协同处置油泥对煤粉炉内热工制度影响的数值模拟_杨智琪.pdf

协同处置油泥对煤粉炉内热工制度影响的数值模拟*杨智琪1，2，马腾1，2，王萌1，2，洪鎏1，2，陈德珍1，2，尹丽洁1，2（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海200092；2.上海多源固废协同处理和能源化工程技术研究中心，上海200092）【摘要】基于欧拉-拉格朗日模型构建了煤粉炉协同处置油泥的数值模拟模型，对油泥的挥发分析出进行了动力学分析。以某燃煤电厂 300 MW 锅炉为对象，研究协同处置油泥对煤粉炉内热工制度的影响，计算了不同协同处置量时煤粉炉内温度分布、烟气成分分布以及挥发分析出的变化。结果表明：协同处置油泥可以促进煤粉挥发分的析出和焦炭的燃烧，协同量增加时主燃区最高温上升，CO 浓度降低。在计算工况下，协同量为 5%时，炉膛燃烧区及燃尽区平均温度变化最小，各组分浓度变化趋势与纯煤粉燃烧相似，因此推荐协同量为 5%。【关键词】含油污泥；煤粉燃烧；协同处置；数值模拟中图分类号：X74文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0055-08DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.009Numerical Simulation of the Influence of Co-processing of Oil Sludge on Thermal Regulation in Pulverized Coal BoilerYANG Zhiqi1，2，MA Teng1，2，WANG Meng1，2，HONG Liu1，2，CHEN Dezhen1，2，YIN Lijie1，2（1.School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai200092；2.Shanghai Engineering Technology ResearchCenter of Multi-Source Solid Wastes Co-Processing and Energy Utilization，Shanghai200092）【Abstract】A numerical simulation model of co-processing oil sludge in pulverized coal boiler was constructed basedon the Euler-Lagrange model，the kinetic analysis of the volatilization of oil sludge was carried out.A 300 MW boiler of acoal-fired power plant was taken as an example，the influence of co-processing of oil sludge on the thermal regulation in thepulverized coal boiler was studied.The changes of temperature distribution，flue gas composition distribution and volatile inthe pulverized coal boiler under different co-processing quantities were calculated.The results showed that the co-processingof oil sludge could promote the release of volatile from pulverized coal and the combustion of coke.When the co-processingamount increased，the highest temperature in the main combustion zone increased and the concentration of CO decreased.Under the calculation condition，when the co-processing amount was 5%，the average temperature in the furnacecombustion zone and the burnout zone changed the least，and the variation trend of each component concentration wassimilar to that of pure pulverized coal combustion，so the recommended co-processing amount was 5%.