双锥燃烧器燃用污泥水煤浆的燃烧特性和数值模拟

程 晓 磊1,2,3

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

摘 要:为促进城市污泥的资源化利用，解决污泥物理处置中存在的二次污染问题，以及传统污泥干化焚烧中干燥成本高的问题，提出了将污泥浆与煤粉掺混制备污泥水煤浆，利用具有强化燃烧功能的中心逆喷双锥燃烧器燃烧的技术思路。通过热重分析试验对比了煤粉、水煤浆、污泥水煤浆的燃烧特性，并利用数值模拟研究污泥水煤浆在双锥燃烧器上的燃烧特性，通过降低二次风量、提高二次风旋流强度及二次风温度等强化燃烧的措施，研究污泥水煤浆在双锥燃烧器上应用的可行性。污泥水煤浆的基础燃烧特性试验结果表明，水煤浆中水分超过35%，除影响燃料热值外，水蒸发吸热是影响污泥水煤浆燃烧过程着火和燃尽的关键因素。由于水分的存在，水煤浆起始着火温度高于煤粉11.3 ℃，燃尽温度低于煤粉13.6 ℃，其最大吸热速率为0.504 kW/kg，占水煤浆最大放热速率的56.05%，总吸热量为1.917 MJ/kg，占燃烧放热量的9.94%;掺烧20%污泥时，污泥水煤浆起始着火温度高于水煤浆12.3 ℃，燃尽温度低59.1 ℃，水蒸发吸热量为0.546 kW/kg，比水煤浆燃烧高8.4%，总放热量为16.88 MJ/kg，比水煤浆燃烧低12.5%。通过采用双DPM的离散相数值模拟模型，充分考虑污泥水煤浆燃烧时水蒸发过程的影响，对污泥水煤浆燃烧的数值模拟更接近实际结果。14 MW双锥燃烧器的污泥水煤浆燃烧模拟结果表明，直接使用现有双锥燃烧器无法实现污泥水煤浆的稳定燃烧，仅可燃烧水含量为25%左右的污泥水煤浆。污泥水煤浆中水含量由0增至35%时，平均每提高1%水含量，燃烧器出口温度下降7.95 ℃，燃烧器内平均温度下降7.69 ℃;水含量为35%时，燃烧器内平均温度降低269 ℃，燃烧器出口平均温度降低278 ℃。污泥水煤浆在双锥燃烧器内的燃烧，可通过降低二次风量、增加二次风旋流强度、提高二次风温度等强化燃烧措施实现。二次风旋流强度由1变为2时，燃烧器出口平均温度提高20 ℃，二次风量减少为理论空气量的0.6，燃烧出口平均温度提高203 ℃，综合使用降低二次风量、增加旋流强度和提高二次风温的措施后，燃烧器出口平均温度提高289 ℃，基本接近该燃烧器燃用煤粉时的燃烧条件，双锥燃烧器基本可达到稳定燃烧污泥水煤浆的目的。

关键词:污泥水煤浆;燃烧;热重分析;数值模拟

中图分类号:TQ534

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)04-0087-07

收稿日期:2019-05-07

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19050701

基金项目:煤炭科学技术研究院科技发展基金资助项目(2017CX02);中国煤炭科工集团科技创新创业资金专项资助项目(2018MS003)

作者简介:程晓磊(1986—)，男，河北邯郸人，助理研究员，博士，主要从事煤粉高效清洁利用研究。E-mail:chengxl328@126.com

引用格式:程晓磊.双锥燃烧器燃用污泥水煤浆的燃烧特性和数值模拟[J].洁净煤技术，2019，25(4):87-93.

CHENG Xiaolei.Combustion characteristics and numerical simulation of sludge coal water slurry fired by double cone combustor[J].Clean Coal Technology，2019，25(4):87-93.

