Please wait a minute...
浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (10): 1898-1906    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.10.007
机械与能源工程     
烟气再循环对生物质炉排炉燃烧影响的数值模拟
陆燕宁1(),章洪涛1,许岩韦2,朱燕群1,*(),万凯迪1,邵哲如2,王智化1
1. 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2. 光大环保技术研究院（南京）有限公司，江苏 南京 211000
Numerical simulation of effects of flue gas recirculation on biomass combustion in grate boiler
Yan-ning LU1(),Hong-tao ZHANG1,Yan-wei XU2,Yan-qun ZHU1,*(),Kai-di WAN1,Zhe-ru SHAO2,Zhi-hua WANG1
1. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2. Everbright Enviromental Technology Research Institute Limited Company, Nanjing 211000, China
 全文: PDF(1114 KB)   HTML
摘要：

针对生物质锅炉实际运行过程中常出现水冷壁腐蚀严重、屏式过热器积灰多和NOx排放量高等问题，以一台某电厂额定蒸发量为130 t/h的生物质往复式水冷炉排炉为研究对象，提出二次风掺混再循环烟气燃烧的方法，采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术对炉内燃烧过程进行热态模拟，旨在为锅炉的实际运行操作提供理论指导. 计算结果表明，采用烟气再循环可以增强炉膛上部气流扰动，改善炉内温度分布的均匀性，提高燃尽率，同时降低屏区火焰温度，减轻大屏积灰结渣风险；后墙下二次风掺混再循环烟气后，主燃区形成还原性气氛，温度下降，有效抑制热力型NOx的生成.后墙下二次风掺混30%再循环烟气的工况炉内气流均匀饱满，高温烟气分布从炉膛深度中心向前、后墙两侧稳定下降，NOx排放质量浓度相对于无再循环烟气时减少了32.1%.
关键词： 生物质炉排炉;  计算流体力学（CFD）;  烟气再循环技术;  二次风;  氮氧化物（NOx）    
Abstract:

A method of mixing secondary air with reciprocating flue gas combustion was conducted on a 130 t/h biomass grate boiler in order to solve the problems of serious corrosion of water wall, excessive ash accumulation of screen superheater and high NOx emission in the operation of biomass boilers. The computational fluid dynamics (CFD) simulation approach was applied to simulate the combustion process in the furnace in order to provide theoretical guidance for the actual operation of the boiler. CFD simulation results indicate that flue gas injected with upper secondary air can improve the gas temperature distribution by facilitating the gas flow disturbance in the upper furnace, and mitigate the fouling and slagging issues of the platen superheater by lowering and uniforming the gas temperature; flue gas injected with lower secondary air helps to reduce the peak combustion temperature and inhibit the formation of thermal NOx. The combustion in the boiler was improved with a more uniform burning condition by optimizing secondary air distribution with the flue gas recirculation technology, and the NOx emission was reduced by 32.1% compared to the original condition before the optimization.
Key words: biomass grate boiler    computational fluid dynamics (CFD)    flue gas recirculation technology    secondary air    NOx
收稿日期: 2018-06-22 出版日期: 2019-09-30
CLC:  TK 16  
通讯作者: 朱燕群     E-mail: 21627100@zju.edu.cn;yqzhu@zju.edu.cn
作者简介: 陆燕宁（1994—），女，硕士生，从事生物质焚烧炉排炉数值模拟研究. orcid.org/0000-0002-2305-1906. E-mail： 21627100@zju.edu.cn
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
作者相关文章　　
陆燕宁
章洪涛
许岩韦
朱燕群
万凯迪
邵哲如
王智化

引用本文:

陆燕宁,章洪涛,许岩韦,朱燕群,万凯迪,邵哲如,王智化. 烟气再循环对生物质炉排炉燃烧影响的数值模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(10): 1898-1906.

Yan-ning LU,Hong-tao ZHANG,Yan-wei XU,Yan-qun ZHU,Kai-di WAN,Zhe-ru SHAO,Zhi-hua WANG. Numerical simulation of effects of flue gas recirculation on biomass combustion in grate boiler. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(10): 1898-1906.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.10.007    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I10/1898

