生物质与燃煤耦合燃烧过程数值模拟实例

时间：2026-01-23 理论教育安安版权反馈

【摘要】：燃烧器采用四角布置、同心正反切圆，其中一次风内切圆直径约为1.2 m，二次风外切圆直径为5～6 m，一次风与二次风混合强烈，有利于煤粉完全燃烧。图8-28为锅炉改造前生物质与煤混燃比例分别为0%、10%、20%时，一次风、二次风和燃尽风风口横截面速度矢量图。

本节以300 MW四角切圆煤粉锅炉为研究对象，对炉内生物质与煤混燃进行数值模拟，研究低氮改造前后不同混燃比例、不同混燃方式和不同生物质种类对炉内温度场、速度场、气体成分分布场的影响，为生物质与煤在大型锅炉内的混燃应用提供参考依据。

8.3.3.1　300 MW锅炉简介

本锅炉是采用美国ABB-CE公司技术，由上海锅炉厂制造的SG-1025/18.3-M843型亚临界中间一次再热汽包炉，单炉膛，炉膛宽度约为14 m，深度约为12.3 m，燃用中等结渣性烟煤，配有中速磨直吹式制粉系统，固态排渣，π型布置。燃烧器采用四角布置、同心正反切圆，其中一次风内切圆直径约为1.2 m，二次风外切圆直径为5～6 m，一次风与二次风混合强烈，有利于煤粉完全燃烧。同时，一次风携带煤粉在炉膛中央燃烧，二次风包裹着一次风，避免了一次风对水冷壁的冲刷，另外使水冷壁附近形成富氧状态，减少了结渣腐蚀。该锅炉一共有四层，每层四角各设置一个燃烧器，一共有16个燃烧器。燃烧器喷嘴采用一、二次风喷嘴间隔布置形式，一次风口四边通以周界风。锅炉主要技术参数如表8-18所示。

表8-18　锅炉主要技术参数

续表

为减少氮氧化物的排放，对该锅炉进行了低氮改造，最终确定将一部分二次风从二次风箱引出，由燃烧区上端供入炉膛，即对二次风、燃尽风（OFA）、分离燃尽风（SOFA）风量进行合理重新分配，以使燃烧区总体处于贫氧的还原性气氛，从而有效抑制NOx的生成。改造前后的炉膛喷口位置和各风口空气喷入方向如图8-26所示。

图8-26　改造前后的炉膛喷口位置和各风口喷入方向示意图

8.3.3.2　锅炉建模及网格划分

对锅炉进行如图8-27所示的建模和网格划分。

其中图8-27（a）为原始炉膛模型，图8-27（b）为在主燃烧区域上部加SOFA层喷口后的炉膛模型。对于切圆锅炉炉膛网格生成方法，潘维和李彦鹏发现pave方法辐射状网格可有效抑制伪扩散。所以本算例采用pave网格对主燃烧区进行横截面区域划分，模型的网格划分如图8-27（c）所示。主燃烧区域流场复杂，对其进行局部加密，网格数量较多，而在冷灰斗及上部烟道区域流场变化相对较小，网格相对稀疏，总体网格数量约为100万个。图8-27（d）所示为主燃烧区域横截面网格，尽量保证了网格线方向与流场方向一致，减少了由伪扩散带来的误差。

图8-27　锅炉改造前后的建模和网格划分

8.3.3.3　数学模型

炉膛内的燃烧过程非常复杂，且受流动、传热传质和化学反应的控制，涉及三维的非稳态、多相、多组分、热量的传递等。其中，热量的传递过程包括对流换热、辐射换热、化工装备热传导，涉及的相关化学反应有气相燃烧、颗粒相燃烧两部分。

本算例根据前述数值计算模型和国内外诸多学者对炉膛模拟的经验，在炉内煤粉燃烧计算过程中，具体采用如下数学模型。

（1）湍流模型采用带旋流的k-ε双方程模型。该模型能更好地模拟旋流和二次流等流动问题，对圆柱扰流尤其有效，而锅炉内的气体流动表现为三维湍流，采用该模型可更准确地进行计算。

