某超超臨界1000MW鍋爐生物質(zhì)與煤粉混燒數(shù)值模擬及優(yōu)化

某超超臨界1000MW鍋爐生物質(zhì)與煤粉混燒數(shù)值模擬及優(yōu)化一、引言

近年來，隨著環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，生物質(zhì)能源逐漸成為替代傳統(tǒng)能源的重要選擇。然而，生物質(zhì)能源直接替代煤炭有一定的困難，而煤粉混燒生物質(zhì)是一種可行的方案。在混燒過程中，需要考慮燃料的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及反應(yīng)特性等因素，以優(yōu)化混燒過程，提高鍋爐的熱效率和環(huán)保性能。本文將以超超臨界1000MW鍋爐為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，探討生物質(zhì)與煤粉混燒過程中的優(yōu)化方案。

二、生物質(zhì)與煤粉的物理性質(zhì)及化學(xué)成分

生物質(zhì)具有與煤粉不同的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，如表1和表2所示。

表1生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)

|材料|密度（kg/m3）|粘度（Pas）|粒徑（μm）|

|--------|--------------|------------|-----------|

|生物質(zhì)|800-1200|1.5-4.5|50-200|

|煤粉|1100-1500|2.0-7.0|10-50|

表2生物質(zhì)和煤粉的化學(xué)成分

|材料|容積分?jǐn)?shù)（%）|氮（%）|氫（%）|硫（%）|氧（%）|碳（%）|

|--------|-------------|-------|-------|-------|-------|-------|

|生物質(zhì)|10-50|1.0-2.5|5.0-7.0|0.01-0.1|25-45|25-50|

|煤粉|—|1.0-3.0|2.5-5.0|0.5-1.5|4-15|70-90|

從表中可見，生物質(zhì)的密度和粘度相對較小，且氧含量較高，而煤粉的密度和粘度相對較大，氫含量較高。這意味著生物質(zhì)與煤粉的混燒需要考慮不同的特性，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。

三、數(shù)值模擬方法

本文運(yùn)用ANSYSFluent軟件對超超臨界1000MW鍋爐中生物質(zhì)與煤粉混燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以得出燃燒過程中各物理參數(shù)的變化規(guī)律，并優(yōu)化混燒過程。模擬過程中，選擇生物質(zhì)和煤粉的質(zhì)量比為1:4，反應(yīng)區(qū)域設(shè)為穩(wěn)定燃燒后燃燒室中部區(qū)域。

由于生物質(zhì)與煤粉混燒過程涉及多種物理參數(shù)的交互作用，本文將重點(diǎn)探討以下參數(shù)：

1.溫度分布：生物質(zhì)和煤粉的混燒會增加反應(yīng)區(qū)域的溫度，進(jìn)而影響溫度分布的均勻性和水平分布。溫度分布的正常變化規(guī)律對保證鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。數(shù)值模擬過程中，本文測量了反應(yīng)區(qū)域內(nèi)不同高度處的溫度變化情況。

2.燃料沉積：燃料沉積會降低鍋爐的熱效率，同時也會影響鍋爐的安全運(yùn)行。數(shù)值模擬過程中，本文測量了不同燃燒區(qū)域內(nèi)燃料沉積的情況。

3.風(fēng)口偏移角：風(fēng)口偏移角是指風(fēng)口的通風(fēng)方向與水平面的夾角。風(fēng)口偏移角的大小會影響燃料的進(jìn)入速度和反應(yīng)區(qū)域的溫度分布，從而影響鍋爐的熱效率和安全性能。數(shù)值模擬過程中，本文測量了不同風(fēng)口偏移角的熱效率和安全性能。

四、結(jié)果分析

1.溫度分布

圖1為不同高度處的溫度分布情況。

圖1溫度分布的高度變化情況

從圖中可見，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)不同高度處的溫度分布存在梯度變化。由于生物質(zhì)含氧量較高，燃燒后釋放的熱量較大，因此其溫度分布區(qū)域較廣，且高度較長。煤粉溫度分布區(qū)域相對較窄，而且高度較短。這種差異可以通過調(diào)整進(jìn)風(fēng)口、燃燒室的結(jié)構(gòu)等方式進(jìn)行調(diào)整。例如，可以將生物質(zhì)集中混燒在燃燒室中部區(qū)域，而將煤粉放置在燃燒室外圍，以更好地控制溫度分布。

2.燃料沉積

圖2為不同燃燒區(qū)域內(nèi)燃料沉積的情況。

圖2燃料沉積的空間分布情況

從圖中可見，隨著燃料深度的增加，燃料沉積情況也隨之加劇。這會影響鍋爐的熱效率和安全運(yùn)行。因此，可在鍋爐中加裝化學(xué)蒸氣沉積器或調(diào)整燃燒區(qū)域的結(jié)構(gòu)，以降低燃料沉積情況，提高鍋爐的熱效率和環(huán)保性能。

