350MW燃煤锅炉在富氧下掺烧生物质气的数值模拟

为了研究火力燃煤锅炉的碳减排与低氮燃烧技术，本文通过数值模拟方法研究了不同O2/CO2体积分数比的富氧条件下四角切圆锅炉内生物质气与煤粉混燃情况。结果表明：当O2浓度高于29%时，炉膛整体速度梯度提高，有利于煤粉的充分混合燃烧，从而改善了煤粉的燃烧特性；随着O2/CO2体积分数比的增加，炉膛内温度整体是提高的，有利于提高炉膛内的换热性能；随着O2/CO2体积分数比的增加，炉膛内整体的CO2浓度逐渐提高，炉膛出口的CO2浓度是70%~77%，有利于CO2的捕集，同时，炉膛内NOx的浓度也逐渐提高，主要原因是炉膛内的温度随着O2浓度的增加而上升，由此热力型NOx的产生量更大。

火力燃煤锅炉的燃烧过程中产生大量的污染物NOx、SO2、CO2 以及粉尘等， 对环境会造成严重的污染。其中NOx 的排放控制是电力行业的重点治理领域，近年来，随着国家双碳目标的提出，CO2 的减排迫在眉捷[1]。为有效控制电站锅炉燃烧产生的NOx 与CO2，提出在燃煤锅炉中掺烧生物质气，并采用富氧燃烧的方式来实现。富氧燃烧技术是主要的低氮燃烧技术之一[2]，它是将氧气与循环烟气混合后代替空气作为燃烧氛围，能够使燃烧产生的烟气中CO2 体积分数达到80%以上，便于电站锅炉经济、节能地实现大规模的碳捕集。从全生命周期来看，生物质在生长过程中吸收的CO2 在燃烧过程中全部释放，对环境而言具有零碳特性[3]。因此将生物质通过处理形成生物质气并与煤粉混燃，使锅炉燃烧可以兼顾低氮燃烧和碳减排，具有重要的工程实践意义。在国内外相关研究中，文献[4] [5] [6]研究表明，生物质与煤在富氧条件下燃烧的最高反应温度比空气氛围的要低，且生物质的加入可以改善煤的燃烧特性；Liu Hao 等[7]利用顶烧式燃烧炉对比研究O2/CO2 气氛与O2/N2 气氛下火焰燃烧温度，结果表明，富氧气氛中氧浓度在30%时，煤粉燃烧效率与O2/N2 气氛中基本相同；Liu 等[8]计算结果表明，相比空气气氛，富氧气氛中NOx 的排放量将大约减少75%；Zhang 等[9]研究表明，在CO2/O2 下挥发分氮在还原区NO 的转化率增大， 而在氧化区抑制了NO 的转化率。

Stanger 和Singh 等[10] [11]研究表明在富氧条件下， 生物质气与煤粉混燃过程产生的CO2 随着氧气浓度的提高而提高，可以采用碳捕集的手段进行收集。因此，在富氧条件下煤粉中掺烧生物质气一方面可以改善煤粉燃烧特性，增强燃烧强度，另一方面，能够提高炉膛出口的CO2 浓度，有利于碳捕集。本文以350MW 亚临界四角切圆燃烧锅炉为研究对象，通过数值模拟研究不同氧浓度的富氧条件下生煤粉掺烧物质气过程中的炉内流动、传热与燃烧过程，得到了炉膛内的速度场、温度场和气相组分浓度场分布。

2. 研究对象 以某电厂350MW 亚临界四角切圆煤粉锅炉为研究对象， 锅炉几何尺寸为12.43 m × 14.62 m × 55.8 m