Combustion characteristics and numerical simulation of sludge coal water slurry fired by double cone combustor

CHENG Xiaolei1,2,3

(1.China Coal Research Institute Company of Energy Conservation,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China;3.National Energy Technology & Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China)

Abstract:In order to promote the utilization of municipal sludge,and further to solve the secondary pollution problem in sludge physical disposal and the high cost problem of sludge drying combustion in traditional way,a technical idea of preparing sludge-coal-water slurry by mixing sludge slurry with pulverized coal,and using the central reverse injection double cone burner with enhanced combustion function was proposed.The combustion characteristics of pulverized coal,coal water slurry and sludge coal water slurry were analyzed by thermogravimetric analysis experiments.The combustion characteristics of sludge coal water slurry in double-cone burner were studied by numerical simulation.The feasibility of sludge coal water slurry application in double-cone burner was studied by reducing secondary air,increasing secondary air swirl intensity and secondary air temperature.The comparison of basic combustion characteristics of sludge-coal-water slurry shows that the moisture content in sludge-coal-water slurry exceeds 35%,and the fuel calorific value,water evaporation and heat absorption are the key factors affecting the ignition and burnout of sludge-coal-water slurry combustion process.Due to the presence of water,the initial ignition temperature of CWS is 11.3 ℃ higher than that of coal powder,and the burnout temperature is 13.6 ℃ lower than that of pulverized coal.The maximum heat absorption rate is 0.504 kW/kg,accounting for 56.05% of the maximum heat release rate of CWS,and the total heat absorption is 1.917 MJ/kg,accounting for 9.94% of the combustion heat.When 20% sludge is mixed,the initial ignition temperature of sludge CWS is 12.3 ℃ higher than that of CWS,and the burnout temperature is 59.1 ℃ lower than that of CWS.The heat absorbed by water evaporation is 0.546 kW/kg,which is 8.4% higher than that of coal water slurry combustion,and the total heat released is 16.88 MJ/kg,which is 12.5% lower than that of coal water slurry combustion.In this paper,a double-DPM Discrete-Phase numerical simulation model is used to fully consider the influence of water evaporation during sludge CWS combustion,and the numerical simulation of sludge CWS combustion is closer to the actual results.The simulation results of sludge CWS combustion in 14 MW double-cone burner show that the existing double-cone burner can not achieve stable combustion of sludge CWS,only can burn sludge CWS with water concentration of ca.25%,which is not existed in actual form.When the concentration of water in sludge CWS increases from 0 to 35%,the average temperature of burner outlet decreases by 7.95 ℃ and the average temperature of burner interior decreases by 7.69 ℃ with the increase of 1% water concentration.The average temperature of burner interior decreases by 269 ℃ and the average temperature of burner outlet decreases by 278 ℃,when the concentration of water is 35%.The combustion of sludge CWS in a double cone burner can be realized by reducing secondary air flow,increasing secondary swirl intensity and increasing secondary air temperature.When the swirl intensity of secondary air changes from 1 to 2,the average temperature of burner outlet increases by 20 ℃.When the secondary air volume decreases to 0.6 of theoretical air,the average temperature of burner outlet increases by 203 ℃.The average temperature of burner outlet increases by 289 ℃,it is basically close to the burning condition when the burner burns pulverized coal.After comprehensive application,the double-cone combustor can realize the stable combustion of sludge CWS.

Key words:sludge coal-water-slurry;combustion;thermogravimetric analysis;numerical simulation

0 引 言

城市污泥是城市污水处理后的副产品，是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的一种极其复杂的非均质体。预计至2020年底，全国城镇湿污泥(含水率为80%)产生量将达到6 000万t[1]。在所有处置方式中，焚烧是最不易造成二次污染的方法。目前污泥焚烧技术在德国、日本、韩国等发达国家应用较为广泛，在国内主要是浙江大学[2]、中国科学院[3]、清华大学[4]、华中科技大学[5]等在污泥成浆特性、煤粉混烧、燃烧特性等方面开展基础研究，实际应用相对较少。污泥焚烧分为干化燃烧和污泥浆燃烧。干化燃烧是将污泥完全干化处理后按照固体燃料进行燃烧，由于污泥浆污泥含水率高(浓缩污泥含水率约为97%，脱水污泥含水率约为80%)，完全干燥成本较高。污泥浆燃烧则类似于水煤浆燃烧方式，将污泥浆的水分干燥至30%～40%，通过特定添加剂与煤粉掺混形成污泥水煤浆，在传统水煤浆锅炉上作为燃料应用，一般掺混比例为5%～15%。