【Key words】oil sludge；pulverized coal combustion；co-processing；numerical simulation1引言含油污泥（简称“油泥”）是由油、水、固体颗粒组成的复杂混合物，按其来源主要有落地油泥、罐底油泥、钻井油泥、炼厂油泥等1。现阶段，我国石化业每年产生约 3109kg 油泥2，其黏度大，流动性差，组成成分变化较大，含有大量的苯、蒽、二恶英等有毒有害物质3-4，被列入国家危险废物名录（HW08）。我国油泥的处置以填埋、固化为主，虽然实现了无害化处理，但未进行资源化利用5-6。堆肥法成本低、效果好，但占地面积大且易造成污染7。油泥中原油含量较高，油田油泥热值为7.925.0 MJ/kg，平均热值达 17.6 MJ/kg8，采用焚烧法处置油泥可以利用油泥热值，处理速度快，减量效果好，无害化程度高9。但焚烧后的烟气中含有大量硫化物、二恶英和粉尘颗粒等，需要配备相应的烟气净化设备10。油泥焚烧处理规模达 10 t/d 时，焚烧系统工程需投资约 500 万美元，运维费约 56.76 万美元/a11。煤炭在我国传统能源结构中占据十分重要的位置12，截至 2021 年 7 月底，全国发电装机容量*基金项目：上海市“科技创新行动计划”自然科学基金项目（22ZR1465900）收稿日期：2022-05-12；录用日期：2022-11-30第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期2.27109kW，其中火电达 1.27109kW，而燃煤发电占火电的 85.8%13。经过多年的产业升级，现役和新建的煤电设施均已设立完善的污染治理装置，可以有效防治烟尘、SO2和 NOx等污染物14。煤粉炉属于高温工业窑炉，热容量大，抗干扰强，可以协同掺烧其他低品质燃料。Hodi 等15研究了煤与木质生物质和天然气共燃对 NOx排放的影响。Drosatos 等16研究了褐煤锅炉在低负荷运行时，生物质作为辅助燃料进行混燃的燃烧稳定性。李德波等17研究了 300 MW 燃煤锅炉掺烧污泥时对炉膛燃烧稳定性的影响。Tan 等18通过数值模拟研究了 100 MW 机组锅炉掺烧含水率为 56%的湿污泥时对着火和燃烧稳定性的影响。利用煤粉炉协同处置时，可以大幅减少投资运行成本，采用 350 MW 燃煤机组协同 10%生物质的耦合方案初投资约 6 600 万元，机组效率为 42%，某 35MW 纯燃生物质机组发电量与其大致相当，而初投资约需 3.5 亿元，机组效率为 34%19。目前国内外对直接利用煤粉炉协同处置油泥的研究较少，油泥与煤混合燃烧涉及混合比例、温度、进料方式、污染排放等问题20。郭耘等21将油泥经脱水固化处理后，制成燃煤添加剂用作燃煤锅炉燃料。利用煤粉炉协同处置油泥，可替代部分原煤实现油泥的资源化利用，同时锅炉已有的烟气处理系统可有效控制油泥处置带来的二次污染，节约固废处置成本，废渣可按燃煤废渣的处理方式处理。由于油泥的热值、挥发分含量、挥发分成分和析出速率与煤粉不同，在协同处置过程中会影响炉内的温度、压力、气氛、热平衡等热工制度。高温区温度的升高会导致 NOx的生成，协同处置量过大可能导致挥发分不能完全燃烧，黏附在尾部换热器表面影响换热效率。本研究以某发电厂300 MW 煤粉炉为研究对象，通过数值模拟，将一定比例的油泥作为掺混燃料通过加热雾化送入煤粉炉中进行协同处置，研究协同量、油泥种类等参数对炉内热工制度的影响，重点研究协同处置对炉内温度场和气氛场的影响，为煤粉炉协同处置油泥提供数据参考。2材料与方法2.1计算对象及网格划分煤粉炉炉膛尺寸为 14 022 mm12 330 mm50 551 mm（长宽高），四角切圆燃烧，设置 5层一次风喷口，7 层二次风喷口，4 层燃尽风喷口，锅炉结构及燃烧器立面分布如图 1 所示。油泥喷口布置在第 3 层与第 4 层煤粉喷口之间，设置两层共 8 个。燃尽风二次风一次风油泥入口EDCBA图 1锅炉结构布置及网格划分Figure 1Boiler structure arrangement and grid division2.2数学模型及关键参数2.2.1数学模型基于欧拉-拉格朗日方法对炉内燃烧过程进行模拟计算，其中颗粒相包括煤粉和雾化后的油泥，计算过程中假设煤粉和油泥只含有挥发分、焦炭和灰分。采用 Realizablek-方程模拟湍流流动过程，采用非预混燃烧模拟气相燃烧，挥发分析出选用两步竞争反应模型，焦炭燃烧采用动力/扩散控制反应速率模型，辐射传热模型选用 P-1 模型22-23，具体控制方程见表 1。