《2017—2022年中国汽车轮胎行业市场深度调研及投资前景分析报告》指出, 我国于2017年共计生产轮胎9.79亿条, 并预测2019年产量将达到惊人的10亿条。其中, 货车和重卡的轮胎消耗量占比达到了约6成, 消耗量相当可观。随着社会经济的不断发展, 废旧轮胎的数量也将不断提升。与煤相比, 废旧轮胎的热值较高^[1], 若采用轮胎等橡胶制品作为燃料^[2-5], 并将其运用在电厂锅炉上, 可节省一定的化石资源, 保护自然环境, 并为废旧轮胎的处理问题提供新的思路。这种方法已经在西方各国^[6-11]予以应用, 但在国内, 橡胶作为燃料还是个新兴课题。文献[12-14]通过热重实验证明了煤粉和橡胶有较好的混合热解特性, 可应用于电站锅炉的掺烧。文献[15-16]研究发现, 采用Simple算法对锅炉进行数值模拟效果较好, 且Fluent软件模拟的结果较为合理准确。因此, 可利用Fluent软件作为载体, 设置1台300 MW的锅炉, 进行掺烧橡胶的数值模拟计算。

以锅炉总热不变为基础, 热量计算平衡公式为

$ {B_{\rm{0}}}{Q_{{\rm{ar,net}}}}{\rm{ = }}{B_{{\rm{ar,net}}}}{Q_{{\rm{ar,net}}}}{\rm{ + }}{B_{{\rm{tdf}}}}{Q_{{\rm{tdf,net}}}} $

(1)

式中:B₀——原始工况下煤的燃烧量, kg;

Q_{ar, net}——煤的低位热值, kJ/kg;

B_{ar, net}——掺烧工况下煤的燃烧量, kg;

B_tdf——卡车轮胎粉末的燃烧量, kg;

Q_{tdf, net}——卡车轮胎粉末的低位热值, kJ/kg。

掺烧比的计算公式为

$ \alpha = \frac{{{Q_{{\rm{tdf,net}}}} \times {B_{{\rm{tdf}}}}}}{{{Q_{\rm{f}}}}} \times 100\% $

(2)

式中:α——掺烧比例;

Q_f——非掺烧工况下纯煤燃烧生成的热值, kJ/kg。

理论空气量的计算公式为

$ V = 0.0889\left( {{C_{{\rm{ar}}}} + 0.375{S_{{\rm{ar}}}}} \right) + 0.265{H_{{\rm{ar}}}} - 0.0333{O_{{\rm{ar}}}} $

(3)

式中:V——单位质量燃料燃烧所需理论空气量, m³/kg;

C_ar, S_ar, H_ar, O_ar——1kg收到基燃料中各元素的含量。

在掺烧工况下, 燃烧所需空气量的计算公式为

$ {B_{\rm{a}}} = V_1^0{B_{{\rm{tdf}}}} + {V^0}{B_{{\rm{ar,net}}}} $

式中:B_a——输入锅炉的空气量, m³;

V₁⁰——单位质量卡车轮胎粉末燃烧所需空气量, m³/kg;

V⁰——单位质量煤燃烧需空气量, m³/kg。

煤粉和卡车轮胎粉末的元素分析和工业分析如表 1和表 2所示。

数据表明, 卡车轮胎粉末有较高的挥发分, 有助于燃烧。煤粉和卡车轮胎粉末的干燥无灰基低位发热量分别为32 386 kJ/kg和34 123 kJ/kg。根据厂家测量的结果取平均值, 燃料颗粒粒径的最小直径、最大直径和平均直径均设定为10 μm, 250 μm, 56 μm。

4种不同工况为纯煤粉燃烧(工况1)、掺烧20%(工况2)、掺烧40%(工况3), 掺烧60%(工况4)。各工况燃料量及所需空气量如表 3所示。

采用标准的k-ε双方程模型、Simple算法、P-1辐射模型、非预混燃烧模型及混合分数/概率密度函数法(Probability Density Function, PDF)方法, 进行计算模拟, 得出温度场等的数值模拟结果。

通过污染物排放模型对NO_x进行模拟, NO_x可分为快速型NO, 燃料型NO和热力型NO。其中, 快速型NO由于数值过小, 故选择忽略。通过Fluent软件可求出NO的体积含量, 再根据式(4)可计算出NO_x标准状况下干烟气中的质量浓度ρ_NOx。其中, 2.05为单位由μL/L到mg/m³的转换系数。

$ {\rho _{{\rm{N}}{{\rm{O}}_{\rm{x}}}}} = 2.05\frac{{{V_{{\rm{NO}}}}}}{{0.95}}\frac{{21 - 6}}{{21 - {v_{{o_2}}}}} $

(4)

式中:V_NO——干烟气中NO的实际体积含量, μL/L;

v_O2——干烟气中O₂的实测含量, %。

采用亚临界自然循环锅炉, 燃烧器布置为四角切圆, 型号为DG1025/17.5-Ⅱ4型。采用中储式热风送粉制粉系统。锅炉容量为300 MW, 炉膛断面尺寸为深12.8 m、宽12.8 m。锅炉示意如图 1所示。