污泥水煤浆由于污泥的低热值和水煤浆燃烧过程吸热的特点，兼具污泥和水煤浆在燃烧上的不利条件，需通过燃烧组织的优化实现稳定着火。不同学者对污泥水煤浆污泥掺混比例和燃烧特性等进行研究。董梅等[6]认为，污泥改性后添加量10%～20%时污泥水煤浆成浆性较好，且着火温度、燃尽温度等燃烧特性较水煤浆有所改善;曾成才[7]对污泥和煤粉掺混研究认为，随着污泥掺混比的增加，挥发分析出温度提前，燃点变化不大，燃尽特性变差，3种燃烧特性指数逐步下降，污泥与煤的掺混比低于20%时，燃烧稳定性较好;胡勤海等[8]研究表明，因污泥的掺入，混合浆着火温度比水煤浆高约50 ℃，但随掺混比例升高，最大燃烧速率、可燃性指数及综合燃烧特性指数均增加，提高了污泥的燃尽率;曹晓哲等[9]对潞安煤泥水煤浆燃烧表明，其着火温度和燃尽温度均高于低挥发分和高挥发分水煤浆，利用可燃性指数判断潞安煤泥水煤浆燃烧性能低于低挥发分和高挥发分水煤浆;朱建航等[10]在3.2 MW卧式炉中进行了污泥水煤浆燃烧试验，掺混10%污泥的水煤浆更易着火，燃烧和结渣特性均优于大同烟煤水煤浆。

利用计算流体力学耦合燃烧的数值模拟方法已广泛应用于煤粉、水煤浆等燃烧特性研究中，污泥水煤浆的研究需考虑添加的污泥对燃烧的影响。段艳松等[11]为解决水煤浆常规燃烧存在的运行稳定性差等问题，以荷兰国际火焰研究基金会(International Flame Research Foundation，IFRF)的试验炉为研究对象，化学湍流相互作用模型采用有限速率/涡耗散模型，考虑煤焦表面化学反应，得到了水煤浆MILD(moderate or intense low oxygen dilution)燃烧特性;丁宁等[12]对410 t/h水煤浆锅炉进行研究，认为水煤浆燃烧的关键是对水煤浆雾化效果的模拟和对水煤浆水分蒸发的处理;朱天宇等[13]利用涡耗散和混合分数模型模拟煤粉掺烧污泥的反应过程，认为组分输运涡耗散EDM模型(eddy disspation model)的模拟结果更符合实际情况;莫日根等[14]利用数值模拟方法研究了煤粉和水煤浆在双锥燃烧器中的燃烧差别。

中心逆喷双锥燃烧器[15]是煤科院针对煤粉工业锅炉研发的燃烧装置，已在超过500台套锅炉系统上成功应用。通过在燃烧器中部的回流帽实现燃料回燃逆喷，使燃料充分预热;二次风的回流扰动加强了燃料与空气的传质传热，有利于燃料的高效稳定燃烧;预燃室的结构为燃料点燃提供足够的停留时间。在给定燃料的条件下，双锥燃烧器所需着火热约为常规燃烧器的1/10～1/6，为污泥水煤浆等低热值燃料的着火提供便利条件。本文基于污泥水煤浆的燃烧特性和双锥燃烧器的强化燃烧特点，通过基础燃烧特性和数值模拟相结合的研究方法，分析了双锥燃烧器燃用污泥水煤浆的燃烧特点，并通过参数优化实现污泥水煤浆的稳定燃烧，为相关技术的工业应用提供理论和数据支持。

1 污泥水煤浆燃烧基础特性

燃烧基础特性采用热重分析方法，通过研究燃烧过程中的失重和吸放热特性，确定燃料的着火、燃尽温度和反应速率，确定污泥水煤浆燃烧的基础特性，并对煤粉和水煤浆燃烧特性以及水煤浆和污泥水煤浆燃烧特性进行对比。

1.1 试验煤样

采用神府东胜煤粉和某污水厂污泥作为基础燃料，并制备相应的水煤浆。水煤浆中煤粉含量为65%，污泥水煤浆中污泥和煤粉的含量均为65%，污泥掺烧比例为20%，其工业及元素分析见表1。

表1 燃料的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal and sludge

1.2 试验条件和方法

试验在STA449F3型同步TG-DSC热分析仪上进行，仪器使用温度为0～1 500 ℃，升温速率为0～50 ℃/min。

热重试验通过N2和O2的配比模拟空气燃烧状态，其流量分别为160和40 mL/min，燃烧加热终温为1 000 ℃，加热速率为20 ℃/min，反应达到设定温度后保持10 min稳定阶段后完成试验过程。

