引言
从最新发布的《世界能源统计年鉴2018》的统计数据来看，中国的能源增长率依旧保持全球第一，煤炭等一次能源占比虽然在逐步减少，但仍然超过60%[1]。这些发电成本相对较低的火电为我国经济发展输入了大量电力能源的同时，也带来了严重的环保问题，燃煤电厂排放了大气中大约1/2以上的SO2、NOx和烟尘等污染物[2]，这些污染物会造成酸雨、光化学污染、大气污染等危害，造成大量的经济损失的同时严重影响城市居民健康[3]。为了解决这些问题，国家也制定了越来越严格的电厂污染物排放标准。在由国家发改委、国家能源局和环保部三部委联合发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》中提出SO2、NOx和烟尘等排放质量浓度（6%体积分数含氧量条件下）不得超过35、50以及10mg/m3[4]。
1研究对象
B-MCR工况下的设计煤种为山西晋中地区贫煤，煤质分析如表1所示。
锅炉煤粉燃料煤耗量为72.42kg/s，过量空气系数为1.25，总风量为539.37Nm3，配风方式见表2。
2数值模拟方法
炉内燃烧过程是一种复杂的化学物理过程，涉及到流动，传热以及化学反应等过程。经过大量学者研究，四角切圆锅炉燃烧模拟的子模型已经非常成熟。湍流模型采用可实现κ-ε模型，挥发分析出模型采用双步竞争速率模型，辐射换热模型采用P-1模型，气相燃烧模型采用混合分数/PDF模型，
3计算结果与分析
3.1计算模型的验证
3.2生物质气耦合燃烧的影响
原始工况中原有的浓煤粉一次风风速为21.5m/s，按照四角切圆的推荐一次风表，参照烟煤的设计参数，考虑将生物质气喷口一次风风速提高到38m/s，以避免回火问题。此外，生物质气燃烧过量空气系数设置为1.05，则整体过量空气系数为1.22，其余边界条件保持不变。生物质气耦合燃烧时煤粉燃料煤耗量64.45kg/s，生物质气掺烧量42.10Nm3，总风量为527.33Nm3，配风方式如表6所示。
在研究过程中，为研究生物质气不同位置喷口对于生物质气耦合燃烧的影响，对比设置了2种生物质气喷口位置，生物质气分别替换第1层一次风喷口和第2层一次风喷口的煤粉燃料。表7是原始工况与生物质气在不同位置喷入工况的模拟结果，为了进一步解释上述结果，对各个工况下特征参数沿炉膛高度变化规律进行了研究，详细结果见图3。
原始工况与生物质气在不同位置喷入工况的特征参数沿炉膛高度曲线变化见图3，从图3(a)中可以看出加入生物质气燃料后，温度曲线变化规律除了与原始工况类似外，在生物质气燃料喷入前，温度都呈现先下降再继续上升的趋势。在炉膛主燃区下部，生物质气混燃工况的温度略低于原始工况，而在炉膛主燃区上部，生物质气混燃工况的温度逐渐上升并超过原始工况，这可能是由于生物质气混燃工况时生物质气在主燃区炉膛下部消耗了煤粉燃烧所需要的氧气，推迟了煤粉燃烧，从而使火焰调度比原始工况的更高，导致炉膛出口温度更高。在图3(b)中，生物质气混燃的2种工况的氧含量都在生物质气喷入层明显下降，不同之处在于，生物质气第1层喷入时氧量在A、B之间要低于其他2种工况，表明生物质气迅速燃烧消耗氧气，这导致煤粉燃烧推迟。随着燃烧的推进，这些不同的燃烧过程的影响逐渐减少，氧含量曲线开始重合，在炉膛出口处体积分数数据分别为3.74%与3.59%。在图3(c)中，生物质气混燃时冷灰斗区域的CO含量有大幅上升，之后的变化规律与原始工况类似，直至炉膛出口，φ(CO)数值基本重合。在图3(d)中，在生物质气喷入后，NOx质量浓度有明显下降，原因是生物质气的氮含量远低于煤，生物质气混燃工况CO的大量生成抑制了NOx的生成。相比生物质气从第2层喷入，生物质气从第1层喷入时炉膛出口NOx质量浓度更低，这表明生物质气参与燃烧的时间越早，生物质气燃料释放的挥发分等成分产生的还原效果就会更好。
综上分析，同原始工况相比，掺烧生物质气后炉膛出口温度有所上升，氧含量有所下降，有一定的降氮效果。生物质气的喷入位置从第1层提高到第2层后，两者燃烧状况的差异集中在炉膛下部的第1、2层一次风喷口区域，随着燃烧的进行，两者的特征参数曲线基本重合，生物质气投入位置不同的影响基本消失。总体而言，生物质气从第1层喷入时，比从第2层喷入时的NOx排放低，这表明生物质气参与燃烧的时间越早，生物质气燃料释放的挥发分等成分产生的还原效果就会更好。
3.3生物质气再燃的影响
再燃喷口设置在距离最上层一次风喷口上方3.2m的位置，生物质气速度设置为42m/s，热量占比仍为11%，煤粉燃料煤耗量64.45kg/s，生物质气再燃量42.10Nm3，整体的过量空气系数与生物质气掺烧工况一样，锅炉配风比例同原始工况一样如表8所示，但是总风量下降至527.33Nm3。
表9为不同燃烧条件下的模拟结果，为了进一步解释上述结果，对各个工况下特征参数沿炉膛高度变化规律进行了详细研究，结果给出在图4中。
