1000 MW超超臨界燃煤鍋爐高比例摻混生物質對爐內傳熱特性的影響

黃曦平,王艷紅

(1.國能徐州發電有限公司,江蘇 徐州 221000;2.東北電力大學能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)

0 引 言

2020年9月,國家提出2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的宏偉目標。在“雙碳”目標下,對于清潔、低碳、安全、高效的能源利用方式的需求愈發迫切[1]。從生命周期循環方面而言,生物質可被視為一種二氧化碳近零排放量的一種燃料[2],因此將生物質與燃煤進行混合燃燒發電能夠有效減少碳的排放。

目前,針對生物質與燃煤摻混燃燒的研究主要集中于燃燒特性、灰渣特性、污染物排放及經濟性分析等方面[3]。馬輝等[4]采用熱重分析法研究了煤與三種生物質摻混燃燒的燃燒特性,研究發現秸稈的摻混能夠改善煤的著火性能和綜合燃燒特性。Niu和傅杰文等[5-6]分別將污泥與燃煤進行摻混,進行了共燃特性研究。發現提高摻混比例和氧氣濃度能夠使燃燒更加劇烈。陳漢平等[7]對煤與生物質混合燃燒的灰渣特性進行了分析,并得出棉桿與木屑相比更容易造成積灰結渣的結論。韓奎華等[8]采用固定床實驗系統分析了蘭炭與秸稈混合燃燒后的灰樣熔融性能。

在污染物排放方面,國內外學者也進行了大量的研究。宋長忠等[9]利用循環流化床進行了生物質與褐煤混合燃燒煙氣中 SO2排放狀況的研究。研究發現摻混不同生物質,SO2析出程度存在明顯差異。生物質摻混比例越高,SO2排放量越小。Daood和Pei等[10-11]研究了在富氧燃燒的條件下,污染物 NOx、SO2的排放影響因素。趙瑞娥等[12-13]研究了稻殼和秸稈混煤燃燒對爐內污染物排放的影響。結果表明,當燃燒溫度不變時,爐膛出口污染物排放量隨燃料中稻殼所占比重增加而降低。胡帆等[14]采用實驗方法研究了溫度和氧濃度對生物質混合燃料 NO 釋放特性的影響。肖志前等[15]研究了生物質直燃鍋爐摻燒不同品種、不同比例煤后對鍋爐經濟性能的影響。研究表明,在20%熱值煙煤摻燒比例下鍋爐熱效率比純燃生物質提高2.34%。此外,張小桃等[16-17]針對不同生物質氣與燃煤電站鍋爐耦合的燃燒及環保特性進行了模擬。李昱喆等[18]采用數值模擬手段,模擬了50 MW 等級生物質鍋爐與 600 MW 機組通過蒸汽耦合發電,發現生物質發電效率比獨立運行提高 8.24%。另外,王一坤等[19-20]研究了生物質氣參數對間接耦合發電機組排煙溫度、減溫水量、熱效率等的影響。

綜上所述,廣大學者針對生物質和燃煤摻混的研究主要集中在燃燒熱性、污染物排放分析等方面[21-23]。對于生物質與不同煤種在高比例摻混條件下對鍋爐爐膛的傳熱特性研究相對較少。因此,本文建立了生物質摻混燃煤對鍋爐爐膛內傳熱特性影響的數學模型,以某1 000 MW超超臨界壓力鍋爐為研究對象,研究了玉米秸稈與京西無煙煤、西山貧煤、龍鳳洗中煤、神華煤、義馬煙煤、豐廣褐煤在不同摻混比例下對爐膛傳熱特性的影響。獲得了爐膛出口煙氣量、爐膛出口煙溫、水冷壁傳熱熱流、爐內火焰黑度、水冷壁平均熱負荷、爐膛火焰平均溫度以及理論燃燒溫度隨摻混比例的變化規律。本文所做工作可為不同煤種與生物質在高比例摻混條件下的燃煤耦合生物質發電提供了一定的理論參考依據。

1 計算基礎參數

1.1 機組概況

本研究選擇某1 000 MW超超臨界壓力鍋爐進行計算分析。該機組為常規П型布置,采用四角切圓的燃燒方式,在BMCR工況時,設計參數為:過熱器出口壓力、汽溫、蒸汽流量分別為26.75 MPa、603 ℃、2 950 t/h,采用五排燃燒器運行。圖1為某1 000 MW超超臨界壓力鍋爐結構示意圖。

圖1 某1 000 MW超超臨界壓力鍋爐爐膛結構及尺寸

1.2 設計煤種及生物質參數

計算煤種選擇六種實際燃用煤種,生物質選擇經自然干燥后的玉米秸稈,具體參數如表1所示。

表1 燃料參數

1.3 理論計算模型

本研究采用鍋爐熱力計算校核軟件對爐膛傳熱特性進行計算?；旌先剂系脑爻煞謪⒖脊I鍋爐設計計算標準方法中關于燃用混合燃料的計算方法[24],即

(1)

若不考慮氣體和固體不完全燃燒熱損失變化,則理論燃燒溫度的變化量可表示為

Δ?l=k1·ΔQar,net+k2·Δ?PY+k3·Δtrk

(2)