（2）对煤粉颗粒运动，采用拉格朗日离散相模型。该模型在求解过程中可把湍流对颗粒运动的影响考虑在内。

（3）对气相燃烧，采用非预混燃烧模型。该模型可较好地求解混合分数输运方程，其中单个组分的浓度由预测得到的混合分数分布求得。该模型是专门为求解湍流扩散火焰问题而开发的，在许多方面比有限速率模型优越。

（4）煤粉燃烧分为三个阶段：煤粉颗粒加热、挥发分析出和焦的燃烧。对于煤粉挥发分析出，采用两步竞争反应速率模型。该模型可在不同范围内采用不同的挥发分析出温度。对于生物质的挥发分析出，采用单步反应速率（single-rate）模型，其指前因子和活化能根据模拟参数设定。对于焦的燃烧，采用扩散-动力学控制反应速率模型。

（5）辐射模型采用P1模型。该模型简单，计算量小，并考虑了散射和颗粒的影响。

（6）由于快速型NOx含量较少，占氮氧化物排放总量比例小于5%，因此本次计算只启动热力型和燃料型NOx生成模型。PDF模型采用混合分数模型（mixture fraction），热力型NOx中［O］［OH］模型均采用局部均衡模型（partial-equilibrium）。

8.3.3.4　典型参数设定

模拟中用到的四种燃料——烟煤、木屑、谷壳、稻草的工业分析和元素分析如表8-19所示。燃料的喷入速度为一次风速的0.9倍，温度与一次风的温度相同。燃烧氧化剂的温度为一次风、二次风的质量加权温度，煤粉的挥发分析出温度取经验值773 K。

表8-19　不同燃料的工业分析和元素分析

a差减法。

在后处理计算NOx生成时，煤焦的比表面积设置为37000 m2/kg，生物质焦的比表面积为125000 m2/kg。挥发分含氮量为干燥无灰基含氮量与挥发分百分数乘积，转换率设为1；焦炭含氮量为干燥无灰基含氮量与固定碳百分数的乘积，转换率设为0.5。

在模拟生物质与煤混燃之前，先模拟纯煤燃烧工况，为后续的模拟选择合适的参数和模型，同时把模拟结果与实际测量的数据进行对比，如表8-20所示，以验证模拟的准确性。通过比较，我们发现模拟结果中炉膛内烟气温度与炉膛出口NOx含量等后续模拟工况需要的关键宏观量与实际测量的结果相近。这说明了本次模拟选用的模型参数可靠，计算结果可信。

表8-20　实际测量与模拟结果的对比

8.3.3.5　数值计算结果及分析

1.不同混燃比例的影响

在锅炉生物质混燃比例分别为0%（即纯煤）、10%、20%的工况（见表8-21）下，比较改造前和改造后沿着炉膛高度，速度、温度、CO、CO2、NOx的变化。

表8-21　改造前后不同掺混比的工况设定

1）锅炉改造前不同混燃比例的模拟计算结果

（1）速度矢量图。

图8-28为锅炉改造前生物质与煤混燃比例分别为0%、10%、20%时，一次风、二次风和燃尽风风口横截面速度矢量图。从图中可以看出，在一次风、二次风风口横截面及燃尽风风口横截面都有四股射流喷入炉膛，形成很明显的逆时针旋转的速度切圆，并且没有气流冲墙现象，随着炉膛高度的增加，炉内的空气流场速度分布更加均匀，炉内空气动力场组织良好。不同混燃比例对应的速度矢量图相似，说明不同的混燃比例对炉内流场影响不大。

（2）颗粒轨迹线。

图8-29为生物质与煤不同混燃比例下炉内颗粒轨迹图。从图中可以看出，煤粉从一次风口喷入，随着气流向炉膛出口螺旋上升，很少量的煤粉会因为重力落向冷灰斗，煤粉在炉膛内的充满度较好，这样煤粉的燃烧更加充分，燃料的不完全燃烧热损失少，保证了锅炉的燃烧效率。在冷灰斗中，生物质与煤混燃比纯煤燃烧颗粒更多，主要是因为燃料总热值不变，随着生物质混燃比例的增加，燃料量增加，落入冷灰斗的颗粒数相应增多。

