污泥通常具有高含水率、低熱值的特點(diǎn)，單獨(dú)燃燒特性較差。因此，污泥與高熱值燃料的共燒利用得到廣泛關(guān)注。已有對(duì)污泥與煤摻燒的數(shù)值

污泥通常具有高含水率、低熱值的特點(diǎn)，單獨(dú)燃燒特性較差。因此，污泥與高熱值燃料的共燒利用得到廣泛關(guān)注。已有對(duì)污泥與煤摻燒的數(shù)值模擬研究主要聚焦在污泥的摻混比例以及含水率等燃料特性對(duì)燃燒特性和污染物排放的影響，而對(duì)于過量空氣系數(shù)、配風(fēng)方式等配風(fēng)條件對(duì)燃煤鍋爐摻燒污泥的影響尚未有清晰的認(rèn)識(shí)。

西安交通大學(xué)王長(zhǎng)安副教授針對(duì)600 MW四角切圓燃煤鍋爐，利用渦耗散模型模擬分析了不同種類污泥在不同摻混比下與煤摻燒過程中燃燒特性和污染物排放，此外，主要分析了主燃區(qū)過量空氣系數(shù)和二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)煤泥摻燒的影響，研究結(jié)果可以為實(shí)際電廠燃煤鍋爐摻燒污泥提供可行性的指導(dǎo)方案。
摘要
燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)研究主要聚焦在摻混比等條件的影響，而主燃區(qū)過量空氣系數(shù)等因素的影響規(guī)律尚不清晰。鑒于此，采用渦耗散模型對(duì)600 MW四角切圓煤粉鍋爐摻燒市政污泥進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了污泥摻混比例、主燃區(qū)過量空氣系數(shù)以及二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)燃煤鍋爐內(nèi)污泥摻混燃燒及NOx生成的影響。結(jié)果表明：隨著污泥摻混比增加，爐膛整體溫度下降，影響燃燒穩(wěn)定性，同時(shí)爐膛出口NOx濃度有所降低。當(dāng)污泥摻混比例增長(zhǎng)至20%，爐膛出口溫度約下降100 K，NOx濃度減少53.2%。而污泥摻混比例對(duì)于爐膛內(nèi)速度場(chǎng)分布影響較小。隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)由0.72增加至0.96，爐膛出口溫度增幅較小，僅增加15 K左右，而NOx濃度則大幅增長(zhǎng)，由174.39 mg/m3增長(zhǎng)至352.09 mg/m3，約增長(zhǎng)50.4%。在本文過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，考慮溫度和NOx濃度，推薦主燃區(qū)過量空氣系數(shù)0.84。不同二次風(fēng)配風(fēng)對(duì)燃煤鍋爐摻燒污泥影響差異較大。5種配風(fēng)方式下，爐膛出口溫度和NOx濃度有較大變化。鼓腰配風(fēng)下爐膛出口溫度最低，為1 289 K，而倒塔配風(fēng)溫度最高，為1 341 K。同時(shí)鼓腰配風(fēng)下NOx濃度較高，為207.77 mg/m3，束腰配風(fēng)NOx濃度較低，為156.42 mg/m3。綜合溫度和NOx濃度，本文二次風(fēng)配風(fēng)推薦采用束腰配風(fēng)方式。

1 鍋爐概況

圖1 鍋爐本體結(jié)構(gòu)與燃燒器截面

2 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法

圖2 鍋爐與燃燒器部分網(wǎng)格示意
本研究采用realizable k-ε湍流模型模擬氣相湍流；焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型；輻射傳熱計(jì)算采用P1輻射模型；采用顆粒隨機(jī)軌道模型模擬煤粉顆粒與污泥顆粒的運(yùn)動(dòng)。使用有限速率/渦耗散模型(EDM)模擬組分運(yùn)輸和燃燒，采用 EDM 模擬煤泥混燒時(shí)，輸入的是燃料工業(yè)分析的收到基，研究污泥水分對(duì)煤泥混燒后鍋爐燃燒特性的影響。揮發(fā)分析出燃燒為雙步反應(yīng)，設(shè)定其摩爾質(zhì)量，根據(jù)煤和污泥工業(yè)分析和元素分析的結(jié)果，得出煤和污泥揮發(fā)分的燃燒過程，反應(yīng)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)生成焓。

