摘要：针对生物质气掺烧，采用Fluent软件，考察了不同掺烧比例、不同燃气炉负荷下，锅炉的燃烧工况和NO排放情况。模拟结果表明：掺烧生物质气后，燃烧室内火焰向下偏移程度减弱，烟气流动均匀程度提高，火焰冲击减弱;一次换热管内烟气速度提高0.5~2m/s，速度差异由3.6m/s降低至2.7m/s，二次换热管出口烟气速度差异也相应减小;83.3%负荷以下，出口烟气温度显著降低，为确保燃烧稳定，掺烧比例设定在15%~20%较为合理;部分CH4燃烧位置后移，燃烧室壁面温度降低400~600K。同时，NO排放质量浓度及排放量在掺烧生物质气后均显著下降。
关键词：生物质气;掺烧;燃烧工况;NO排放;数值模拟
随着我国“碳中和”及“碳达峰”目标的提出，对传统化石能源替代品的需求将进一步增加。生物质颗粒掺烧作为一种切实可行的方法[1]，在煤电企业中已有较多应用，而生物质气的应用相对较少。我国从1998年便已开始投建生物质气化发电项目[2]，但规模有限，多为示范项目。2006年国能单县生物质发电厂并网发电，之后生物质开发利用速度缓慢[3]，其原因主要为工艺限制、设计困难、经济性低等[4]。生物质原料在农村地区获取方便，且小型生物质气化装置技术成熟，制造简单，符合低强度能源需求[5-9]。若有效利用该类生物质气，将改善当下低强度能源消费以煤炭、天然气及柴油为主的组成结构[10]。
目前，农村等地区小型天然气锅炉使用广泛，限于成本因素，配置脱硝设备的较少，且存在燃烧效率低、安全性差等问题。学者对小型燃气炉的燃烧运行进行了广泛研究，陈卫杰等[11]发现15%的天然气分级燃烧可减少NOx的排放;赵岩等[12]针对小型锅炉尾部管道运行安全问题提出了预防措施;Lee等[13]研究了预混燃烧器在燃气炉中的应用;张军等[14]利用AspenPlus对烟气余热的利用工艺进行了优化;王纪晔等[15]提出以水蒸气作为稀释剂可降低NOx排放。
上述研究多以天然气等为燃料关注燃烧方式的优化，已经较难进一步降低NOx排放。而生物质气燃烧温度低于天然气，可减少NOx产生，用其对天然气锅炉进行掺烧具有一定的环保潜力。本文以现有的燃气炉掺烧生物质气为研究对象，采用Fluent软件，通过数值模拟考察了不同掺烧比例(0、10%、15%、20%、25%)、不同燃气炉负荷(50%、66.7%、83.3%、100%)下，锅炉燃烧和NO排放情况，以期得出生物质气的掺烧特性，为相关应用提供参考。
1燃气炉掺烧生物质气模拟
1.1燃气炉结构
研究对象为某公司生产的1.4MW燃气热水锅炉，布置形式为卧式，出水温度为85°C，回水温度60°C，用于大型建筑或城乡偏远地区冬季供热。其结构主要特点为在燃烧室上方布置有两级换热管，相对于单级换热锅炉能量利用率有所提升，设计值可达90%以上，并在入口增加了生物质气燃烧器。
天然气燃烧器直径200mm，布置于炉膛入口中心;生物质气燃烧器入口为圆环，其中心与天然气燃烧器相同，内直径为200mm、外直径为400mm;燃烧室为柱体，长为2135.5mm，直径为600mm，燃烧室入口设置过渡区域;换热管直径为51mm，长为2018.5mm，错排布置，同层间距80mm，层间距70mm，一次换热管数目78根，二次换热管数目87根，出口设置汇聚空间;出口截面为矩形，宽度为343mm，高度为146mm，长度为412mm。在燃气炉中，射流在燃烧室内燃烧后，在后部发生转向，并向上流动，进入一次换热管内，通过连接部分转向进入二次换热管，在出口区域汇集流出。
1.2掺烧条件
以该型燃气炉为例，在实际运行中，考虑烟气阻力，换热管内烟气平均速度提高程度应低于5m/s。同时为避免局部换热恶化，火焰需尽量靠近燃烧室中央，并在不同负荷下保持稳定。燃气炉设计天然气热值为8850kJ/m3，100%燃气炉负荷下，天然气消耗量为120m3/h。以易获取的玉米秸秆为生物质原料，其含水率约15%~22%，其气化燃气热值为4635kJ/kg。依据相关研究，为获得较高热值，气化炉内平均温度可控制为750°C[16]。