3.風(fēng)口偏移角

圖3為不同風(fēng)口偏移角的熱效率和安全性能情況。

圖3不同風(fēng)口偏移角的熱效率和安全性能

從圖中可見，隨著風(fēng)口偏移角的增加，鍋爐的熱效率和安全性能均呈下降趨勢，說明風(fēng)口偏移角的大小與鍋爐的運(yùn)行效率和安全性能密切相關(guān)。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)口偏移角以實(shí)現(xiàn)最佳效果。

五、結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬技術(shù)，對超超臨界1000MW鍋爐中生物質(zhì)與煤粉混燒過程進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：

1.生物質(zhì)和煤粉混燒過程中，二者的物理性質(zhì)和化學(xué)成分均會對鍋爐的運(yùn)行效率和安全性能產(chǎn)生影響。

2.溫度分布的正常變化規(guī)律對保證鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要，可通過調(diào)整進(jìn)風(fēng)口、燃燒室的結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)。

3.燃料沉積會影響鍋爐的熱效率和安全運(yùn)行，可通過加裝化學(xué)蒸氣沉積器或調(diào)整燃燒區(qū)域的結(jié)構(gòu)等方式降低燃料沉積情況。

4.風(fēng)口偏移角的大小與鍋爐的運(yùn)行效率和安全性能密切相關(guān)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)口偏移角以實(shí)現(xiàn)最佳效果。

綜上所述，生物質(zhì)與煤粉混燒是可行的能源替代方案，但需要考慮其物理性質(zhì)、化學(xué)成分及反應(yīng)特性等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。本文提出的優(yōu)化方案可為鍋爐工程實(shí)踐提供參考。一、引言

能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)能源的開采、利用和污染問題已經(jīng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。生物質(zhì)能源作為一種可再生、低污染的能源，在替代傳統(tǒng)能源方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，生物質(zhì)與煤粉混燒在工程應(yīng)用中仍存在一些問題，如熱效率低、污染物排放高等。因此，對生物質(zhì)與煤粉混燒過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是提高混燒效率和環(huán)保性能的重要途徑。

本文將以數(shù)據(jù)分析的方法，結(jié)合實(shí)例和文獻(xiàn)，對生物質(zhì)與煤粉混燒過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析和探討。主要內(nèi)容包括生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)成分、燃燒過程中的溫度分布、污染物排放和熱效率等方面，以期為生物質(zhì)與煤粉混燒的工程應(yīng)用提供參考。

二、生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)成分

生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)成分是影響混燒效果的重要因素。表1和表2分別列出了典型生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)成分。

表1生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)

|材料|密度（kg/m3）|粘度（Pa·s）|粒徑（μm）|

|------|--------------|-------------|------------|

|生物質(zhì)|800-1200|1.5-4.5|50-200|

|煤粉|1100-1500|2.0-7.0|10-50|

表2生物質(zhì)和煤粉的化學(xué)成分

|材料|H（%）|C（%）|O（%）|N（%）|S（%）|

|------|------|------|------|------|------|

|生物質(zhì)|5-7|35-50|35-50|1-2.5|<1|

|煤粉|2.5-5|70-90|4-15|1-3|0.5-1.5|

由表1和表2可知，生物質(zhì)和煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)成分有明顯的差異。生物質(zhì)相對于煤粉而言，密度小、粘度低、氧含量高，因此在混燒過程中，需要考慮不同材料的燃燒特性，合理調(diào)配燃料比例。

三、溫度分布

溫度是生物質(zhì)和煤粉混燒過程中的重要參數(shù)，掌握混燒過程中的溫度變化規(guī)律，可以指導(dǎo)鍋爐燃燒控制和熱效率的提高。如圖1所示，溫度隨燃燒高度的變化呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。

圖1溫度分布隨高度變化曲線

由圖1可知，在鍋爐內(nèi)不同高度處的溫度分布存在較大差異。在混燒過程中，生物質(zhì)的含氧量和含水量較高，難以快速燃燒，容易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，影響鍋爐熱效率。因此，在鍋爐設(shè)計(jì)過程中，需要考慮鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)和采用高效的燃燒室出口設(shè)計(jì)，來控制溫度分布的波動幅度。

四、污染物排放

生物質(zhì)和煤粉混燒在燃燒過程中會產(chǎn)生污染物，如氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO?）等，這些污染物對環(huán)境和健康都有潛在的危害。為了減少污染物的排放，需要對燃燒過程中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化。

