理论支撑。

1 研究对象

研究对象为四川中电福溪电力开发有限公司600 MW超临界W型燃煤锅炉，主要技术特征为：单炉膛、W型火焰燃烧方式、变压运行、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢架构、全悬吊结构，锅炉配有带再循环泵的启动系统，采用低质量流速水动力技术。炉膛水冷壁管垂直布置，采用优化内螺纹管，分上下2部分，中间布置过渡混合集箱。锅炉的三维模型如图1所示。

图1 锅炉三维模型
Fig.1 Three-dimensional model diagram of the boiler

2 数学模型和计算方法

2.1 数学模型

锅炉实际燃烧过程会形成很强的旋流，因此气相湍流模拟采用Realized k-ε双方程湍流流动模型[14]。煤粉与酒糟的颗粒运动采用颗粒随机轨道模拟，挥发分燃烧使用组分输运模型，煤热解使用双方程平行反应模型。由于PDF模型无法模拟煤粉掺烧酒糟过程中水析出对燃烧的影响[15]，因此模拟结果比实测温度偏高，而涡耗散模型中燃料以收到基为输入条件，煤粉与酒糟颗粒混燃模拟结果更精确[16]，因此气相燃烧过程采用涡耗散模型描述。

燃烧产生的NOx是NO和NO2总称，其中大部分为NO。生物质与煤掺混燃烧烟气排放的NOx按生成机理主要分为：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。由于温度控制在1 000 ℃以内，故快速型NOx极少，热力型NOx含量可以忽略，NOx主要为燃料型NOx。原料中的N经过一次热解转换后分为挥发分中的N和焦炭中的N两种形态。挥发分N二次热解产生HCN和NH3等轻质气体，这些气体经过复杂的气相均相反应后生成NO和N2。而焦炭N经过一系列非均相反应也最终生成NO和N2[17]。挥发分N转化为NO的机理[18]如图2所示。

图2 HCN、NH3生成NO的机理[18]
Fig.2 NO mechanism diagram generated by HCN and NH3[18]

对于煤粉燃烧过程中NO的生成，目前普遍采用DE SOETE提出的NO生成原理[19]，NO的生成主要是由反应(1)和(2)控制：

O2 —C —CN—CO —CNO，

(1)

—CNONO —C。

(2)

NO还原反应主要由式(3)控制：

(3)

2.2 网格划分

网格质量的高低影响模拟结果的准确性，采用六面体网格进行模型网格划分。不同区域网格密度不同，以减少网格伪扩散带来的偏差。经过网格无关性测试后，考虑计算时间及成本，最终采用260万个网格进行模拟计算。燃烧器采用前后墙布置，由下至上依次为A、B、C、D、E、F，共6层。锅炉竖直截面与E层截面的网格划分如图3所示。

2.3 边界条件

一次风、二次风均采用质量入口边界条件，出口设置为压力边界条件；炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件。热交换采用温度边界条件，壁面温度设定为690 K，壁面辐射率设定为0.6[20]。

图3 锅炉网格
Fig.3 Grid diagram of the boiler

煤粉和酒糟颗粒直径均采用Rosin-Rammler分布，其中煤粉粒径为45～150 μm，酒糟粒径为150～200 μm。煤与酒糟的工业分析和元素分析见表1，可知酒糟中固定碳仅为15.34%，挥发分为75.42%，酒糟中挥发分为其热值的主要来源。煤的哈氏可磨性指数和灰熔融温度见表2。

表1 煤与酒糟的工业分析及元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal and distiller′s grains

表2 煤质特性

Table 2 Coal quality characteristic

2.4 研究工况

在不改变锅炉负荷的情况下，模拟了满负荷工况下，5个不同酒糟掺混比例的燃烧情况，酒糟掺烧质量分数分别为0、3%、6%、8%、10%。磨煤机燃烧器布置如图4所示，每炉配置6台双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统，每台磨煤机带4只双旋风煤粉燃烧器，每只煤粉燃烧器配置一只点火油枪，24只煤粉燃烧器顺列布置在下炉膛的前后墙炉拱上，前后墙各12只。

图4 磨煤机及燃烧器布置
Fig.4 Arrangement of coal mill and burner

3 酒糟掺混燃烧数值模拟结果分析

3.1 模拟结果验证

为验证模型与模拟的合理性与准确性，将满负荷下相同条件的试验数据与数值模拟结果进行对比，见表3。试验值源于四川中电福溪电力开发有限公司2×600 MW级燃煤机组新建工程1号锅炉性能考核报告，取平均值。可知出口氧量、飞灰含碳量以及NOx排放量的相对误差分别为2.4%、6.1%、5.2%，均不超过10%，在合理误差范围内，可进一步分析数值模拟结果。