表 1主要控制方程Table 1Main controlling equations名称气相控制方程颗粒相控制方程反应方程24焦炭燃烧模型辐射模型挥发分析出模型方程连续性方程：t+ui()ui=Sm动量守恒方程：()uit+()ujuixj=-pxi+xj -2 ijuk3xk+()uixj+ujxi+Sui能量守恒方程：t()h+xj()ujh=pt+xj()Dhhxj+Sh质量方程：dmpdt=dmvoldt+dmchardt动量方程：dup，idt=3CD4dpp()ui-up，iurel+p-pgi能量方程：mpCp，pdTpdt=mpCp，gNu3Pr()Tg-Tpd+S?rad，p+S?rhv_vol+O2 H2O+CO+N2+SO2CO+O2 CO2oil+O2 CO2+H2O焦炭燃烧速率：dmpdt=-d2ppoxD0RD0+R辐射热流：qr=-13()+s-CsGG的运输方程为：()I G-aG+4aT4=SG竞争反应速率系数：R1=A1e-()E1/RTPR2=A2e-()E2/RTP 562.2.2油泥关键参数测试油泥样品如图 2 所示，可以看出，常温下样品 1 为稠油状，样品 2 为膏状，考虑到油泥在受热升温后流动性增强，本研究中采用将油泥雾化后直接喷入炉膛，并在雾化前过滤以去除大粒径颗粒杂质。为确定油泥加热雾化的温度范围，对样品 1 进行了黏温测试（A&D SV-10 型黏度计），如图 3 所示，在温度达到 50 时，已有较好的流动性。样品 2 流动性差，未进行黏度测定。可以看出由于不同来源的油泥品质不同，为保证进入炉膛的油泥热值、污染物含量等在一定的范围内，实际过程中需要进行配伍。模拟研究中油泥的温度取 65。图 3油泥样品 1 黏度随温度变化Figure 3Changes on viscosity of oily sludge sample onewith temperature油泥与煤粉的工业分析以及元素分析如表 2所示，与煤粉相比，油泥的挥发分含量高，固定碳含量低，两者热值相近。表 2煤粉及油泥物性参数Table 2Properties of coal and oily sludge项目煤粉油泥 1油泥 2工业分析/%水分Mar12.0010.107.88灰分Aar14.0014.4234.08挥发分Var43.3771.0247.74固定碳FCar30.634.4610.30元素分析/%Car60.0063.1442.30Har3.507.036.44Oar8.703.146.05Nar1.001.290.40Sar0.800.852.74热值Qnet，ar/（MJ/kg）23.0020.390.1919.650.15实验测得样品 1、样品 2 挥发分的平均分子量分别为 123 g/mol 和 108 g/mol，通过热重分析，两种油泥挥发分析出的动力学参数如表 3 所示。表 3油泥挥发分析出动力学参数Table 3Kinetic parameters of oily sludge devolatilization项目油泥 1油泥 2活化能 E/（kJ/mol）12.9924.37指前因子 k010 258.74143 702.402.2.3计算边界条件计算过程中为保证锅炉内总热量不变，按照等热值原则设置不同油泥的协同量分别为 3%、5%、10%，由于协同处置量小，各工况下保持风量不变，锅炉主要计算参数见表 4。现场煤粉炉在一次风口 C 和 D 之间有预留口，因此模拟过程中将油泥喷入口设置在预留口处。入口采用质量流量边界，假设流动出口边界的条件为 Outflow，水冷壁简化为壁面边界条件，设为恒温壁面。名称挥发分析出模型湍流方程补充方程方程总析出速率mv(t)(1-fw，0)mp，0-ma=0t(1R1+2R2)exp(-0t(R1+R2)dt)dtmv(t)为t时刻已析出的挥发分质量；mp，0为煤粉/油泥颗粒初始质量；ma为煤粉/油泥含灰量Realizable k-模型：kt+xi()kui=xj ()+tkkxj+Gk+Gb-YM+Skt+xi()ui=xj ()+txj+C1S+C1kC3Gb-C22k+SSm=-1Vin(dmvoldt+dmchardt)iSui=-1Vjn d(mpup，i)dtSh=-1Vin ()CgmpNu()T-TP3Prdi+()khv，kdmv，kdti+()hcdmcdti+RgSrad，p=pAs(0.25G-Tp4)Sr=kn(dmvol，kdtQvol，k)+(1-)(dmchardtQchar)续表 1主要控制方程Continued table 1Main controlling equations图 2油泥样品Figure 2Oily sludge sample（b）样品 2（a）样品 1黏度/（Pas）54321030405060708090温度/注：作者杨智琪于 2020 年 10 月于上海实验室拍摄。