1000 MW超超临界燃煤锅炉高比例掺混生物质对炉内传热特性的影响

黄曦平,王艳红

(1.国能徐州发电有限公司,江苏 徐州 221000;2.东北电力大学能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012)

0 引 言

2020年9月,国家提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的宏伟目标。在“双碳”目标下,对于清洁、低碳、安全、高效的能源利用方式的需求愈发迫切[1]。从生命周期循环方面而言,生物质可被视为一种二氧化碳近零排放量的一种燃料[2],因此将生物质与燃煤进行混合燃烧发电能够有效减少碳的排放。

目前,针对生物质与燃煤掺混燃烧的研究主要集中于燃烧特性、灰渣特性、污染物排放及经济性分析等方面[3]。马辉等[4]采用热重分析法研究了煤与三种生物质掺混燃烧的燃烧特性,研究发现秸秆的掺混能够改善煤的着火性能和综合燃烧特性。Niu和傅杰文等[5-6]分别将污泥与燃煤进行掺混,进行了共燃特性研究。发现提高掺混比例和氧气浓度能够使燃烧更加剧烈。陈汉平等[7]对煤与生物质混合燃烧的灰渣特性进行了分析,并得出棉杆与木屑相比更容易造成积灰结渣的结论。韩奎华等[8]采用固定床实验系统分析了兰炭与秸秆混合燃烧后的灰样熔融性能。

在污染物排放方面,国内外学者也进行了大量的研究。宋长忠等[9]利用循环流化床进行了生物质与褐煤混合燃烧烟气中 SO2排放状况的研究。研究发现掺混不同生物质,SO2析出程度存在明显差异。生物质掺混比例越高,SO2排放量越小。Daood和Pei等[10-11]研究了在富氧燃烧的条件下,污染物 NOx、SO2的排放影响因素。赵瑞娥等[12-13]研究了稻壳和秸秆混煤燃烧对炉内污染物排放的影响。结果表明,当燃烧温度不变时,炉膛出口污染物排放量随燃料中稻壳所占比重增加而降低。胡帆等[14]采用实验方法研究了温度和氧浓度对生物质混合燃料 NO 释放特性的影响。肖志前等[15]研究了生物质直燃锅炉掺烧不同品种、不同比例煤后对锅炉经济性能的影响。研究表明,在20%热值烟煤掺烧比例下锅炉热效率比纯燃生物质提高2.34%。此外,张小桃等[16-17]针对不同生物质气与燃煤电站锅炉耦合的燃烧及环保特性进行了模拟。李昱喆等[18]采用数值模拟手段,模拟了50 MW 等级生物质锅炉与 600 MW 机组通过蒸汽耦合发电,发现生物质发电效率比独立运行提高 8.24%。另外,王一坤等[19-20]研究了生物质气参数对间接耦合发电机组排烟温度、减温水量、热效率等的影响。

综上所述,广大学者针对生物质和燃煤掺混的研究主要集中在燃烧热性、污染物排放分析等方面[21-23]。对于生物质与不同煤种在高比例掺混条件下对锅炉炉膛的传热特性研究相对较少。因此,本文建立了生物质掺混燃煤对锅炉炉膛内传热特性影响的数学模型,以某1 000 MW超超临界压力锅炉为研究对象,研究了玉米秸秆与京西无烟煤、西山贫煤、龙凤洗中煤、神华煤、义马烟煤、丰广褐煤在不同掺混比例下对炉膛传热特性的影响。获得了炉膛出口烟气量、炉膛出口烟温、水冷壁传热热流、炉内火焰黑度、水冷壁平均热负荷、炉膛火焰平均温度以及理论燃烧温度随掺混比例的变化规律。本文所做工作可为不同煤种与生物质在高比例掺混条件下的燃煤耦合生物质发电提供了一定的理论参考依据。

1 计算基础参数

1.1 机组概况

本研究选择某1 000 MW超超临界压力锅炉进行计算分析。该机组为常规П型布置,采用四角切圆的燃烧方式,在BMCR工况时,设计参数为:过热器出口压力、汽温、蒸汽流量分别为26.75 MPa、603 ℃、2 950 t/h,采用五排燃烧器运行。图1为某1 000 MW超超临界压力锅炉结构示意图。

图1 某1 000 MW超超临界压力锅炉炉膛结构及尺寸

1.2 设计煤种及生物质参数

计算煤种选择六种实际燃用煤种,生物质选择经自然干燥后的玉米秸秆,具体参数如表1所示。

表1 燃料参数

1.3 理论计算模型

本研究采用锅炉热力计算校核软件对炉膛传热特性进行计算。混合燃料的元素成分参考工业锅炉设计计算标准方法中关于燃用混合燃料的计算方法[24],即

(1)

若不考虑气体和固体不完全燃烧热损失变化,则理论燃烧温度的变化量可表示为

Δϑl=k1·ΔQar,net+k2·ΔϑPY+k3·Δtrk

(2)

