燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟.doc
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1、燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟摘要:为解决生物质直燃给锅炉带来的运行问题,以及燃煤锅炉掺烧秸秆气对运行性能以及污染物排放的影响,建立了秸秆气化及秸秆气与煤混合燃烧模型,且对模型的气化过程与燃烧过程进行了合理验证。为保证锅炉稳定运行,设置进入锅炉系统的总热值不变,在不同秸秆含水率、秸秆气掺烧比例及炉膛过量空气系数下,研究锅炉运行性能及污染物排放变化规律。结果表明:与纯煤燃烧相比,当掺烧比和含水率从10%增大到30%,混燃温度降低,最大降幅为89.3;在5%30%秸秆含水率及10%30%秸秆气掺烧比例下,空气预热器出口处排烟体积、排烟密度、排烟质量均有变化,掺烧后锅炉效率变化范围为9
2、2.72%93.71%,系统效率变化范围为88.75%92.62%;空气预热器出口处烟气中NO与SO2排放浓度随掺烧比增大均减小,10%掺烧比例条件下,过量空气系数增大,NO排放浓度先增大后稍有下降,SO2排放浓度减小。该研究为实现生物质的合理应用并减小已有燃煤电厂的污染物排放提供了理论依据。引言燃煤锅炉掺烧生物质气可以为生物质的大规模利用提供条件,减小污染物排放,但又会对锅炉运行,如锅炉效率与尾部受热面带来一定的影响。目前,生物质气化技术已经比较成熟并且有很多的应用。Gagliano等1-3通过模拟生物质的气化过程,证明了模型的合理性;Laxmi等4-7均研究了生物质在不同气化氛围下的气化结
3、果。秦恒飞等8-12利用试验分析生物质气化过程对气化效果的影响,得到了气化最优方案。金亮等13利用生物质固定床气化技术,获得了较高气化效率。毛健雄14表明生物质气化后合成气的热值主要取决于生物质的含水率。在生物质与煤的混合燃烧方面,马爱玲等15通过研究煤与生物质在不同掺烧比例下的混合燃烧特性,表明生物质添加量越大,燃烧性能改善越显著。刘翔等16研究认为草本类生物质与烟煤混烧降低了着火温度。谭巍等17-19通过试验研究了生物质与煤的混合掺烧过程,发现共燃后炉膛放热更均匀、燃烧更稳定,且掺烧比例越大改善程度越佳;Sun等20-21通过常速原理取样的试验方法与数值模拟法验证了生物质与煤混燃后随掺烧比
4、的增大飞灰量减小;陈海平等22认为掺烧生物质易造成锅炉主燃烧区结渣,受热面腐蚀,从而降低锅炉燃烧效率;Tae-Young等23经模拟发现生物质与劣质煤混燃降低了电站效率;Dong等24在电站锅炉的基础上研究了生物质气与煤混燃避免了锅炉腐蚀问题并改变了灰特性。宋前进等25-27通过模拟表明生物质或生物质气与煤混燃后,随掺烧比的增大,NOx、SOx排放浓度均减小,且掺烧比越大减排效果越明显。生物质在气化炉内气化产生的低热值燃气,通过热燃气输送管道送入锅炉燃烧室与煤混合燃烧,由于气化产生的燃气温度为600700,在此温度下焦油不会凝结,以气态的形式存在,不会在燃气输送管道中冷凝和粘附,且焦油在锅炉内
5、完全燃烧,不会对锅炉产生影响28-29,因而本论文针对生物质气与煤混合燃烧进行研究。论文利用AspenPlus软件对生物质气化过程、生物质气与煤混燃过程以及尾部受热面和空气预热器中的介质与烟气传热的过程进行模拟及模型验证,研究生物质含水率、生物质气掺烧比及锅炉炉膛过量空气系数对混合燃烧过程、锅炉运行性能以及污染物排放的影响,进而为生物质气的合理利用提供依据。1生物质气与煤混合燃烧流程及理论基础1.1秸秆气与煤混燃流程秸秆气与煤混燃过程主要包括:1)秸秆的气化过程:将秸秆与空气加入气化炉进行气化,气化后生成含有一定可燃成分的秸秆气与秸秆灰。2)秸秆气与煤的混燃过程:秸秆气与煤在燃煤锅炉里混合燃烧
6、。由于秸秆气的特性与煤不同,掺烧秸秆气后将会对锅炉炉膛内的燃烧过程以及尾部受热面的传热等造成影响。3)尾部受热面热交换过程:尾部受热面部分由换热器作为冷却器,将烟气在通过过热器、再热器、省煤器所传递给蒸汽和水的热量设置为此处的热负荷。秸秆气化与煤混燃及尾部受热面换热过程流程图如图1所示。1.2研究对象国内某电厂330MW燃煤锅炉机组,锅炉为亚临界、自然循环、单炉膛四角切圆燃烧。秸秆先在循环流化床气化炉中进行气化,气化产生的秸秆气直接通入煤粉炉中燃烧。基于330MW锅炉,10%秸秆气掺烧比工况选用2个气化炉,其生物质处理量为10t/h的气化装置,产气量约20000m3/h,燃气热值约为3000k
7、J/kg,同样的20%、30%秸秆气掺烧比工况分别使用4、6个这样的气化炉。煤种选择平顶山烟煤,生物质种类选取秸秆,燃料成分分析如表1所示。1.3秸秆气与煤混燃理论基础在额定工况下,基于输入锅炉总热量不变,秸秆气掺烧比是秸秆气携带的热量占总输入锅炉热量的比值如式(1)所示。首先,在仿真过程中,炉膛内的过量空气系数取1,尾部受热面在炉膛出口和省煤器出口分别考虑了漏风。主要包括以下工况:纯煤工况,作为对比分析的基础工况;秸秆气掺烧比例分别为10%、20%、30%;秸秆含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。计算得到的最佳空燃比条件下秸秆气中各组分的体积分数随秸秆含水率变化趋势如图
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