杨智琪，等.协同处置油泥对煤粉炉内热工制度影响的数值模拟 57环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期表 4锅炉主要运行及计算参数Figure 4Main operation and calculation parameters ofthe boiler项目煤粉量/（t/h）总风量/（t/h）一次风量/（t/h）二次风量/（t/h）燃尽风量/（t/h）一次风温/K二次风温/K燃尽风温/K数值130.401 166.60233.30527.50253.60596.00607.00607.00项目过量空气系数油泥协同处置量/（t/h）油枪雾化角度/（）雾化后粒径/m雾化空气量/（t/h）雾化压力/MPa油泥入口温度/水冷壁面温度/数值1.2513.0065200.005.566.008.0065.00700.003结果与讨论为了验证网格的无关性，基于纯煤粉工况对模型分别设置网格数为 147 万、214 万和 254 万，计算得到炉膛内温度沿高度方向的变化如图 4 所示。结果表明，214 万网格与 254 万网格的数值模拟结果较为接近，而 147 万网格计算结果精度较差。计算过程中网格数取 214 万。平均温度/K1 8001 6001 4001 2001 000800102030炉膛高度/m4050147 万214 万254 万对比温度25冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域图 4网格无关性检验Figure 4Grid-independence study齐晓娟等25在实验中测得的纯煤粉燃烧时炉膛出口处的平均烟气温度也在图 4 中标出。该实验中对比锅炉同为断面尺寸为 14 022 mm12 330 mm（长宽）的 300 MW 四角切圆煤粉炉，在实际运行中得到锅炉热态实验数据。该对比锅炉炉膛监测截面现场测量温度为 1 325 K，本研究模拟结果为 1 311.2 K，可以看出模拟计算得到的烟气温度与实验测得的烟气温度基本吻合。3.1协同处置对炉内流场的影响不同协同处置量时 A 层和 D 层一次风口截面的速度矢量见图 5，可以看出在该一次风喷口处形成了良好的切圆。协同处置油泥时气流速度更大，炉内气流扰动更强，流动更加剧烈。D层A层6054484236302418126059.3053.4047.4041.5035.6029.6023.7017.8011.905.947.6410-3速度/（m/s）速度/（m/s）（a）未协同（b）协同量 3%（c）协同量 5%（d）10%协同量图 5不同协同处置量时一次风截面速度矢量Figure 5Velocity vector of the primary air section underdifferent co-processing volumes3.2协同处置对炉内温度分布的影响不同协同处置量下炉膛中心截面上的温度分布如图 6 所示。由图 6 可以看出，不同工况下炉内的温度分布相似，呈现先两侧高中心低、后中心高两侧低的分布特点。随着协同处置量的增加，炉内高温火焰范围向炉膛上方移动，其中协同量5%时温度分布与未协同处置时最接近。图 6协同处置量对炉膛中心截面温度分布的影响Figure 6Influence of co-processing volumes on temperature distribution of central section in the boiler（d）10%协同量（a）未协同（b）3%协同量（c）5%协同量2 0001 8301 6601 4901 3201 150980810640470300温度/58杨智琪，等.协同处置油泥对煤粉炉内热工制度影响的数值模拟不同协同处置量下沿炉膛高度方向的截面平均温度如图 7 所示。协同处置油泥 1 时，在上端燃尽区域，协同量为 3%时温度下降，与纯煤粉相比最大温差为 45.5；协同量为 5%时，炉内整体温度与纯煤粉燃烧比较接近，最大温差在主燃烧区附近，升高 11.7，上端燃尽区域最高升温为7.6；协同量为 10%时，燃烧器区域及上端燃尽区域温度升高，与纯煤粉燃烧的最大温差分别为39.3、22.9。研究还发现，在燃烧器区域上端，CO 含量最低，说明协同量为 3%时，油泥析出的挥发分迅速燃烧，并且能够实现充分燃烧，减少了上端燃尽区域 CO 的燃烧，因而在炉膛上方温度有所下降。协同量为 10%时，油泥析出的挥发分量多，未完全燃烧生成的 CO 以及没来得及燃烧的挥发分都会上移，进一步与燃尽风反应，因此烟气温度升高。