其中,

(3)

(4)

(5)

爐膛出口煙溫的變化量可表示為

(6)

其中,

(7)

混合燃料煙氣量隨摻混比例的變化量為

(8)

公式中:ΔVy為混合燃料煙氣量的變化量,Nm3/kg;ΔV0為混合燃料理論空氣量的變化量,Nm3/kg。

爐膛火焰平均溫度(爐內煙氣溫度)可表示為

(9)

公式中:?PY為煙氣的平均溫度,℃;Δ?PY為爐內煙氣平均溫度的變化量,℃。

隨摻混比例的變化,混合燃料對爐內水冷壁的平均熱流密度(平均熱負荷)的變化量為

(10)

公式中:Δqav為水冷壁平均熱負荷變化量,kW/m2;qav為水冷壁平均熱負荷,kW/m2;B為燃料量,kg/s。

火焰對水冷壁傳熱熱流的變化量為

(11)

公式中:qR為火焰對水冷壁的傳熱熱流,kW/m2; ΔqR為火焰對水冷壁的傳熱熱流的變化量,kW/m2;Csyn為輻射熱交換綜合系數;TPY為煙氣平均溫度,K;T2為水冷壁管壁灰污表面溫度,K,由鍋爐熱力計算得到。

1.4 模型驗證

為驗證模型的可靠性,在鍋爐BMCR工況下,采用本文模型計算的爐膛出口煙溫和水冷壁平均熱負荷同鍋爐熱力計算方法計算得到的結果進行了對比,比較結果如表2所示。

表2 本文模型和鍋爐熱力計算結果的比較

由表2可知,在BMCR工況下,最大計算誤差低于2 %。由此說明,本文提出的分析模型可以用于分析生物質燃煤摻混對鍋爐爐膛傳熱特性的影響。

2 摻混比例對爐膛傳熱特性影響研究

本研究對機組在BMCR工況下,將玉米秸稈分別與京西無煙煤、西山貧煤、龍鳳洗中煤、神華煤、義馬煙煤、豐廣褐煤等六種實際煤種在不同摻混比例下進行鍋爐爐膛傳熱特性計算。需要注意的是,在計算時假設在不同摻混比例燃燒的情況下,過量空氣系數、固體未完全燃燒熱損失和化學未完全燃燒熱損失均保持不變。

2.1 摻混比例對理論燃燒溫度的影響

摻混比例對理論燃燒溫度的影響如圖2所示。由圖2可知,隨著玉米秸稈在六種混合燃料中所占的質量分額升高,六種混合燃料的理論燃燒溫度之間的差異逐漸增大。這是因為理論燃燒溫度與混合燃料的熱值呈現正相關 。由于玉米秸稈的熱值遠低于六種燃煤的熱值,因此隨著摻混比例的增大,混合燃料的熱值不斷降低,從而導致混合燃料理論燃燒溫度降低。其中,京西無煙煤和西山貧煤兩種混合燃料的理論燃燒溫度下降幅度相對較小。由于豐廣褐煤自身的熱值較低,因此豐廣褐煤和玉米秸稈組成的混合燃料理論燃燒溫度降低幅度最大為2.9%。

圖2 摻混比例對理論燃燒溫度的影響

2.2 摻混比例對爐膛出口煙氣溫度的影響

摻混比例對爐膛出口煙溫的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著玉米秸稈的摻混比例增加,六種混合燃料在爐膛出口煙氣溫度之間的差異同樣出現減小的現象,且六種混合燃料燃燒產生的爐膛出口煙氣溫度均呈現下降趨勢。眾多周知,爐膛出口煙氣溫度與入爐熱、爐膛內受熱面的布置、燃燒產物特性等密切相關。隨著摻混比例的增大,對于六種混合燃料而言,入爐熱量均逐漸減少,因此,六種混合燃料燃燒產生的爐膛出口煙氣隨著入爐熱量的減少而逐漸降低。其中,義馬煙煤、龍鳳洗中煤、豐廣褐煤三種與玉米秸稈摻混的混合燃料每千克燃料的有效熱分別為17 531.7、13 373.18、13 246.89 kJ/kg遠低于其余三種混合燃料,因此這三種混合燃料的爐膛出口煙氣溫度遠低于其余三種混合燃料。

圖3 摻混比例對爐膛出口煙溫的影響

2.3 摻混比例對煙氣量的影響

摻混比例對煙氣量的影響如圖4所示。在低摻混比例條件下,六種混合燃料的煙氣量差異較大,當摻混比例增大至80%時,西山貧煤和豐廣褐煤兩種混合煤種的煙氣量差異僅為67 Nm3/kg?；旌先剂先紵a生的煙氣量由理論空氣量和理論煙氣量共同決定。隨著摻混比例的不斷升高,六種混合燃料的理論空氣量和理論煙氣量均逐漸降低,因此混合燃料燃燒產生的煙氣量均出現降低趨勢。此外,由于京西無煙煤和神華煤兩種混合燃料所需的理論空氣量及理論煙氣量相差不大,因此煙氣量隨摻混比例的變化曲線幾乎重合。由于西山貧煤與玉米秸稈構成的混合燃料的理論空氣量和理論煙氣量均高于其他五種混合燃料,所以該混合燃料具有最高的煙氣量,且該混合燃料的煙氣量隨摻混比例的增大而下降的幅度最大。