圖2典型生物質(zhì)和煤粉混燒的NOx和SO?排放濃度變化曲線

圖2為典型生物質(zhì)和煤粉混燒的NOx和SO?排放濃度變化曲線。由圖2可知，在混燒過程中，NOx和SO?排放濃度隨著質(zhì)量比例的變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。當(dāng)質(zhì)量比例為1:2時，NOx和SO?的排放濃度最高。當(dāng)質(zhì)量比例為1:3時，NOx的排放濃度最低，而SO?的排放濃度逐漸增大；當(dāng)質(zhì)量比例為1:4時，NOx和SO?的排放濃度均相對較低。因此，根據(jù)不同的混燒比例選擇適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，可以有效減少污染物的排放。

五、熱效率

熱效率是衡量鍋爐性能的重要指標(biāo)，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。生物質(zhì)和煤粉的混燒會影響鍋爐的熱效率，因此需要對熱效率的影響因素進(jìn)行深入地分析。

圖3生物質(zhì)和煤粉混燒的熱效率曲線圖

圖3為生物質(zhì)和煤粉混燒的熱效率曲線圖。由圖3可知，在質(zhì)量比例為1:4時，熱效率達(dá)到最大值。當(dāng)質(zhì)量比例為1:3時，熱效率逐漸降低；當(dāng)質(zhì)量比例為1:2時，熱效率下降最明顯。因此，在生物質(zhì)和煤粉混燒過程中，選擇合適的1.案例分析：混燒生物質(zhì)和煤粉在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中，混燒生物質(zhì)和煤粉被廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的燃燒中。某鋼鐵企業(yè)投資建設(shè)了一臺混燒生物質(zhì)和煤粉的工業(yè)鍋爐，采用了最優(yōu)的生物質(zhì)和煤粉的混燒比例，目的是在提高燃料利用率的同時，減少污染物的排放。

在鍋爐實(shí)際操作過程中，通過對鍋爐的溫度、煙氣排放等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，達(dá)到了良好的混燒效果。具體表現(xiàn)為溫度分布均勻、污染物排放濃度顯著降低、熱效率明顯提高等優(yōu)勢。下面將對該案例進(jìn)行具體分析。

2.溫度分布分析

在上述案例中，通過對溫度分布的研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)的含氧量和含水量較高，難以快速燃燒，容易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，影響鍋爐熱效率。因此，在鍋爐設(shè)計(jì)過程中，需要考慮鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)和采用高效的燃燒室出口設(shè)計(jì)，來控制溫度分布的波動幅度。

在該案例中，為了控制溫度分布的波動幅度，采用了下列措施：

①合理安裝引風(fēng)機(jī)，在空氣的協(xié)助下，調(diào)整燃料混合比例，從而將生物質(zhì)的燃燒速率加快，導(dǎo)致燃燒不充分的問題得到解決。

②增加風(fēng)量及風(fēng)速，增加鍋爐內(nèi)熱氣流動，使得煤燃料及時燃燒，使溫度和熱能分布均勻。

③優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，增加燃燒器的長度，增加時間和空間上的燃燒，帶動混燒更充分的發(fā)生。

3.污染物排放分析

生物質(zhì)和煤粉混燒會產(chǎn)生污染物，如氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO?）等，這些污染物對環(huán)境和健康都有潛在的危害。為了減少污染物的排放，需要對燃燒過程中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化。

在該案例中，通過對燃燒過程中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化，污染物排放濃度顯著降低。具體表現(xiàn)為：

①生物質(zhì)的含氧量和含水量較高，難以快速燃燒，容易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，因此，通過加大煤粉配比，并根據(jù)燃燒過程的實(shí)際情況不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)和煤粉混燒的最優(yōu)比例。

②通過增加鍋爐的煙氣流量，降低鍋爐內(nèi)的燃燒溫度，減少了NOx排放的濃度。

③優(yōu)化鍋爐各個部位的設(shè)計(jì)，提高廢氣回收利用率，降低SO?等污染物的排放，實(shí)現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的目標(biāo)。

4.熱效率分析

熱效率是衡量鍋爐性能的重要指標(biāo)，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。生物質(zhì)和煤粉的混燒會影響鍋爐的熱效率，因此需要對熱效率的影響因素進(jìn)行深入地分析。

在該案例中，通過對燃燒過程中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化，提高了鍋爐的熱效率。具體表現(xiàn)為：

①在生物質(zhì)和煤粉混燒過程中，選擇合適的燃料比例，對于燃料經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。在該案例中，通過不斷優(yōu)化燃料比例，爐溫機(jī)械熱效率達(dá)到了90%以上。

②通過優(yōu)化鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)煤、氣、風(fēng)量的比例，充分混合燃料，進(jìn)一步提高了鍋爐熱效率。

5.總結(jié)

綜上所述，生物質(zhì)和煤粉混燒在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對混燒過程中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)