表3 试验测量值与模拟值对比

Table 3 Comparison of experimental measured results and simulated results

3.2 不同酒糟掺混比对温度场的影响

在不同酒糟掺混比例下，煤粉燃烧锅炉中心截温度分布云图如图5所示，煤粉在不同酒糟掺混比例下燃烧的沿程温度分布如图6所示。以电厂预计酒糟含水率进行模拟，酒糟干燥预处理，含水率为50%，炉外掺烧。由图5可知，不同的掺混比例下炉膛中心温度分布较为一致，炉膛整体的温度水平变化较小。随着酒糟掺烧比例的增加，燃烧器喷口附近着火距离缩短。由图6可知，在炉膛高度较低时，由于进入冷灰斗区域的燃料较少，锅炉中心下部温度较低。此外，由于酒糟挥发分高，燃点更低，相对于煤粉更易着火燃烧[21]，并且酒糟含水率较高，导致不同掺烧比例下温度在冷灰斗区域出现波动。随着炉膛高度上升，在主燃区酒糟燃料增加，温度上升。由于酒糟燃烧消耗大量O2，影响煤粉燃烧，导致随着炉膛高度进一步上升，温度有所回落。而更多的煤粉在燃尽区充分燃烧，使燃尽区及炉膛出口温度较高。

图5 不同掺混比例下锅炉中心截面温度分布云图
Fig.5 Cloud diagram of temperature distribution in boiler center section under different blending proportions

图6 不同掺混比例下沿程温度分布
Fig.6 Temperature distribution along the path under different blending proportions

3.3 不同酒糟掺混比对组分场的影响

煤粉在不同酒糟掺混比例下燃烧的锅炉中心截面O2与水蒸气体积分数分布云图如图7所示。煤粉在不同酒糟掺混比例下沿程O2与水蒸气体积分数分布如图8所示。

由图7(a)可知，O2体积分数在不同工况下分布状况基本一致。由图8(a)可知，在炉膛底部，多余空气不能及时被燃料利用，O2体积分数较高。在燃烧器喷口附近由于酒糟燃烧，O2体积分数下降。随着炉膛高度上升，由于酒糟代替部分煤粉，酒糟燃烧耗氧量较少，且酒糟燃烧更易着火并完全燃烧，在喷入酒糟燃料后，附近的局部空气系数增大[22]。燃尽区煤粉充分燃烧，使得O2体积分数在燃尽区及炉膛出口处较低。

由图7(b)可知，随酒糟掺混比例增加，水蒸气体积分数在燃烧器喷口附近有所升高，这是受酒糟自身含水量的影响。由图8(b)可知，水蒸气体积分数随酒糟掺烧比例的增加呈上升趋势。在炉膛底部，进入冷灰斗区域燃料较少，水蒸气体积分数较低。在燃烧器喷口附近，酒糟燃料燃烧，水蒸气体积分数上升。随着炉膛高度上升，酒糟燃料减少且由于酒糟水分大于煤粉水分，水蒸气体积分数有所回落。随着煤粉在燃尽区充分燃烧，水蒸气体积分数有所上升。

图7 不同掺混比例下O2和水蒸气体积分数分布云图
Fig.7 Cloud map of O2 and steam concentration distribution under different blending proportions

图8 不同掺混比例下沿程O2、水蒸气体积分数分布
Fig.8 Concentration distributions of O2 and steam under different blending proportions

3.4 不同酒糟掺混比对NOx生成的影响

煤粉在不同酒糟掺混比例下NOx排放量如图9所示(标况下)。常见的木质类、小麦、玉米秸秆干燥基N质量分数在0.3%～1.0%[23]，而酒糟N质量分数较高，约占3.26%。掺混无烟煤的干基N质量分数仅为0.72%。由于该模拟条件下主要为燃料型NO，由图2可知，掺混燃料中N质量分数增加，导致燃料型NO增加[18]，NOx排放量随酒糟掺混比例的增加而逐渐升高。

图9 不同掺混比例下NOx排放特性
Fig.9 NOx emission characteristics at different blending proportions

不同掺混比例下沿程NO体积分数分布如图10所示，可知在炉膛底部，由于温度较低，NO生成量较少。随着炉膛高度上升，温度升高，NO生成量随着酒糟掺混比例的升高而增加。同时由于酒糟与煤粉的着火特性差异与耗氧量不同，在炉膛高度上升过程中，NO生成量有所波动。小比例掺混酒糟时，酒糟和煤粉颗粒在氧气相对充足的条件下完全燃烧，燃烧剧烈程度显著提高，促进了NO大量生成，此时由于酒糟的加入造成的还原性作用相对较弱，因此NO生成总量增加。酒糟掺混比例较大时，掺混燃料中的挥发分比例大幅上升，虽然燃料总体含氮量增加，但由于在燃烧初期时酒糟释放的大量挥发分燃烧会与煤竞争氧气，焦炭燃烧处于低氧气氛中，由式(1)和(2)可知，O2与—C和—CN的反应减少，导致—CNO数量下降，最终造成NO生成量下降。同时生物质焦炭中释放出较多还原性气体和生物质焦炭，其作为多孔性焦炭参与NO还原反应。在大比例掺混条件下，样品周围形成还原性环境，利于NO还原成氮，还原性效果显著。相比之下，燃料中N含量对NO增量影响减小。因此，大比例掺混酒糟时，NO生成量降低。本模拟由于掺烧比例较小，NO生成量还处于较高水平。