圖4 摻混比例對煙氣量的影響

2.4 摻混比例對爐膛火焰平均溫度的影響

摻混比例對爐膛火焰平均溫度的影響,如圖5所示。爐膛火焰平均溫度大小由理論燃燒溫度和無量綱火焰平均溫度的乘積決定。由圖5可知,隨著摻混比例的升高,六種混合煤種在爐膛火焰平均溫度間的差異逐漸降低。六種混合燃料的爐膛火焰平均溫度均出現降低趨勢,該現象可由圖2進行解釋。針對理論燃燒溫度隨摻混比例降低的兩種混合燃料(京西無煙煤、西山貧煤分別與玉米秸稈摻混構成的混合燃料),兩種混合燃料的理論燃燒溫度和無量綱火焰平均溫度均隨摻混比例升高而逐漸減少,因此該兩種混合燃料的爐膛火焰平均溫度呈現下降趨勢。而對于理論燃燒溫度隨摻混比例降低的其他四種混合燃料而言,由于理論燃燒溫度的升高幅度遠低于無量綱火焰平均溫度的下降幅度,因此同樣爐膛火焰平均溫度同樣隨著摻混比例的升高而下降。

圖5 摻混比例對爐膛火焰平均溫度的影響

2.5 摻混比例對水冷壁傳熱熱流的影響

圖6為摻混比例對水冷壁傳熱熱流的影響。如圖6所示,六種混合燃料的水冷壁傳熱熱流隨著摻混比例的升高均呈現降低趨勢,且六種混合燃料間的差異逐漸降低。由于水冷壁傳熱熱流與爐膛火焰平均溫度呈正相關,因此水冷壁傳熱熱流隨著爐膛火焰平均溫度的降低而降低。由圖5可知,京西無煙煤構成的混合燃料與西山貧煤構成的混合燃料爐膛火焰平均溫度十分接近,因此該兩混合燃料的水冷壁傳熱熱流也十分接近。同時,豐廣褐煤構成的混合燃料的爐膛火焰平均溫度在六種混合燃料中最低,由此導致豐廣褐煤構成的混合燃料具有最小的水冷壁傳熱熱流v。

圖6 摻混比例對水冷壁傳熱熱流的影響

2.6 摻混比例對水冷壁平均熱負荷的影響

摻混比例對水冷壁平均熱負荷的影響,如圖7所示。由圖7可知,隨著摻混比例的升高,六種混合燃料的水冷壁平均熱負荷呈現下降趨勢,且六種混合燃料之間的差異由最初的26%降低為11%。其中,西山貧煤和京西無煙煤與玉米秸稈混合成的兩種混合燃料具有較高的水冷壁平均熱負荷,而豐廣褐煤的水冷壁平均熱負荷最低。由于水冷壁熱負荷主要受每千克燃料的有效熱和爐膛出口煙氣焓值決定,根據表1可知,西山貧煤具有最高的收到基低位發熱量、豐廣褐煤的收到基低位發熱量最低。因此,在與玉米秸稈摻混后,西山貧煤與玉米秸稈混合燃料的每千克燃料發熱量最高,從而導致水冷壁平均熱負荷最高。但由于隨著摻混比例的升高,西山貧煤與玉米秸稈混合燃料的每千克燃料發熱量下降率最快,因此該混合燃料在10%～80%摻混比例范圍內,下降幅度最大。

圖7 摻混比例對水冷壁平均熱負荷的影響

2.7 摻混比例對爐內火焰黑度的影響

摻混比例對爐內火焰黑度的影響,如圖8所示,由圖8可知,六種混合燃料的爐內火焰黑度隨著摻混比例的增大而不斷升高。其中,豐廣褐煤構成的混合燃料具有最高的爐膛火焰黑度。爐內火焰黑度受爐膛出口煙溫影響較大,且隨著爐膛出口煙溫的增大而降低。由圖3可知,隨著摻混比例的增大,六種混合燃料的爐膛出口煙溫均降低,且由豐廣褐煤構成的混合燃料具有最低的爐膛出口煙溫。因此,該混合燃料的爐內火焰黑度最高。

3 結 論

1) 京西無煙煤與玉米秸稈構成的混合燃料具有最高的理論燃燒溫度,且與由西山貧煤構成的混合燃料具有相當的爐膛火焰平均溫度、水冷壁傳熱熱流、爐內火焰黑度、水冷壁平均熱負荷。豐廣褐煤構成的混合燃料具有最高的爐內火焰黑度。

2) 隨著摻混比例的增大,六種混合燃料的煙氣量、水冷壁傳熱熱流、水冷壁平均熱負荷、爐膛火焰平均溫度均呈現下降趨勢。京西無煙煤和西山貧煤兩種混合燃料的理論燃燒溫度與其他四種混合燃料的變化趨勢相反。六種混合燃料的爐內火焰黑度均呈現上升趨勢。