元素分析wB/% 工业分析wB/%
注：1)表中数据为收到基.
C H O N S M V FC A
26.66 3.37 23.41 0.41 0.10 32.4 44.79 9.15 13.66
表 1  生物质层料的元素分析和工业分析 1)
图 1  生物质炉排炉炉膛几何模型
图 2  NOx转化模型的示意图[18]
图 3  烟气再循环工况A1配风
工况编号 ${\alpha _{\rm{1}}}$/% ${\alpha _{{\rm{ign}}}}$/% ${\alpha _{{\rm{21}}}}$/% ${\alpha _{22}}$/% ${\alpha _{{\rm{23}}}}$/% ${\alpha _{{\rm{24}}}}$/%
A0 58.1 6.0 12.8 0 23.1 0
A1 58.1 6.0 12.8 0 23.1 0
B1 58.1 6.0 12.8 0 18 5.1
B2 58.1 6.0 12.8 0 14.6 8.5
B3 58.1 6.0 12.8 0 11.2 11.9
表 2  所有计算工况空气的分配比例
工况编号 ${\beta _{{\rm{21}}}}$/% ${\beta _{22}}$/% ${\beta _{{\rm{23}}}}$/% ${\beta _{{\rm{24}}}}$/%
A0 0 0 0 0
A1 0 15.5 0 14.5
B1 0 15.5 4.4 10.1
B2 0 15.5 7.3 7.3
B3 0 15.5 10.1 4.4
表 3  所有计算工况再循环烟气的分配比例
图 4  原始计算工况A0中心截面温度分布
图 5  原始计算工况A0炉内流场分布
图 6  工况A1中心截面温度分布
图 7  工况A1炉膛流场分布
图 8  下二次风掺混再循环烟气工况（B1，B2，B3）炉膛中心截面的温度分布
工况编号 Tt /K Tf /K To /K ${\varphi _{\rm O_2}}$/% ${\varphi _{\rm CO}}$/10?6
A0 1277 1242 993 3.6% 2 220
A1 1283 1128 953 3.4% <1
B1 1291 1138 959 3.6% <1
B2 1266 1149 973 3.3% <1
B3 1286 1135 990 3.6% <1
表 4  不同二次风配风工况（A0，A1，B1，B2，B3）计算结果统计
图 9  不同二次风配风工况（A0，A1，B1，B2，B3）喉口截面沿x方向平均温度分布
图 10  不同二次风配风工况（A0，A1，B1，B2，B3）燃烧室出口截面沿x方向平均温度分布
图 11  下二次风掺混再循环烟气工况（B1，B2，B3）炉膛流线分布
工况编号 $\rho_{{\rm{NO}}_x} $/（mg·m?3）
A0 304.2
A1 246.3
B1 206.4
B2 247.8
B3 253.6
表 5  不同二次风配风工况（A0，A1，B1，B2，B3）第一烟道出口NOx排放质量浓度
1 雒廷亮 生物质能的应用前景分析[J]. 能源研究与信息, 2003, (04): 194- 197
LUO Ting-liang Application prospect analysis of biomass energy[J]. Energy Research and Information, 2003, (04): 194- 197
doi: 10.3969/j.issn.1008-8857.2003.04.002
2 高尚武. 森林能源研究[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1999.
3 娄喜艳, 丁锦平 生物质能源发展现状及应用前景[J]. 中国农业文摘-农业工程, 2017, 29 (02): 12- 14
LOU Xi-yan, DING Jin-ping Research on the current development and application prospect of biomass energy[J]. Agricultural Science and Engineering in China, 2017, 29 (02): 12- 14
4 曾宇, 谭四军 利用光合菌发酵对玉米秸秆进行转化的研究[J]. 微生物学通报, 2002, 28 (6): 5- 9
ZENG Yu, TAN Si-jun Studies on teh utilizing the photosynthetic bacterium fermentation for biotransformation on corn straw[J]. Microbiology, 2002, 28 (6): 5- 9
doi: 10.3969/j.issn.0253-2654.2002.06.002
5 2016年我国生物质发电现状及发展前景分析[EB/OL]. [2016-11-28]. http://www.chyxx.com/industry/201611/471934.html.
6 国家能源局. 生物质能发展" 十三五”规划[EB/OL]. (2016-10-28)[2018-03-20]. http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/06/content_5143612.htm.
7 赵杰. 生物质气再燃还原NOx的实验研究[D]. 上海: 上海应用技术大学, 2016.
ZHAO Jie. Experimental study on NOx reduction by biomass reburning [D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technology, 2016.
8 熊义. 生物质层燃炉内燃烧与NOx排放模型研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2016.
XIONG Yi. Study on the combustion and NOx emission model for the grate furnace of biomass [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2016.
9 韩海燕. 生物质层燃炉内燃烧特性的数值模拟研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.
HAN Hai-yan. Numerical simulation of combustion in biomass grate furnaces [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.
10 黄长华, 程永霞 生物质直燃发电厂锅炉炉型选择探讨[J]. 南方能源建设, 2015, 2 (02): 70- 75
HUANG Chang-hua, CHEN Yong-xia Biomass power plant boiler type selection of direct combustion[J]. Energy Construction, 2015, 2 (02): 70- 75
11 张建东 烟气再循环技术在垃圾焚烧中的效果分析[J]. 山东工业技术, 2014, (10): 43
ZHANG Jian-dong Analysis of flue gas recirculation effect on solid waste combustion[J]. Shandong Industrial Technology, 2014, (10): 43
12 宋少鹏, 卓建坤, 李娜, 等 燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36 (24): 6849- 6858