（3）温度分布图。

图8-30所示为三种工况下炉膛中心截面温度分布图。由于四角切圆的中心对称的炉膛结构和四角均等供粉供风等条件，因此炉膛中心截面温度场基本处于对称状态。炉膛的高温区处于冷灰斗上部到分割屏入口，该区域燃料喷入被加热，挥发分迅速析出并剧烈燃烧，燃料随着气流向上逐渐燃尽。分割屏之后，随着燃料的燃尽和各种换热器的换热作用，烟气温度逐渐降低。由于生物质挥发分含量较高，燃料着火提前，燃料能够更快燃尽，所以炉膛上部温度下降较快，炉膛内高温区域减少，且生物质热值低，使得炉膛内温度水平整体下降。

图8-31为截面最高温度和平均烟温随炉膛高度的变化曲线。从图中可以看出，9～22 m之间的主燃烧区温度最大值较大，纯煤燃烧温度最大值达到2030 K。随着混燃比例增加，截面温度最大值逐渐减小，混燃比例为20%时，整个炉膛燃烧区域最高温度只有1920 K。22～37 m燃尽区温度最大值随着炉膛高度增加而逐渐下降，并且逐渐接近截面平均温度，这说明随着炉膛高度增加，截面温度逐渐趋于均匀。在10～20 m区域，截面平均温度较低，这是因为此区域喷入的空气和煤粉需要吸收热量以达到着火温度。随着一次风、二次风的交替喷入，该区域的截面平均温度呈现波浪式波动，并且随着混燃比例增加，波动减小，这是因为生物质的加入使着火提前，燃料和空气能够更迅速地达到高温。在20～30 m区域，截面平均温度较高，这时燃料和空气已经全部喷入，煤粉进入剧烈燃烧阶段，随着生物质混燃比例增加，炉内截面平均温度随着炉膛高度逐渐增加，在35 m分割屏入口处，混燃20%生物质工况下的截面平均温度比纯煤工况下的截面平均温度低150 K。

图8-28　锅炉改造前一次风、二次风和燃尽风风口横截面速度矢量图

从图8-32可以看出，在一次风风口横截面处，进入炉内的燃料被迅速加热，挥发分析出，剧烈燃烧，在燃烧器喷口出现了高温区，并且在炉膛内空气流场的作用下，形成高温区在内、低温区在外的温度场分布。对于纯煤，其燃料密度较大，在四角强射流作用下，空气和燃料在炉膛中央形成漩涡，产生一个低温区域，使得炉膛内的高温区域呈现环状分布，并且随着漩涡强度的减弱，低温区域逐渐减小，在燃尽风风口横截面处低温区消失。而在有生物质混燃的情况下，生物质密度较小，挥发分含量高，使得一次风、二次风、燃尽风风口横截面的温度分布比纯煤工况下的温度分布都更加均匀，没有形成中心低温区。从图中观察射流方向，可以看出，燃尽风有解旋作用。由于四角切圆旋流的存在，一次风、二次风、燃尽风风口横截面的温度分布随着截面高度的增加而更加均匀，这与速度矢量图中的速度分布一致。

图8-29　炉内颗粒轨迹图

图8-30　炉膛中心截面温度分布图

图8-31　截面最高温度和平均烟温随炉膛高度的变化曲线

图8-32　锅炉一次风、二次风和燃尽风风口横截面温度分布云图

（4）CO浓度分布图。

从图8-33和图8-34中可以看出，CO主要分布在燃烧器区域，随着燃料燃尽，其浓度逐渐降低。

图8-33　炉膛中心截面CO浓度分布图

图8-34　CO浓度随炉膛高度的变化曲线

由于纯煤为单一燃料，燃烧特性不变，在燃烧器出口挥发分迅速析出，处于富燃料状态，CO浓度迅速上升到较大值。在煤粉中掺入木屑，两种燃料的燃烧特性不同，燃烧有先后，使得炉内燃烧更加充分均匀，燃烧器区域CO浓度随着混燃比例增加而减少。三种工况下，在炉膛出口处，CO浓度相当。

（5）O2浓度分布图。

从图8-35和图8-36可以看出，O2的浓度分布与CO的浓度分布有着相反的结果。燃料燃烧区域消耗大量O2，所以空气从各风口喷入炉膛中心区域，O2浓度迅速降低。由于风口空气喷入，在燃烧器区域，O2浓度有所波动，在所有空气喷入后，随着燃料燃尽，O2浓度逐渐降低。木屑混燃比例越大，燃烧区域O2浓度越低，由此表明混燃能够加剧炉内燃料燃烧。通过炉膛中心区域O2浓度分布图可以看出，在靠近炉膛壁区域，O2含量较高，形成富氧区域，这将有助于保护炉墙，减少结焦和腐蚀。(https://www.xing528.com)