其中,

(3)

(4)

(5)

炉膛出口烟温的变化量可表示为

(6)

其中,

(7)

混合燃料烟气量随掺混比例的变化量为

(8)

公式中:ΔVy为混合燃料烟气量的变化量,Nm3/kg;ΔV0为混合燃料理论空气量的变化量,Nm3/kg。

炉膛火焰平均温度(炉内烟气温度)可表示为

(9)

公式中:ϑPY为烟气的平均温度,℃;ΔϑPY为炉内烟气平均温度的变化量,℃。

随掺混比例的变化,混合燃料对炉内水冷壁的平均热流密度(平均热负荷)的变化量为

(10)

公式中:Δqav为水冷壁平均热负荷变化量,kW/m2;qav为水冷壁平均热负荷,kW/m2;B为燃料量,kg/s。

火焰对水冷壁传热热流的变化量为

(11)

公式中:qR为火焰对水冷壁的传热热流,kW/m2; ΔqR为火焰对水冷壁的传热热流的变化量,kW/m2;Csyn为辐射热交换综合系数;TPY为烟气平均温度,K;T2为水冷壁管壁灰污表面温度,K,由锅炉热力计算得到。

1.4 模型验证

为验证模型的可靠性,在锅炉BMCR工况下,采用本文模型计算的炉膛出口烟温和水冷壁平均热负荷同锅炉热力计算方法计算得到的结果进行了对比,比较结果如表2所示。

表2 本文模型和锅炉热力计算结果的比较

由表2可知,在BMCR工况下,最大计算误差低于2 %。由此说明,本文提出的分析模型可以用于分析生物质燃煤掺混对锅炉炉膛传热特性的影响。

2 掺混比例对炉膛传热特性影响研究

本研究对机组在BMCR工况下,将玉米秸秆分别与京西无烟煤、西山贫煤、龙凤洗中煤、神华煤、义马烟煤、丰广褐煤等六种实际煤种在不同掺混比例下进行锅炉炉膛传热特性计算。需要注意的是,在计算时假设在不同掺混比例燃烧的情况下,过量空气系数、固体未完全燃烧热损失和化学未完全燃烧热损失均保持不变。

2.1 掺混比例对理论燃烧温度的影响

掺混比例对理论燃烧温度的影响如图2所示。由图2可知,随着玉米秸秆在六种混合燃料中所占的质量分额升高,六种混合燃料的理论燃烧温度之间的差异逐渐增大。这是因为理论燃烧温度与混合燃料的热值呈现正相关 。由于玉米秸秆的热值远低于六种燃煤的热值,因此随着掺混比例的增大,混合燃料的热值不断降低,从而导致混合燃料理论燃烧温度降低。其中,京西无烟煤和西山贫煤两种混合燃料的理论燃烧温度下降幅度相对较小。由于丰广褐煤自身的热值较低,因此丰广褐煤和玉米秸秆组成的混合燃料理论燃烧温度降低幅度最大为2.9%。

图2 掺混比例对理论燃烧温度的影响

2.2 掺混比例对炉膛出口烟气温度的影响

掺混比例对炉膛出口烟温的影响如图3所示。由图3可知,随着玉米秸秆的掺混比例增加,六种混合燃料在炉膛出口烟气温度之间的差异同样出现减小的现象,且六种混合燃料燃烧产生的炉膛出口烟气温度均呈现下降趋势。众多周知,炉膛出口烟气温度与入炉热、炉膛内受热面的布置、燃烧产物特性等密切相关。随着掺混比例的增大,对于六种混合燃料而言,入炉热量均逐渐减少,因此,六种混合燃料燃烧产生的炉膛出口烟气随着入炉热量的减少而逐渐降低。其中,义马烟煤、龙凤洗中煤、丰广褐煤三种与玉米秸秆掺混的混合燃料每千克燃料的有效热分别为17 531.7、13 373.18、13 246.89 kJ/kg远低于其余三种混合燃料,因此这三种混合燃料的炉膛出口烟气温度远低于其余三种混合燃料。

图3 掺混比例对炉膛出口烟温的影响

2.3 掺混比例对烟气量的影响

掺混比例对烟气量的影响如图4所示。在低掺混比例条件下,六种混合燃料的烟气量差异较大,当掺混比例增大至80%时,西山贫煤和丰广褐煤两种混合煤种的烟气量差异仅为67 Nm3/kg。混合燃料燃烧产生的烟气量由理论空气量和理论烟气量共同决定。随着掺混比例的不断升高,六种混合燃料的理论空气量和理论烟气量均逐渐降低,因此混合燃料燃烧产生的烟气量均出现降低趋势。此外,由于京西无烟煤和神华煤两种混合燃料所需的理论空气量及理论烟气量相差不大,因此烟气量随掺混比例的变化曲线几乎重合。由于西山贫煤与玉米秸秆构成的混合燃料的理论空气量和理论烟气量均高于其他五种混合燃料,所以该混合燃料具有最高的烟气量,且该混合燃料的烟气量随掺混比例的增大而下降的幅度最大。

