燃煤锅炉掺烧卡车轮胎粉末的数值模拟研究

李子涵, 金承璋, 姜未汀, 潘卫国, 潘丹露, 崔 涵

(1.上海电力大学, 上海 200090; 2.国网上海市电力公司, 上海 200035;3.万联能源集团有限公司, 江苏 连云港 222000)

《2017—2022年中国汽车轮胎行业市场深度调研及投资前景分析报告》指出,我国于2017年共计生产轮胎9.79亿条,并预测2019年产量将达到惊人的10亿条。其中,货车和重卡的轮胎消耗量占比达到了约6成,消耗量相当可观。随着社会经济的不断发展,废旧轮胎的数量也将不断提升。与煤相比,废旧轮胎的热值较高[1],若采用轮胎等橡胶制品作为燃料[2-5],并将其运用在电厂锅炉上,可节省一定的化石资源,保护自然环境,并为废旧轮胎的处理问题提供新的思路。这种方法已经在西方各国[6-11]予以应用,但在国内,橡胶作为燃料还是个新兴课题。文献[12-14]通过热重实验证明了煤粉和橡胶有较好的混合热解特性,可应用于电站锅炉的掺烧。文献[15-16]研究发现,采用Simple算法对锅炉进行数值模拟效果较好,且Fluent软件模拟的结果较为合理准确。因此,可利用Fluent软件作为载体,设置1台300 MW的锅炉,进行掺烧橡胶的数值模拟计算。

1 燃煤与卡车轮胎的混燃

1.1 理论基础

以锅炉总热不变为基础,热量计算平衡公式为

B0Qar,net=Bar,netQar,net+BtdfQtdf,net

(1)

式中:B0——原始工况下煤的燃烧量,kg;

Qar,net——煤的低位热值,kJ/kg;

Bar,net——掺烧工况下煤的燃烧量,kg;

Btdf——卡车轮胎粉末的燃烧量,kg;

Qtdf,net——卡车轮胎粉末的低位热值,kJ/kg。

掺烧比的计算公式为

(2)

式中:α——掺烧比例;

Qf——非掺烧工况下纯煤燃烧生成的热值,kJ/kg。

理论空气量的计算公式为

(3)

式中:V——单位质量燃料燃烧所需理论空气量,m3/kg;

Car,Sar,Har,Oar——1 kg收到基燃料中各元素的含量。

在掺烧工况下,燃烧所需空气量的计算公式为

式中:Ba——输入锅炉的空气量,m3;

V0——单位质量煤燃烧所需空气量,m3/kg。

煤粉和卡车轮胎粉末的元素分析和工业分析如表1和表2所示。

表1 煤的元素分析及工业分析 单位:%

表2 卡车轮胎粉末的元素分析及工业分析 单位:%

数据表明,卡车轮胎粉末有较高的挥发分,有助于燃烧。煤粉和卡车轮胎粉末的干燥无灰基低位发热量分别为32 386 kJ/kg和34 123 kJ/kg。根据厂家测量的结果取平均值,燃料颗粒粒径的最小直径、最大直径和平均直径均设定为10 μm,250 μm,56 μm。

4种不同工况为纯煤粉燃烧(工况1)、掺烧20%(工况2)、掺烧40%(工况3),掺烧60%(工况4)。各工况燃料量及所需空气量如表3所示。

表3 各工况燃料量及所需空气量

1.2 数值模拟方法

采用标准的k-ε双方程模型、Simple算法、P-1辐射模型、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,进行计算模拟,得出温度场等的数值模拟结果。

通过污染物排放模型对NOx进行模拟,NOx可分为快速型NO,燃料型NO和热力型NO。其中,快速型NO由于数值过小,故选择忽略。通过Fluent软件可求出NO的体积含量,再根据式(4)可计算出NOx标准状况下干烟气中的质量浓度ρNOx。其中,2.05为单位由μL/L到mg/m3的转换系数。

(4)

式中:VNO——干烟气中NO的实际体积含量,μL/L;

vO2——干烟气中O2的实测含量,%。

2 研究对象

采用亚临界自然循环锅炉,燃烧器布置为四角切圆,型号为DG1025/17.5-Ⅱ4 型。采用中储式热风送粉制粉系统。锅炉容量为300 MW,炉膛断面尺寸为深12.8 m、宽12.8 m。锅炉示意如图1所示。

图1 锅炉示意(m)