不同燃烧方式条件下特征参数沿着炉膛高度变化见图4。在图4(a)中，生物质气再燃工况在炉膛下部为纯煤燃烧，在冷灰斗和主燃区的变化规律和原始工况的相同，与掺烧生物质的变化有所不同，而在再燃区，两者曲线开始重合，离开再燃区后，相比生物质气从下层喷入工况，再燃工况的温度曲线基本不变，下降幅度不明显。图4(b)中，再燃工况的氧含量曲线在主燃区的炉膛下部明显高于其他工况，这是因为再燃工况的炉膛下部为纯煤的燃烧，相比从下层喷入的生物质气难以着火，所以再燃工况的煤粉燃烧前期相对不太剧烈。随着燃烧反应的进行，两者的曲线开始重合。在接近再燃区的位置，再燃工况的曲线先上升，远超过其他工况的上升幅度，随后骤降到与其他工况一样的水平，这是由于同样的生物质气量从炉膛下部移到再燃喷口，炉膛下部的耗氧量减少所导致的。最终在炉膛出口，再燃工况的数值略小于生物质气从第一层喷入工况的数值，出口氧体积分数为3.57%。在图4(c)中，再燃工况的CO体积分数在主燃区明显低于其他工况，然后在再燃区开始重合，说明了再燃工况下的煤粉在前期得到了完全燃烧。图4(d)中，可以看到生物质气利用方式的不同导致NOx分布产生了巨大的变化。再燃工况在冷灰斗的NOx浓度远高于生物质气混燃工况，略高于原始工况，在主燃区的炉膛下部，生物质气再燃曲线的波动情况更接近于原始工况。
造成这种现象的原因首先是再燃工况下炉膛温度有明显升高，因此热力型NOx生成量提高，此外氧含量也有提高，因此燃料型NOx的生成量提高，所以再燃工况在燃烧初期NOx浓度偏高。而在接近再燃区的位置，受到生物质气再燃的还原作用影响，NOx质量浓度开始持续下降。最终在炉膛出口，再燃工况的数值明显低于其他工况，相应的炉膛出口数据为402mg/Nm3，说明生物质气再燃有明显的降低NOx排放效果。
综上分析，生物质气的利用方式更换为再燃后，由于下部的燃料变为纯煤，主燃区炉膛下部的特征参数曲线与原始工况的情形类似。而在接近再燃区的位置，生物质气再燃工况的NOx曲线持续降低，最终在炉膛出口处质量浓度下降到402mg/Nm3，这是由于受到了生物质气再燃的还原作用影响，主燃区炉膛上部以及再燃区处于还原氛围，因此有很好的降低NOx效果，可以认为生物质气降低NOx排放的最好方式是再燃。
3.4生物质混烧影响
最后，为了进一步比较生物质气耦合燃烧和生物质耦合燃烧的特性，将气化前的生物质直接作为燃料喷入第一层一次风喷口进行计算模拟，生物质喷口一次风风速设为28m/s，其余边界条件保持不变。煤粉燃料煤耗量64.45kg/s，生物质掺烧量是13.28kg/s，总风量为553.27Nm3，过量空气系数为1.25，配风方式如表10所示。
表11为第1层一次风分别喷入生物质和生物质气工况下的模拟结果，为了进一步解释上述结果，对各个工况下特征参数沿炉膛高度变化规律进行了详细研究，结果给出在图5中。
不同燃料条件下特征参数沿炉膛高度方向变化见图5。从图5(a)来看，掺烧燃料从生物质气变为生物质后，温度变化规律类似，但是生物质气工况的温度在冷灰斗和主燃区都低于生物质工况，只有在最后阶段大幅度超过，最后曲线重合。在图5(b)中，掺烧燃料更换的影响集中在冷灰斗区域，随着燃烧反应的进行，两者的曲线开始完全重合，而在炉膛出口处，生物质气工况的含氧量数据低于生物质工况，这是由于掺烧生物质气工况设置的过量空气系数低于生物质工况。同样的在图5(c)中也可以看到，两者的曲线变化规律类似，在主燃区的曲线也基本重合。最后在图5(d)中可以看出，更换掺烧燃料为生物质后，在掺烧燃料喷入层，NOx浓度上升明显，燃烧前期NOx浓度上升到波峰的位置略领先于生物质气工况，随着炉膛高度上升，两者曲线变化规律开始一致，最终炉膛出口NOx质量浓度从512mg/Nm3略微上升到537mg/Nm3。
综上分析，掺烧燃料从生物质气变成生物质后，在掺烧燃料喷入层，温度，NOx质量浓度等上升明显。整体而言炉膛下部的温度上升更加明显，随着燃烧反应的进行，生物质工况在炉膛上部燃烧情形与生物质气工况相差不大，有一定的降低NOx排放效果。
4结论
1）使用生物质气掺烧后，有一定降低NOx的效果。当生物质气从较低位置喷入时，能够尽快参与燃烧过程，生物质气还原NOx效果更好。
2）使用生物质气再燃时，主燃区炉膛下部的特征参数曲线变化规律与原始工况类似，而在接近再燃区的位置，生物质气再燃工况的NOx曲线持续降低，最终在炉膛出口处质量浓度下降到402mg/Nm3，可以认为生物质气降低NOx排放的最好方式是再燃。
3）使用生物质掺烧后，相比于生物质气掺烧工况，炉膛下部的温度更高，炉膛出口NOx质量浓度略微上升。
声明：本站部分文章内容及图片转载于互联 、内容不代表本站观点，如有内容涉及侵权，请您立即联系本站处理，非常感谢！