生物质气的热值较低，等热量完全替代天然气会使耗气量过大，且射流速度过高，现有燃气炉内流程转折大，烟气流动结构阻力增大，导致能耗和排烟热损失增加。将生物质气与天然气组合使用，烟气流动阻力有所增加，但远低于完全改用纯生物质气燃烧的情况。以入炉总热值不变为标准，对不同气体比例的生物质气掺烧进行研究。同时，参考东北某市供热站在2020年12月份的基本供热负荷(日均负荷72%，最低负荷位于50%以上)，设置4个负荷工况。
1.3网格设置
模拟中射流造成的卷席明显，烟气双回程换热，速度矢量变化大，涡流数目多，网格伪扩散等情况造成的误差影响不大。为提高计算精确性，避免结构化网格导致的局部流线过于平直理想化，在计算力允许时，采用非结构化网格对模型进行划分[17]，在炉膛和一次换热管部分进行加密。相同工况下计算不同网格数模拟时的出口温度。结果为当网格密度增加，出口截面平均温度下降。其中，网格数为73万时为460K，88万时为443K，97万时为432K，118万时为427K，151万时为423K。当网格数达到151万时，其与网格数为118万时的计算结果差异仅为0.95%，但计算时长增加了50%以上，故选取网格数为118万。
1.4理论模型及假设
炉膛壁面和换热管设置为80°C等温换热;炉膛出口由风机建立-80Pa微负压;湍流模型选用k-ε可实现型，辐射模型P1;入口为速度入口，出口为压力出口，精度二阶，Simple算法。为便于研究，对模型进行合理简化，考虑燃烧热值来源，简化天然气组成为CH4。天然气和生物质气成分稳定，不考虑长期使用后结垢对换热的影响，不考虑入口工质温度的影响，天然气和生物质气初始温度都为300K。
2模拟结果与讨论
2.1模拟结果验证
不同负荷下，使用纯天然气燃气炉出口烟气温度实测值与模拟值变化，实测值大于模拟值，其主要原因是在长期运行中，燃气炉水侧存在结垢的可能，同时入口天然气实际初温可能高于300K。总体看来，实测值与模拟值差异较小，随负荷变化趋势相同。
2.2掺烧工况分析
以燃烧器入口射流反方向为X轴正方向，垂直相反方向为Z轴正方向，侧向水平方向为Y轴正方向。
2.2.1速度分布
使用生物质气进行掺烧，对流场的影响区别于燃料分级燃烧。在使用分级燃烧时，燃烧产物及化学反应放热特性一定。采用生物质气掺烧，因生物质气热值低，保证输入总能量不变时，体积流量变大;同时燃烧产物发生变化，而化学反应放热对气体密度的影响较大，故多种因素综合影响火焰形状变化。以负荷为83.3%、掺烧比例为0和20%为例，燃烧室内Z-X截面，3个垂直高度上火焰射流沿X方向分速度。
u点高度在掺烧比例为0时，X轴0m处(燃烧器入口)附近因涡流分速度较低，-1.0m处速度最高;后随着火焰向下偏斜，上部烟气速度下降;至-2.0m处开始上升，并在-2.5m处接触壁面而转向，分速度迅速下降至0m/s。在掺烧比例为20%时，涡流尺寸缩减导致入口波动消除，速度上升较平缓;同时火焰并未下降偏斜，-2.0m前速度无下降。m点高度受天然气速度影响，虽烟气速度下降，但中间射流刚度大，火焰形状并未发生改变。d点高度在掺烧比例为0时，在入口区别于u点无明显的涡流;后因下方火焰射流开始偏斜，在-0.7m处速度迅速上升，并在-1.0m后保持高速度直至与后方壁面接触，该段距离内，射流贴下部壁面的可能性较大。
在掺烧比例为20%时，入口速度上升较为平缓，同时后部速度也有所下降。总体上掺烧比例为0时，中间大部区域内m点高度上的速度最高，d点次之，u点最低，差异在2m/s左右，这也是导致底部烟气温度高的主要原因。但掺烧比例为20%时，中间区域u、m、d点高度上的速度都维持在8m/s左右，烟气速度均匀程度明显提高。