协同处置油泥 2 时各协同处理量下温差都较为接近，冷灰斗区的温度随协同量增加而降低；燃烧器区域温度随协同量增加而上升；协同量为 5%时，整体平均温度分布与纯煤粉工况相差较小。平均温度/K1 8001 6001 4001 2001 000800102030炉膛高度/m4050未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域（a）油泥 1平均温度/K1 8001 6001 4001 2001 000800102030炉膛高度/m4050未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域（b）油泥 2图 7协同处置量对炉膛平均温度的影响Figure 7Influence of co-processing volumes on the averagetemperature of the boiler3.3协同处置对炉内各组分浓度的影响协同处置油泥 1 协同量为 5%时炉膛中心截面的组分浓度分布如图 8 所示，沿炉膛高度方向 O2、H2O 和 CO 的平均浓度分布如图 9 所示，其中每个高度上取的是水平截面的平均含量。由图 9 可以看出，不同协同处置工况下，炉内各组分浓度的变化趋势相似。燃烧器区域燃料颗粒在炉膛中心受热，挥发分迅速析出，快速燃烧，消耗大量 O2，使得此区域 O2浓度急剧降低。H2O 和 CO 的变化趋势与 O2相反，在炉膛中心含量较高。H2O 浓度随着燃烧的进行先升高后降低，而后逐渐趋于稳定达到 8%；燃烧器区域由于不完全燃烧产生 CO，随着气流上升，燃烧逐渐反应完全，生成的 CO 被氧化为 CO2。冷灰斗区中，随着协同量增加，O2浓度升高，这是由于协同处置油泥量越大时，下层煤粉落至冷灰斗区燃烧的煤粉则越少。而由于燃尽区域上方随着协同处置量的增加温度上升，故协同量为 10%时 O2浓度最低。随着协同量的增加，CO 浓度在燃烧器区域呈现先降低后增加的趋势，协同量 3%时炉膛中心温度升高，反应完全，CO 浓度较低；协同量继续增加，油泥所析出的挥发分增加，未完全燃烧生成的 CO 上移致使浓度升高。协同处置油泥 2 时，炉膛上端燃烧完全，炉膛中心不完全燃烧程度更低，接近纯煤粉处理工况。图 8炉膛中心截面组分浓度分布Figure 8Components concentration distribution of centralsection of the boiler（a）O21.5010-11.3510-11.2010-11.0510-19.0010-27.5010-26.0010-24.5010-23.0010-21.5010-201.2010-11.0810-19.6010-28.4010-27.2010-26.0010-24.8010-23.6010-22.4010-21.2010-20（b）H2O摩尔分数摩尔分数（c）CO1.5010-21.3510-21.2010-21.0510-29.0010-37.5010-36.0010-34.5010-33.0010-31.5010-30摩尔分数 59环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期协同处置油泥 1 时炉膛内气体中挥发分的含量如图 10 所示。油泥析出挥发分峰值的位置高于煤粉，但挥发分含量小于煤粉，油泥和煤粉产生的挥发分都能够迅速进行燃烧。随着协同量的增加，煤粉析出的挥发分含量的峰值位置略有降低，挥发分含量的最高值降低，表明油泥的存在促进了煤粉挥发分的燃烧。其中在协同量为 10%时，油泥产生的挥发分含量快速增加，挥发分完全燃烧所需的距离增大，说明协同处置量过大时可能会导致挥发分燃不尽的问题。燃烧器区域上端燃尽区域油泥产生的挥发分含量/%0.0040.0030.0020.0010煤粉产生的挥发分含量/%0.100.0500102030405060冷灰斗区炉膛高度/m未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%协同量 3%协同量 5%协同量 10%102030405060图 10协同处置对挥发分含量的影响Figure 10Effect of co-processing on volatile content3.4协同处置对颗粒分布的影响协同处置对炉内颗粒浓度的影响如图 11 所示。可以看出协同处置量增加时，在燃烧器区域和上端燃尽区域之间仍有部分颗粒，这是由于油泥替代了部分煤粉后，相当于提升了颗粒的送入位置，但是在炉膛出口处颗粒基本都已燃尽。协同处置对炉内颗粒中焦炭平均含量的影响如图 12 所示，炉内颗粒中焦炭平均含量是指系统运行稳定时，炉内所有煤粉颗粒或者所有油泥颗粒中焦炭的平均含量，其值越小，表明焦炭燃烧越快。