氮氧化物的生成過程對(duì)爐內(nèi)溫度和組分影響不大，因此NOx濃度分布的求解是在數(shù)值模擬得到爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分分布后，獨(dú)立進(jìn)行相應(yīng)模擬計(jì)算。由于快速型NOx在煤粉鍋爐中生成量很少，因此本文不考慮快速型NOx的生成。

3種網(wǎng)格數(shù)的結(jié)果基本一致，說明此時(shí)網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。因此，本研究選取網(wǎng)格數(shù)目1 146 781進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 沿爐膛高度方向溫度分布
與實(shí)際結(jié)果相比，爐膛出口溫度模擬結(jié)果的誤差只有1.38%。此外，實(shí)際運(yùn)行過程中，爐膛出口含氧量在3.2%，而模擬結(jié)果氧含量為3.4%，相對(duì)誤差為6.25%，滿足工程誤差允許范圍。

3 結(jié)果與討論
3.1 污泥摻混比對(duì)摻燒的影響

溫度場(chǎng)和流場(chǎng)在燃燒器截面形成一個(gè)清晰的環(huán)狀區(qū)，這是由于燃燒器4個(gè)角噴入爐膛的煤粉氣流在爐內(nèi)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，環(huán)狀區(qū)內(nèi)流速較高，而環(huán)狀區(qū)兩側(cè)流速較低，使得環(huán)狀區(qū)中心形成一個(gè)低壓區(qū)。同時(shí)截面溫度最高的位置在燃燒器的環(huán)形四角處，而中心處溫度最低。這表明煤粉射流著火后，在強(qiáng)旋流作用下，不斷盤旋上升，爐膛中心溫度較低，環(huán)流溫度高，這表明火焰中心是合理的。

圖4 不同污泥摻混比例對(duì)溫度場(chǎng)的影響
隨著污泥摻混比例增大，爐膛主燃區(qū)的溫度降低。這主要是因?yàn)槲勰酂嶂迪噍^于淮南煙煤較低，隨著污泥在摻混燃料占比提高，高熱值煙煤量降低，爐膛內(nèi)煙氣溫度下降。此外，摻混污泥后燃料中水分增大，進(jìn)入爐膛中的水分相應(yīng)提高，在爐膛燃燒過程中水分蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致沿爐膛高度方向的煙氣溫度下降。

圖5 不同污泥摻混比例對(duì)速度場(chǎng)的影響
隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛煙氣溫度降低。這是由于污泥的主要成分是灰分和揮發(fā)分，不含固定碳，故污泥燃燒主要過程是揮發(fā)分的析出與燃燒。因此相較于煤粉燃燒的主要過程是固定碳的燃燒，污泥會(huì)較早燃燒完全，從而導(dǎo)致后期爐膛中燃料不足，爐膛溫度下降。因此污泥摻燒比例不宜過大，較大的污泥摻燒比會(huì)使摻混燃料的著火與燃盡特性下降，從而使?fàn)t膛溫度降低。

圖6 爐膛橫截面平均溫度和煙氣組分沿爐膛高度分布
在爐膛高度方向，主燃燒區(qū)域NOx濃度較高，這是由于在主燃燒區(qū)域溫度很高，產(chǎn)生了大量熱力型NOx。高度繼續(xù)增加，NOx濃度逐漸下降，這是由于溫度下降導(dǎo)致熱力型NOx排放量下降，同時(shí)NOx也被還原導(dǎo)致濃度下降。隨著污泥摻混比例增大，NOx濃度有一定程度下降。這主要是隨著污泥摻混比例增大，爐膛溫度下降，熱力型NOx生成量降低。另一方面，雖然污泥的氮含量略高于煙煤，但本文以濕污泥(80%含水率)量為摻混比例，干污泥量相較煙煤量很少，影響較小。同時(shí)，污泥揮發(fā)分較高，揮發(fā)性N生成的HCN導(dǎo)致NOx被還原成NO，造成燃料型NOx下降。因此，摻混燃料的NOx排放量仍然下降。