图8-35　炉膛中心截面O2浓度分布图

图8-36　O2浓度随炉膛高度的变化曲线

（6）NOx浓度分布图。

从图8-37和图8-38可以看出，主燃烧区域NOx含量较高，尤其是纯煤粉燃烧时，整个主燃烧区NOx含量都很高，平均为1250 mg/Nm3，而生物质与煤混燃时，随着炉膛高度增加，NO浓度呈现先增大后减小的变化趋势，在18m处达到最大值。生物质混燃比例为10%时，NOx浓度为980 mg/Nm3；生物质混燃比例为20%时，NOx浓度为760 mg/Nm3。随着燃烧器区域煤粉与空气交替喷入，NOx浓度有少量波动，在主燃烧区上部，随着炉膛高度的增加，NOx浓度逐渐减小。

图8-37　炉膛中心截面NOx浓度分布图

图8-38　NOx浓度随炉膛高度的变化曲线

从三种工况下的曲线图可以看出，随着生物质混燃比例的增加，NOx含量在总体分布上呈现下降趋势，这主要是因为与煤粉相比，生物质含氮量低，燃料型NOx生成量减少，且混燃的炉内温度低于纯煤燃烧的炉内温度，热力型NOx生成量减少。此外，生物质中挥发分含量高，在较低温度下就能够着火燃烧，在燃烧初期形成还原性气氛。相比于煤粉的挥发分，生物质的挥发分更富有还原性成分，如CH4、H2。这些因素都将有利于减少NO的排放。

结合上述分析和表8-22所示的结果比较，可以看出：工况1-1（纯煤燃烧）NOx的排放量较高；工况1-3（混燃20%生物质）的折焰角温度太低，无法保证锅炉的正常热负荷；工况1-2（混燃10%生物质）的折焰角温度为1588 K，与原始工况相差不大，对锅炉的热负荷影响较小，可通过少量增加受热面的方法来保证锅炉蒸汽参数，并且该工况下NOx的排放量比纯煤工况下NOx的排放量有所降低。综合比较发现，生物质混燃比例为10%时，混燃对炉内流场、燃料颗粒轨迹影响不大，炉内温度场分布良好，对燃烧效率影响不大，既能保证锅炉的热负荷，又能降低NOx的排放量。

表8-22　三种工况的计算结果比较（折焰角参数）

2）锅炉改造后不同混燃比例的模拟计算结果

下面为锅炉改造后生物质与煤混燃比例分别为0%、10%、20%时的模拟计算结果。

从图8-39中可看出，三种工况下的温度变化趋势相似，截面最大温度在燃烧器区域和燃尽风风口上方出现峰值，并且在这两个区域内燃烧平均温度都较高。这主要是因为燃烧器区域一次风、二次风交替喷入，燃料燃烧剧烈，同时在燃尽风风口喷入的空气使未燃尽的燃料得到进一步燃烧。从图中可以明显看出，混燃后炉膛内温度水平整体降低，混燃20%生物质时温度降低尤其明显。

图8-39　截面最高温度和平均温度随炉膛高度的变化曲线

从图8-40可以看出，CO、O2的浓度变化趋势相反，燃烧器区域燃烧剧烈，O2迅速消耗，同时处于富燃料燃烧状态，不完全燃烧产物CO浓度处于较高水平。在整个炉膛内部，混燃的CO浓度都低于纯煤燃烧的CO浓度，并且混燃比例越大，CO浓度越低，这是因为生物质燃尽性能好。在出口处，三种工况下CO浓度相当，说明三种工况下燃料的燃尽效果良好。出口处，混燃比纯煤燃烧的O2浓度低，这有利于降低NOx的排放。从NOx浓度变化曲线图也可以看出，在燃尽风风口下方，NO浓度出现一个低谷，这主要是因为此区域O2含量低，CO含量高，处于还原气氛中，抑制了NOx的生成。燃尽风的喷入使燃料燃尽，NOx浓度略有升高，同时该区域氧气充分，部分已生成的NOx逐渐被氧化，所以燃尽风风口上部NOx浓度降低。混燃生物质后，NOx浓度大幅度下降，混燃比例越大，效果越明显。