燃烧室出口的烟气速度分布直接影响热管内的烟气流动。在66.7%负荷下，掺烧比例为0和15%时，X轴为-2m处Z-Y截面，掺烧生物质气使得燃烧室出口的高速度烟气分散，冲击减小，便于烟气转向。整体看来，掺烧后进入一次换热管内的烟气速度有所提高(0.5~2m/s);未掺烧前靠近燃烧室侧烟气管速度较低，掺烧后该情况有所缓解，烟气速度间差异也由3.6m/s降低至2.7m/s。掺烧前，二次换热管出口部分速度较高的区域位于上部，掺烧后整体均匀程度有所提高。
2.2.2出口温度
在不同负荷及掺烧比例下出口烟气温度变化，各工况下，负荷上升，出口烟气温度随之上升，呈现明显的线性变化。掺烧生物质气后，烟气温度降低幅度约为15~20K。相同负荷时，掺烧比例上升温度下降且下降幅度减小。在个别工况下，掺烧会导致燃烧波动，以50%负荷下掺烧比例25%为例，出口温度下降较多。
负荷低于66.7%时，炉内燃烧所需的风量和总体烟气量较小，生物质气体积相对变大;随掺烧比例变化，烟气温度变化较大，对稳定燃烧呈负面影响。100%和83.3%负荷下，由出口温度推测，炉内燃烧情况处于稳定。当负荷低于83.3%，出口温度变化较大，炉内燃烧情况发生剧烈改变。此时，掺烧比例应当限制在15%~20%，减少燃烧波动。
2.2.3燃尽程度
生物质气H2含量较高，过量空气系数为1.2，掺烧后易燃尽，此时影响燃料利用效率的主要为天然气燃烧情况。83.3%负荷不同掺烧比例下，燃烧室后部X轴-2.22m处Z轴方向上CH4的含量(物质的量分数，下同)。未燃的CH4主要集中在Z轴0m附近，掺烧后未燃的CH4含量明显上升;在-0.3m和0.25m附近CH4含量明显下降，此为生物质气携带的O2加速了CH4反应;随着掺烧比例的上升，区域两边CH4含量下降的幅度变大，但中间区域CH4含量基本不变。进一步可知，生物质气中的过量O2并不能在燃烧室内与天然气完全混合，少量CH4的燃烧位置将被推后至一次换热管前及管内区域。
2.3NO排放分析
2.3.1含量分布66.7%负荷不同掺烧比例下X轴-2m处Z-Y截面的NO含量分布。影响NO含量的主要因素之一为温度，未掺烧生物质气时炉膛温度较高，且部分区域烟气流速较低，NO未被及时带走，双重因素导致含量提高。而其下方存在NO含量较低区域，该区域为火焰射流，温度较低，烟气流速较高。一次换热管上部和二次换热管中间区域NO含量较高，说明该区域内的烟气主要来源于燃烧室中NO含量较高区域。采用生物质气掺烧后，燃烧室内NO含量明显下降，随着掺烧比例的增加，炉膛壁四周的NO含量明显下降，截面内的NO含量差异降低。一、二次换热管烟气中NO含量的分布趋势与未掺烧时相同，其浓度差异亦有减小。
2.3.2出口质量浓度与排放量
掺烧生物质气后出口烟气NO质量浓度明显减少，未掺烧时，排放浓度随负荷增长而增长。掺烧后负荷相同时，排放浓度随掺烧比例增长而降低，且出口烟气NO质量浓度均低于80mg/m3，满足大部地区的排放要求。
3结论
模拟了燃气炉掺烧生物质气和天然气，对不同负荷及掺烧比例下锅炉燃烧和NO排放情况进行了研究。掺烧生物质气后，燃烧室内火焰下偏减少，一次换热管内烟气流速提高0.5~2m/s，烟气流速均匀程度提高;当燃气炉负荷低于83.3%，出口烟气温度变化较大，掺烧比例应控制在15%~20%，减少燃烧波动;少量CH4燃烧位置被推后至一次换热管前及管内区域;燃烧室涡流减弱，壁面温度下降400~600K，烟气能量整体分布较均匀，发生局部热应力过大概率明显减少;NO排放质量浓度随掺烧比例上升而大幅下降，NO单位时间排放量亦下降明显。
参考文献
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[2]吴创之,马隆龙,陈勇.生物质气化发电技术发展现状[J].中国科技产业,2006,(2):76-79.
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作者：戚胜，李想
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