锅炉网格被划分成冷灰斗区域、燃烧器区域、折焰角区域和水平烟道区域4个部分。划分原则为除燃烧器区域外, 均采用结构化六面体型网格。燃烧器区域的情况复杂, 因此采用适应性四面体的划分方式, 提高准确性且减少一定的运算量。加密燃烧器喷口处网格, 尽可能提高网格的合理性及准确性。最终该锅炉的网格值0.4以下占到了99%以上, 网格数量为779 494, 质量很好。具体锅炉建模网格如图 2所示。

边界条件的确定:在锅炉模型建立时, 已知风口的面积, 风速的计算公式为

$ v = \frac{{\beta {B_{\rm{a}}}}}{{3600S}} $

(5)

式中:v——一、二、三次风风速, m/s;

β——一、二、三次风风率, %;

S——一、二、三次风的风口面积, m²。

各工况的具体参数如表 4所示。其中, 一、二次风的温度均为525 K, 三次风的温度为363 K。

为了分析不同比例掺烧下的燃烧特性及污染物生成情况, 绘制了4种工况下锅炉中部宽度方向上的温度及NO_x分布云图, 并沿高度方向绘制相应的折线图。

在额定负荷下, 4种工况的温度变化如图 3和图 4所示。

由图 3和图 4可知:炉膛内的温度分布是以先增高后降低的形式变化的, 符合四角切圆锅炉温度分布的规律, 炉膛出口处温度较低的两个矩形位置为过热屏; 在掺烧工况下, 由于煤粉占比的下降, 卡车轮胎粉末占比的上升, 燃烧区域的温度不断提高, 掺得越多, 提高得越多; 在掺烧20%, 40%, 60%卡车轮胎粉末的工况下, 炉膛燃烧区域的截面温度分别提高了21 K, 33 K, 54 K。温度的升高有助于燃烧, 但也会导致热力型NO_x的生成量增加, 可能引起结焦结渣等情况。

在额定负荷下, 4种工况下的NO_x变化情况如图 5和图 6所示。

由图 5和图 6可知, NO_x的平均浓度分别出现了两个峰值和两个低值。出现两个低值的原因是燃烧区域中存在过渡区域。第一个峰值出现于炉膛底部冷灰斗处。冷灰斗处空气量较大, 为空气过量状态, 导致燃料型NO_x较高, 总NO_x质量浓度较大。第一个低值出现在燃烧区域下部。此处为燃料进口, 燃烧反应剧烈, CO大量生成, 形成还原区域, NO_x的质量浓度降低。随着高度的增加, 第二个峰值出现于燃烧区域中部, 此处燃料发生剧烈燃烧, 导致燃料型NO生成急剧增加, 因此NO_x浓度出现了一个质量峰值。第二个低值出现在燃烧区域上部, 这时燃料最后一次喷入, 影响了NO_x的质量浓度。之后, 在上层燃尽风输入的情况下, 形成氧化区域, 使得NO_x平均浓度开始缓慢上升。

对比以上4种工况可以发现, 随着卡车轮胎粉末比例的增大, 锅炉中NO_x的生成量明显增加。这是由于燃料中卡车轮胎粉末热值较大, 造成炉内的平均温度变大, 所生成的热力型NO_x含量也就越大, 导致水平烟道出口处NO_x的排放量不断提高。工况1出口处NO_x的质量浓度为112.853 1 mg/m³, 掺烧20%, 40%, 60%卡车轮胎粉末后, 出口处的NO_x质量浓度分别增加到125.652 5 mg/m³, 135.110 2 mg/m³, 142.411 7 mg/m³。

通过合理运用Fluent工具, 以300 MW锅炉为研究设备, 用橡胶燃料及污泥作为主要掺烧对象, 定义了4种工况, 对各工况下的温度、烟气组分及NO_x分布进行了分析, 得出以下结论。

(1) 在燃煤锅炉中掺烧橡胶会引起炉膛内部温度上升, 在分别掺烧20%, 40%, 60%卡车轮胎粉末的工况下, 炉膛燃烧区的截面温度比纯煤工况分别上升了21 K, 33 K, 54 K, 温度的上升有助于燃烧但也引起了NO_x生成量增大, 可能引起结焦结渣情况。

(2) 在燃煤锅炉内掺烧橡胶会导致炉膛出口处NO_x的质量浓度增加。纯煤工况出口处NO_x的质量浓度为112.853 1 mg/m³, 在分别掺烧20%, 40%, 60%卡车轮胎粉末的工况下, 出口处的NO_x质量浓度分别增加到125.652 5 mg/m³, 135.110 2 mg/m³, 142.411 7 mg/m³。根据数值模拟的研究成果可知, 在橡胶和煤粉的混合比较低时, 生成的污染物较少, 可在一定程度上节省燃烧成本。