SONG Shao-peng, ZHUO Jian-kun, LI Na, et al Low NOx combustion mechanism of a natural gas burner with fuel-staged and flue gas recirculation [J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36 (24): 6849- 6858
13 胡满银, 乔欢, 杜欣 烟气再循环对炉内氮氧化物生成影响的数值模拟[J]. 华北电力大学学报: 自然科学版, 2007, (06): 77- 82
HU Man-yin, QIAO Huan, DU Xin Numerical simulations of the influence of flue gas recycle on nitrogen oxide formation in boiler[J]. Journal of North China Electric Power University: Natural Science Edition, 2007, (06): 77- 82
14 YANG Y B, YAMAUCHI H, NASSERZADEH V, et al Effects of fuel devolatilisation on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal solid wastes in apacked bed[J]. Fuel, 2003, 82 (18): 2205- 2221
doi: 10.1016/S0016-2361(03)00145-5
15 RYU C K, YANG Y B, NASSERZADEH V, et al Thermal reaction modeling of a large municipal solid waste incinerator[J]. Combustion Science and Technology, 2004, 176 (11): 1891- 1907
doi: 10.1080/00102200490504526
16 RYU C K, CHOI S 3-dimensional simulation of air mixing in the MSW incinerators[J]. Combustion Science and Technology, 1996, 119 (1-6): 155- 170
doi: 10.1080/00102209608951997
17 刘瑞媚, 刘玉坤, 王智化, 等 垃圾焚烧炉排炉二次风配风的CFD优化模拟[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2017, 51 (03): 500- 507
LIU Rui-mei, LIU Yu-kun, WANG Zhi-hua, et al CFD simulation and optimization of secondary air distribution for waste combustion in grate furnace[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2017, 51 (03): 500- 507
18 吕钰, 王智化, 杨卫娟, 等 大型燃煤锅炉SNCR过程数值研究[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2010, 44 (04): 750- 755
LV Yu, WANG Zhi-hua, YANG Wei-juan, et al Numerical study of SNCR process in coal-fired boiler with large capacity[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2010, 44 (04): 750- 755
19 岑可法, 姚强, 骆仲泱, 等. 燃烧理论与污染控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004: 435-445.
20 刘瑞媚. 大型炉排炉垃圾焚烧过程的CFD模拟研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2017.
LIU Rui-mei. CFD simulation study on combustion of municipal solid waste in the large-scale grate incinerator [D]. Zhejiang: Zhejiang University, 2017.
21 周克毅, 冷伟, 钟辉, 等. 锅炉原理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009: 292-294.
22 BALTASAR J, CARVALHO M G, COELHO P, et al Flue gas recirculation in a gas-fired laboratory furnace: measurements and modeling[J]. Fuel, 1997, 76 (10): 919- 929
doi: 10.1016/S0016-2361(97)00093-8
23 CHO E S, CHUNG S H Characteristics of NOx emission with flue gas dilution in air and fuel sides [J]. KSME International Journal, 2004, 18 (12): 2303- 2309
doi: 10.1007/BF02990235
[1] 高用祥,洪都,成有为,王丽军,李希. 连续三相喷射环流反应器的实验和数值模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(5): 997-1005.
[2] 王悦荟,刘聪,王鹏飞,许忠斌,阮晓东,付新. 蒸汽发生器致畸变入流对核主泵流动性能的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(11): 2076-2084.
[3] 陈伟, 秦仙蓉, 杨志刚. 塔式起重机塔身和起重臂的风载荷特征分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(12): 2262-2270.
[4] 刘瑞媚, 刘玉坤, 王智化, 刘颖祖, 胡利华,邵哲如, 岑可法. 垃圾焚烧炉排炉二次风配风的CFD优化模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(3): 500-507.
[5] 孙婧元, 楼佳明, 黄正梁, 王靖岱, 蒋斌波, 阳永荣. 液体雾化效果的检测及流体力学模拟[J]. J4, 2012, 46(2): 218-225.
[6] 李强, 刘淑莲, 于桂昌, 潘晓弘, 郑水英. 非线性转子-轴承耦合系统润滑及稳定性分析[J]. J4, 2012, 46(10): 1729-1736.
[7] 周胤,俞亚南,段园煜. 金属压型板屋顶通风层隔热的数值模拟[J]. J4, 2011, 45(1): 112-117.
[8] 郑成航, 程乐鸣, 骆仲泱, 王勤辉, 施正伦, 岑可法. 裤衩型300 MW循环流化床炉膛二次风数值模拟[J]. J4, 2010, 44(4): 743-749.