锅炉网格被划分成冷灰斗区域、燃烧器区域、折焰角区域和水平烟道区域4个部分。划分原则为除燃烧器区域外,均采用结构化六面体型网格。燃烧器区域的情况复杂,因此采用适应性四面体的划分方式,提高准确性且减少一定的运算量。加密燃烧器喷口处网格,尽可能提高网格的合理性及准确性。最终该锅炉的网格值0.4以下占到了99%以上,网格数量为779 494,质量很好。具体锅炉建模网格如图2所示。

图2 锅炉建模网格

边界条件的确定:在锅炉模型建立时,已知风口的面积,风速的计算公式为

(5)

式中:v——一、二、三次风风速,m/s;

β——一、二、三次风风率,%;

S——一、二、三次风的风口面积,m2。

各工况的具体参数如表4所示。其中,一、二次风的温度均为525 K,三次风的温度为363 K。

表4 各工况边界条件输入参数 单位:m/s

3 结果分析

为了分析不同比例掺烧下的燃烧特性及污染物生成情况,绘制了4种工况下锅炉中部宽度方向上的温度及NOx分布云图,并沿高度方向绘制相应的折线图。

3.1 温度场

在额定负荷下,4种工况的温度变化如图3和图4所示。

图3 沿炉膛高度方向横截面温度变化曲线

由图3和图4可知:炉膛内的温度分布是以先增高后降低的形式变化的,符合四角切圆锅炉温度分布的规律,炉膛出口处温度较低的两个矩形位置为过热屏;在掺烧工况下,由于煤粉占比的下降,卡车轮胎粉末占比的上升,燃烧区域的温度不断提高,掺得越多,提高得越多;在掺烧20%,40%,60%卡车轮胎粉末的工况下,炉膛燃烧区域的截面温度分别提高了21 K,33 K,54 K。温度的升高有助于燃烧,但也会导致热力型NOx的生成量增加,可能引起结焦结渣等情况。

图4 炉膛截面温度变化云图

3.2 NOx分布

在额定负荷下,4种工况下的NOx变化情况如图5和图6所示。

图5 沿炉膛高度方向NOx平均质量浓度变化

由图5和图6可知,NOx的平均浓度分别出现了两个峰值和两个低值。出现两个低值的原因是燃烧区域中存在过渡区域。第一个峰值出现于炉膛底部冷灰斗处。冷灰斗处空气量较大,为空气过量状态,导致燃料型NOx较高,总NOx质量浓度较大。第一个低值出现在燃烧区域下部。此处为燃料进口,燃烧反应剧烈,CO大量生成,形成还原区域,NOx的质量浓度降低。随着高度的增加,第二个峰值出现于燃烧区域中部,此处燃料发生剧烈燃烧,导致燃料型NO生成急剧增加,因此NOx浓度出现了一个质量峰值。第二个低值出现在燃烧区域上部,这时燃料最后一次喷入,影响了NOx的质量浓度。之后,在上层燃尽风输入的情况下,形成氧化区域,使得NOx平均浓度开始缓慢上升。

图6 炉膛中心截面NOx变化云图

对比以上4种工况可以发现,随着卡车轮胎粉末比例的增大,锅炉中NOx的生成量明显增加。这是由于燃料中卡车轮胎粉末热值较大,造成炉内的平均温度变大,所生成的热力型NOx含量也就越大,导致水平烟道出口处NOx的排放量不断提高。工况1出口处NOx的质量浓度为112.853 1 mg/m3,掺烧20%,40%,60%卡车轮胎粉末后,出口处的NOx质量浓度分别增加到125.652 5 mg/m3,135.110 2 mg/m3,142.411 7 mg/m3。

4 结 论

通过合理运用Fluent工具,以300 MW锅炉为研究设备,用橡胶燃料及污泥作为主要掺烧对象,定义了4种工况,对各工况下的温度、烟气组分及NOx分布进行了分析,得出以下结论。

(1) 在燃煤锅炉中掺烧橡胶会引起炉膛内部温度上升,在分别掺烧20%,40%,60%卡车轮胎粉末的工况下,炉膛燃烧区的截面温度比纯煤工况分别上升了21 K,33 K,54 K,温度的上升有助于燃烧但也引起了NOx生成量增大,可能引起结焦结渣情况。

(2) 在燃煤锅炉内掺烧橡胶会导致炉膛出口处NOx的质量浓度增加。纯煤工况出口处NOx的质量浓度为112.853 1 mg/m3,在分别掺烧20%,40%,60%卡车轮胎粉末的工况下,出口处的NOx质量浓度分别增加到125.652 5 mg/m3,135.110 2 mg/m3,142.411 7 mg/m3。根据数值模拟的研究成果可知,在橡胶和煤粉的混合比较低时,生成的污染物较少,可在一定程度上节省燃烧成本。