隨著污泥比例增大，爐膛出口煙氣溫度下降，燃盡率下降，飛灰含碳量上升。污泥摻混比例達(dá)到25%時(shí)，相較于純煤燃燒，煙氣出口溫度下降94 ℃，NOx濃度下降53%，但同時(shí)飛灰含碳量上升。

3.2 污泥種類對(duì)摻燒的影響

WN1在主燃區(qū)的煙氣溫度略高于WN3和WN-PJ，而在主燃區(qū)以上WN-PJ溫度略高，這可能是主燃區(qū)溫度較低導(dǎo)致燃料燃燒滯后，從而未燃盡的煤粉顆粒和污泥在燃盡區(qū)燃燒劇烈，WN-PJ在主燃區(qū)氧氣濃度最高也證明這點(diǎn)。3種污泥樣品在相同摻混比例下，沿爐膛高度溫度相差較小。這可能由于3種污泥干污泥(摻混污泥為含水率80%的濕污泥)占比相對(duì)較少，而且3種污泥的成分相差較小，尤其WN-PJ和WN3成分幾乎一致。因此，煤粉分別摻混3種污泥間燃燒特性差異較小。

圖7 污泥種類對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

圖8 爐膛橫截面平均溫度和煙氣組分沿爐膛高度分布
污泥摻燒比例為10%時(shí)，WN3和WN-PJ的出口參數(shù)基本一致，這可能是由于2種污泥的成分基本一致。此外，雖然WN1樣品爐膛出口溫度與另外2種污泥出口溫度基本一致，但飛灰含碳量和NOx排放濃度略高，爐膛出口NOx濃度高比另外2種高9.52%左右。這主要是由于WN1中氮含量相對(duì)較高，燃料型NOx生成量高，從而總NOx排放濃度高。

3.3 不同二次配風(fēng)方式對(duì)摻燒的影響

二次風(fēng)配風(fēng)方式分別采用倒塔配風(fēng)、鼓腰配風(fēng)、均等配風(fēng)、束腰配風(fēng)和正塔配風(fēng)5種方式。各種配風(fēng)方式的工況均在爐膛主燃區(qū)內(nèi)形成了高溫區(qū)域，其中鼓腰配風(fēng)條件下的溫度相對(duì)較高。5種二次風(fēng)配風(fēng)方式的煙氣溫度峰值均在主燃區(qū)與燃盡區(qū)高度之間，這是由于污泥含水率較高，致使摻混燃料燃燒滯后。采用鼓腰配風(fēng)時(shí)，主燃區(qū)中部較大的風(fēng)量使得污泥與煤的摻混燃料在相對(duì)充足的氧氣條件下充分燃燒，主燃區(qū)的煙氣溫度相對(duì)較高。在主燃區(qū)下部，倒塔配風(fēng)下溫度較低，可能是下部二次風(fēng)量小，造成燃料燃燒不完全，從而溫度較低，這與主燃區(qū)下部倒塔配風(fēng)型氧氣濃度較高相符合。倒塔型配風(fēng)在主燃區(qū)隨著爐膛高度升高二次風(fēng)量增大，煙氣溫度逐漸升高。鼓腰配風(fēng)在主燃區(qū)NOx濃度峰值遠(yuǎn)高于其他二次風(fēng)配風(fēng)工況，而束腰型配風(fēng)在主燃區(qū)的NOx濃度峰值最低。這主要由于鼓腰配風(fēng)在主燃區(qū)中部二次風(fēng)量較大，充足的氧含量使得還原性氣氛減弱，NOx濃度高，而束腰配風(fēng)與之相反。

圖9 二次風(fēng)配風(fēng)方式

圖10 不同二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖11 不同二次風(fēng)下沿爐膛高度溫度和煙氣組分分布
在燃盡區(qū)及以上部位，束腰型配風(fēng)煙氣溫度較高，鼓腰型則溫度較低。而束腰型與鼓腰型NOx排放濃度沿高度方向與溫度分布趨勢(shì)相反。