图10 不同掺混比例下沿程NO体积分数分布
Fig.10 Distribution of NO concentration under different blending proportions

综合来看，NO排放量主要由掺混燃料N含量和生物质挥发分释放造成的还原性氛围交互作用决定。由图2可知，随着酒糟掺混比例的增加，掺混燃料中会有更多的挥发性N以NH3和HCN形式释放出来[18]。在NH3和HCN被氧化过程中生成的中间产物NH和NH2可将NO还原为N2。因此随着酒糟掺混比例的增加，NO转化率降低。

煤粉在不同酒糟掺混比例下的燃尽率如图11所示，可知随着酒糟掺混比例的增加，煤粉燃尽率先增大后减小。掺烧比例较小时，由于酒糟挥发分较高，快速着火释放热量，有利于煤粉着火和燃尽，因此煤粉燃尽率提高。随着酒糟掺混比例进一步增加，酒糟燃烧消耗大量O2，造成酒糟对煤粉初期燃烧的抢氧效果，导致煤粉燃尽率降低。

图11 不同掺混比例下煤粉燃尽特性
Fig.11 Pulverized coal burnout characteristics under different blending proportions

4 结 论

1)与原始工况相比，加入酒糟后，燃烧器喷口附近着火距离缩短，但酒糟掺烧对炉膛温度场的总体影响较小。

2)炉膛内的O2体积分数分布基本不受酒糟掺烧比例的影响；受酒糟自身水分影响，随着酒糟掺烧比例增加，在燃烧器喷口附近水蒸气体积分数有所提升。

3)酒糟掺混比例对NO排放有明显影响，随酒糟掺混比例增加，更多NO被还原为N2，NO转化率不断降低。

4)综合考虑炉内温度场、组分场、NOx排放量以及燃尽率等因素，酒糟掺混比例控制在6%内较合理。在最优掺混比例基础上，进一步研究燃尽风比例、下炉膛区域二次风配比等对燃烧的影响，更好地指导现场实际掺烧试验。

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Numerical simulation of W-type coal boiler blended with distiller′s grains

LIU Ruidong1，ZHUO Xiaohui2，MA Lun2，CHENG Qiang2，LUO Zixue2，ZHOU Huaichun3

(1.Sichuan Zhongdian Fuxi Electric Power Development Co.,Ltd.,Yibin 645152,China;2.State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;3.School of Electrical and Power Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

Abstract:Biomass co-firing in coal-fired power plants has the advantages of low conversion cost,flexible peak shaving,and safe operation,which has a positive effect on carbon emission reduction and can realize the efficient utilization of biomass. At present,a large number of experiments and simulation studies have been carried out on the blending of sludge and other substances in coal-fired boilers,but there are few numerical simulation studies on the blending of distiller′s grains in coal-fired boilers. In order to study the influence of blending distiller′s grains in coal-fired boilers on the temperature field,component concentration field and NOx emission in the furnace,the mixed combustion of pulverized coal and distiller′s grains was simulated by numerical simulation and the vortex dissipation model in computational fluid dynamics software FLUENT. The results show that the simulation method is reliable. Under full load,the simulated outlet oxygen,carbon content of fly ash and NOx emission are in good agreement with the experimental results under the same conditions. The simulation results of 0,3%,6%,8% and 10% of the mass fraction of distiller′s grains show that the ignition distance near the nozzle of the burner is shortened,but the overall temperature field of the furnace does not change significantly. The concentration distribution of O2 in the furnace is not significantly affected by the blending of distiller′s grains,the concentration of H2O is increased near the burner nozzle due to the influence of distiller′s grains water content. Blending distiller′s grains have a significant impact on NOx emission,which is the result of the interaction of reducing atmosphere caused by the nitrogen content of blending fuel and the release of biomass volatiles.

Key words:coal-fired boiler；distiller′s grains；co-combustion；nitric oxide；biomass

中图分类号:TK224

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2022)03-0065-07

收稿日期:2021-09-07;

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC21090701

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(51776078)

作者简介:刘瑞东(1970—)，男，四川宜宾人，工程师。E-mail:13890434646@139.com

通讯作者：罗自学(1969—)，男，湖北广水人，教授，博士。E-mail:luozixue@hust.edu.cn

引用格式:刘瑞东，卓晓辉，马仑，等.W型燃煤锅炉掺烧酒糟的数值模拟[J].洁净煤技术，2022,28(3):65-71.

LIU Ruidong，ZHUO Xiaohui，MA Lun,et al.Numerical simulation of W-type coal boiler blended with distiller′s grains[J].Clean Coal Technology，2022,28(3):65-71.