表8-23所示为锅炉改造后混燃不同比例生物质的计算结果，分析得出混燃比例为10%时，折焰角处温度与燃煤工况下的相当，说明锅炉热负荷能够得到保障，而NOx的排放量降低，由314 mg/Nm3降到307 mg/Nm3，因此10%是较为合适的混燃比例。这与锅炉改造前不同混燃比例模拟计算结果分析一致。

图8-40　不同工况下参数随炉膛高度的变化曲线

表8-23　三种工况的计算结果比较（折焰角参数）

对比改造前后的计算结果，可以看出加燃尽风后，NOx排放显著降低，这主要是因为主燃烧区的O2浓度降低，抑制和减少了NO的生成。

2.燃料不同喷入方式比较

表8-24所示为改造后锅炉生物质混燃比例为10%、20%时，燃料不同喷入方式的工况设置。

表8-24　燃料不同喷入方式的工况设置

1）生物质混燃比例为20%时燃料不同喷入方式对炉膛内各参数的影响

图8-41所示为炉膛中心截面温度分布云图。图8-42为所示为不同工况下温度随炉膛高度的变化曲线。从温度分布云图可以看出，三种工况下温度分布相似，燃烧器区域温度较高，中心截面温度呈左右对称分布，说明空气动力场良好，炉膛温度充满度好。与工况3-1生物质与煤从四层喷口均匀喷入相比，工况3-2下面三层一次风喷入煤粉，第四层燃烧器喷入生物质，可以使不易燃尽的煤粉能够在炉膛内停留更长时间，易着火燃尽的生物质在上方能够迅速剧烈燃烧，这也有利于下面三层喷入的煤粉燃尽，同时这种燃烧方式也降低了炉膛内部的最高温度范围，使炉膛内温度更加均匀，有利于减少结焦和结渣。工况3-3与工况3-2相比，第四层喷口向上倾斜5°，这将提高炉膛上部温度，从温度分布云图也可看出，工况3-3下炉膛内部温度充满度更好。但是炉膛折焰角上方是屏式过热器，温度过高会对换热管道有冲刷腐蚀作用，影响换热效果。

图8-41　炉膛中心截面温度分布云图

图8-42　不同工况下温度随炉膛高度的变化曲线

图8-43为不同工况下O2、CO、NOx浓度随炉膛高度变化曲线。从图中可以看出，工况3-1和工况3-2下O2、CO浓度变化曲线相似，工况3-3与前两种工况相比，在12～17m区域O2浓度较低，说明燃料燃烧消耗O2更快，而在17～23 m区域CO浓度低，这是因为生物质上层带倾角的喷入燃烧剧烈，促进了未燃尽碳的燃烧。三种工况下NOx浓度随炉膛高度的变化趋势相似，7～18 m剧烈燃烧区域NOx浓度升高，18～23 m区域燃料逐渐燃尽，处于还原性气氛，NOx浓度逐渐降低。燃尽风的喷入使NOx浓度略有升高，在燃尽风上方区域，随着炉膛高度增加，NOx浓度逐渐降低。

曾有不少学者通过生物质再燃的方式降低NOx的排放，原理是将燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰的上方喷入生物质以建立一个富燃料区，还原已生成的NOx，例如B.R.Adams等人就对将木屑作为再燃燃料喷入煤粉炉的可行性进行了数值模拟分析，结果显示，至少可以实现40%的NOx减排，如果使用烟气来携带木屑，那么NOx减排效果可达55%。而此模拟在上层喷入生物质时，NOx排放量反而升高，原因可能是三种工况下空气在炉膛中的喷入位置和喷入量都相同，在上层喷入生物质也难以形成富燃料区域。

通过表8-25所示三种工况的计算结果比较，可以看出在炉膛上层喷入生物质，提高了折焰角处的温度，大约提高了40 K，这改善了混燃生物质降低炉膛整体温度水平的影响，可应用于工业锅炉混燃。工况3-3下第四层一次风向上倾斜喷入炉膛，与工况3-2相比，对炉膛内的温度影响不大，NOx的排放略有降低，是三种工况中较为合理的燃料喷入方式。

表8-25　三种工况的计算结果比较（折焰角参数）