图4 掺混比例对烟气量的影响

2.4 掺混比例对炉膛火焰平均温度的影响

掺混比例对炉膛火焰平均温度的影响,如图5所示。炉膛火焰平均温度大小由理论燃烧温度和无量纲火焰平均温度的乘积决定。由图5可知,随着掺混比例的升高,六种混合煤种在炉膛火焰平均温度间的差异逐渐降低。六种混合燃料的炉膛火焰平均温度均出现降低趋势,该现象可由图2进行解释。针对理论燃烧温度随掺混比例降低的两种混合燃料(京西无烟煤、西山贫煤分别与玉米秸秆掺混构成的混合燃料),两种混合燃料的理论燃烧温度和无量纲火焰平均温度均随掺混比例升高而逐渐减少,因此该两种混合燃料的炉膛火焰平均温度呈现下降趋势。而对于理论燃烧温度随掺混比例降低的其他四种混合燃料而言,由于理论燃烧温度的升高幅度远低于无量纲火焰平均温度的下降幅度,因此同样炉膛火焰平均温度同样随着掺混比例的升高而下降。

图5 掺混比例对炉膛火焰平均温度的影响

2.5 掺混比例对水冷壁传热热流的影响

图6为掺混比例对水冷壁传热热流的影响。如图6所示,六种混合燃料的水冷壁传热热流随着掺混比例的升高均呈现降低趋势,且六种混合燃料间的差异逐渐降低。由于水冷壁传热热流与炉膛火焰平均温度呈正相关,因此水冷壁传热热流随着炉膛火焰平均温度的降低而降低。由图5可知,京西无烟煤构成的混合燃料与西山贫煤构成的混合燃料炉膛火焰平均温度十分接近,因此该两混合燃料的水冷壁传热热流也十分接近。同时,丰广褐煤构成的混合燃料的炉膛火焰平均温度在六种混合燃料中最低,由此导致丰广褐煤构成的混合燃料具有最小的水冷壁传热热流v。

图6 掺混比例对水冷壁传热热流的影响

2.6 掺混比例对水冷壁平均热负荷的影响

掺混比例对水冷壁平均热负荷的影响,如图7所示。由图7可知,随着掺混比例的升高,六种混合燃料的水冷壁平均热负荷呈现下降趋势,且六种混合燃料之间的差异由最初的26%降低为11%。其中,西山贫煤和京西无烟煤与玉米秸秆混合成的两种混合燃料具有较高的水冷壁平均热负荷,而丰广褐煤的水冷壁平均热负荷最低。由于水冷壁热负荷主要受每千克燃料的有效热和炉膛出口烟气焓值决定,根据表1可知,西山贫煤具有最高的收到基低位发热量、丰广褐煤的收到基低位发热量最低。因此,在与玉米秸秆掺混后,西山贫煤与玉米秸秆混合燃料的每千克燃料发热量最高,从而导致水冷壁平均热负荷最高。但由于随着掺混比例的升高,西山贫煤与玉米秸秆混合燃料的每千克燃料发热量下降率最快,因此该混合燃料在10%～80%掺混比例范围内,下降幅度最大。

图7 掺混比例对水冷壁平均热负荷的影响

2.7 掺混比例对炉内火焰黑度的影响

掺混比例对炉内火焰黑度的影响,如图8所示,由图8可知,六种混合燃料的炉内火焰黑度随着掺混比例的增大而不断升高。其中,丰广褐煤构成的混合燃料具有最高的炉膛火焰黑度。炉内火焰黑度受炉膛出口烟温影响较大,且随着炉膛出口烟温的增大而降低。由图3可知,随着掺混比例的增大,六种混合燃料的炉膛出口烟温均降低,且由丰广褐煤构成的混合燃料具有最低的炉膛出口烟温。因此,该混合燃料的炉内火焰黑度最高。

3 结 论

1) 京西无烟煤与玉米秸秆构成的混合燃料具有最高的理论燃烧温度,且与由西山贫煤构成的混合燃料具有相当的炉膛火焰平均温度、水冷壁传热热流、炉内火焰黑度、水冷壁平均热负荷。丰广褐煤构成的混合燃料具有最高的炉内火焰黑度。

2) 随着掺混比例的增大,六种混合燃料的烟气量、水冷壁传热热流、水冷壁平均热负荷、炉膛火焰平均温度均呈现下降趋势。京西无烟煤和西山贫煤两种混合燃料的理论燃烧温度与其他四种混合燃料的变化趋势相反。六种混合燃料的炉内火焰黑度均呈现上升趋势。