由图 12 可以看出，在协同处置油泥后，炉炉膛高度/m（b）油泥 2冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域0.60.40.2001020304050COCO/%102030405010501510O2H2O未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%O2/%H2O/%10203040500炉膛高度/m（a）油泥 11020304050冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域0.60.40.200CO/%1020304050O2/%未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%10501510H2O/%10203040500图 9协同处置对炉膛内各组分摩尔浓度沿高度方向分布的影响Figure 9Influence of co-processing on the componentsmolarity distribution along the height direction inthe boiler图 11协同处置对颗粒浓度的影响Figure 11Effect of co-processing on particle concentration颗粒浓度/（kg/m3）2.42.01.61.20.80.40102030炉膛高度/m4050未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域（b）油泥 2颗粒浓度/（kg/m3）2.42.01.61.20.80.40102030炉膛高度/m4050未协同协同量 3%协同量 5%协同量 10%冷灰斗区燃烧器区域上端燃尽区域（a）油泥 1 60内煤粉颗粒中焦炭的平均含量均有所减小，协同量为 5%时，煤粉颗粒中焦炭平均含量由未协同的65.85%降低至 53.03%。协同处置量相同时，两种油泥颗粒中焦炭平均含量较为接近，随着协同处置量的增加，油泥颗粒中焦炭的平均含量逐渐增加。炉内颗粒中焦炭的平均含量/%806040200未协同油泥 1油泥 2煤粉颗粒油泥颗粒协同量3%协同量5%协同量10%协同量3%协同量5%协同量10%图 12协同处置对炉内颗粒中焦炭平均含量的影响Figure 12Effect of co-processing on the average cokecontent of the particles in the boiler4结论1）与纯煤粉燃烧相比，油泥 1 协同量分别为3%、5%和 10%时，炉膛主燃区最高温呈逐渐上升趋势，上端燃尽区域最高平均温度相比未协同分别下降 45.5、升高 7.6、升高 22.9，随协同量的增加而增加。（这是由于油泥的挥发分含量较高，导致炉膛内上方温度升高）。两种油泥均在协同量为 5%时与纯煤粉燃烧工况最为接近。2）协同处置油泥时各组分浓度变化趋势与纯煤粉燃烧相似，其中协同量为 5%时，炉膛燃烧区及燃尽区平均温度变化最小，各组分浓度变化趋势与纯煤粉燃烧相似。O2浓度在冷灰斗区略高于纯煤粉工况，H2O 浓度则低于冷灰斗区纯煤粉工况浓度，CO 浓度主要在燃烧器区域变化，呈下降趋势。3）协同处置油泥有利于煤粉挥发分的析出和燃烧，有利于加快煤粉颗粒中焦炭的燃烧，油泥颗粒中焦炭含量随协同处置量增加而增加；而油泥中挥发分含量过高时可能会导致炉膛上方温度过高。参考文献：1 刘庆，薛广海，李强，等.落地油泥浮渣提取工艺及设备的研究 J.矿冶，2016，25（6）：79-81.LIU Q，XUE G H，LI Q，et al.A study of flotation and froth treatment process and equipment for cleaning oil spillsJ.Miningand Metallurgy，2016，25（6）：79-81.2 肖楠，朱玲，王春雨，等.含油污泥化学清洗处理实验研究与工艺参数优化 J.环境工程学报，2019，13（5）：1202-1208.XIAO N，ZHU L，WANG C Y，et al.Experimental study and process parameters optimization for oily sludge treatment by chemical cleaning J.Chinese Journal of Environmental 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