束腰配風(fēng)方式的出口NOx排放濃度最低，同時(shí)飛灰含碳量較低，而出口溫度相對(duì)較高，為1 332 K。倒塔配風(fēng)出口溫度最高(1 341 K)，NOx濃度相對(duì)較低。而鼓腰配風(fēng)出口溫度最低，可能是鼓腰配風(fēng)下爐膛主燃區(qū)燃燒較為充分，后期燃料不足導(dǎo)致出口溫度下降，這與圖11中鼓腰配風(fēng)在主燃區(qū)溫度較高，燃盡區(qū)后溫度逐漸下降一致。因此，采用束腰配風(fēng)和倒塔配風(fēng)2種配風(fēng)方式，煙氣出口溫度較高，同時(shí)NOx排放濃度相對(duì)較低。

3.4 主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)摻燒的影響

污泥摻混比例10%時(shí)，隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)增長(zhǎng)，主燃區(qū)煙氣溫度降低，而在主燃區(qū)以上部位溫度分布呈相反趨勢(shì)。這說明主燃區(qū)空氣量較大時(shí)，較大的風(fēng)量起冷卻作用，從而降低了主燃區(qū)煙氣溫度。同時(shí)，主燃區(qū)較大的風(fēng)量使得燃料在主燃區(qū)停留時(shí)間相應(yīng)減小，因此在主燃區(qū)以上溫度升高。

圖12 不同主燃區(qū)過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度溫度和煙氣組分分布
主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.72時(shí)，氧量消耗較為劇烈，主燃區(qū)氧量一直處于較低狀態(tài)。而主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.96時(shí)，由于主燃區(qū)空氣量充足，氧量一直較高。同時(shí)，隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)增大，NOx濃度隨之上升。這是由于主燃區(qū)過量空氣系數(shù)較小時(shí)，較低的氧氣量會(huì)在主燃區(qū)形成還原性氣氛，從而抑制氮氧化物的生成。隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)增大，較高的氧氣含量使得還原性氣氛減弱，NOx濃度相應(yīng)提高。主燃區(qū)空氣量較大時(shí)，相應(yīng)在燃盡區(qū)的風(fēng)量越小，還原性氣氛越強(qiáng)，NOx濃度下降較快。因此，控制氮氧化物的生成，需要平衡不同區(qū)域內(nèi)的氧量，需要合適的主燃區(qū)過量空氣系數(shù)。

隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的增大，NOx濃度不斷增加，出口溫度略有升高。當(dāng)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)從0.72增長(zhǎng)到0.96，出口溫度僅提高了15 K；過量空氣系數(shù)分別為0.84和0.96時(shí)，出口溫度基本一致。主燃區(qū)過量空氣系數(shù)0.96與0.84相比，出口溫度基本一致，而NOx濃度則大幅度增長(zhǎng)，增長(zhǎng)了67.16%，燃盡率略有降低。

4 結(jié) 論

1）隨著污泥摻混比例提高，摻混燃料燃燒特性變差，爐膛內(nèi)煙氣溫度呈下降趨勢(shì)，NOx濃度降低，而飛灰含碳量增加。因此，摻混污泥比例不宜過大，較高的摻混比影響爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。

2）二次風(fēng)配風(fēng)方式影響煤泥摻燒過程中燃燒和污染物排放特性，由于相同污泥摻混比下爐膛出口NOx濃度最低，僅有156.42 mg/m3，且對(duì)出口溫度影響較小(1 332 K)，推薦采用束腰配風(fēng)方式。

3）隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)增加，爐膛出口溫度增長(zhǎng)較小，而出口NOx濃度則大幅度增長(zhǎng)。主燃區(qū)過量空氣系數(shù)由0.72增長(zhǎng)到0.96，出口NOx濃度約增長(zhǎng)了50.4%。比較3種主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)污泥摻混燃燒特性和污染物排放特性的影響，推薦主燃區(qū)過量空氣系數(shù)采用0.84。

引用格式
孟濤,邢小林,張杰,等.配風(fēng)方式對(duì)燃煤鍋爐摻燒污泥影響的數(shù)值模擬研究[J].潔凈煤技術(shù)，2021,27(1):263-271.
MENG Tao,XING Xiaolin,ZHANG Jie,et al.Numerical simulation study on the effect of air distribution on combustion of coal-fired boiler blended with sludge[J].Clean Coal Technology,2021,27(1):263-271.

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