1.3 试验结果及分析

煤粉与水煤浆的热重结果如图1所示，其中水煤浆中水含量为35%。从燃烧特性看，水煤浆燃烧受高水分含量的影响，起始着火温度为366.5 ℃，比煤粉燃烧高11.3 ℃;而燃尽温度为607.3 ℃，低于煤粉燃尽温度13.6 ℃。原因是，水煤浆中水的存在影响煤粉起始燃烧时的放热过程，导致其着火温度提高;而水蒸发过程可能会在煤粉颗粒内部形成疏松的多孔结构，增加煤粉的比表面积，从而提高了其燃尽过程。从DSC曲线可知，水煤浆中水的吸热在反应过程中占据重要地位，影响水煤浆的燃烧特性。167 ℃前水煤浆处于吸热阶段，最大吸热速率为0.504 kW/kg，占水煤浆最大放热速率(0.899 kW/kg)的56.05%;燃烧过程水总吸热量为1.917 MJ/kg，占水煤浆燃烧放热量(19.29 MJ/kg)的9.94%。

实际锅炉运行时水煤浆的燃烧特性比热重分析结果更差，主要原因是热重分析仪的升温速率约为10 ℃/min，相比于锅炉中煤粉燃烧的103 ℃/s属于慢速反应，水煤浆中水的蒸发过程相对独立，燃烧过程中对降低燃烧温度和燃烧放热量的影响不能完全体现。

水煤浆与污泥水煤浆的热重结果如图2所示，其中污泥水煤浆中污泥掺烧比例为20%。由于污泥中挥发分低于煤粉，掺烧后污泥水煤浆挥发分析出过程推迟，且水分高于水煤浆，吸热过程更长，着火条件恶化，导致其起始着火温度为378.8 ℃，比水煤浆燃烧高12.3 ℃;但由于其中所含有机物、生物质等成分更易燃尽，其燃尽温度低于水煤浆59.1 ℃。燃烧污泥水煤浆时其中水分蒸发吸热最高速率为0.546 kW/kg，比水煤浆高8.4%;燃烧过程中总放热量为16.88 MJ/kg，比水煤浆低12.5%。

根据水煤浆与煤粉、污泥水煤浆与水煤浆的燃烧特性对比可知，水煤浆中由于水含量较高，煤浆热值降低，燃烧过程放热量减少，同时蒸发过程吸收大量热。而污泥水煤浆中，污泥的掺烧加入加剧了燃料着火等燃烧特性的恶化，需通过一系列强化燃烧措施，实现污泥水煤浆的稳定着火和燃烧。

2 污泥水煤浆燃烧的数值模拟

中心逆喷双锥燃烧燃烧器在煤粉工业锅炉上有十多年的应用经验。由于其独特的燃料逆喷、烟气回流和双锥预燃室的特点，燃烧器在煤粉着火、稳定燃烧方面有明显优势。但其能否直接应用于污泥水煤浆的燃烧，还需通过数值模拟研究其可行性。中心逆喷双锥燃烧器结构如图3所示。

2.1 数值模拟模型选取

数值模拟研究随着流体力学和燃烧理论发展的不断完善，以及计算机性能提升，逐渐成为燃料燃烧尤其是大型设备燃烧性能研究的关键手段。煤科院节能技术有限公司在双锥燃烧器数值模拟方面经验丰富，与工业现场实际运行情况对比，模拟燃烧温度与实际温度偏差小于100 ℃[14-15]，可作为判断燃烧可行性的依据。数值模拟研究采用商业软件Ansys Fluent，其中，湍流模型采用Realizable k-ε模型，该模型可相对准确模拟湍流流动中的旋转射流问题;燃烧器符合光学深度大于1的条件，辐射模型选用P1模型，具有较高的计算效率;化学湍流相互作用模型选用组分输运模型中的Eddy Dissipation模型;煤粉和水煤浆燃料的挥发分析出选用双竞争反应模型，在不同温度范围区间控制析出速率，其反应动力学参数见表2。气固两相流动选用拉格朗日法的DPM离散相模型，该模型适用于离散相体积分数小于10%，DPM模型使用面源注入。相比于煤粉燃烧，水煤浆和污泥水煤浆燃烧过程中水分蒸发过程是影响计算结果的关键因素。本文将水以单独DPM形式与煤粉分别注入燃烧器内，充分考虑水蒸发过程的吸热现象，适用于水煤浆和污泥水煤浆的燃烧数值模拟。

表2 双竞争反应模型动力学参数
Table 2 Reaction kinetics parameters of two competing rates model

对典型14 MW双锥燃烧器结构进行简化，包括一次风进口、二次风进口、出口、燃烧器壁面等，采用ICEM进行网格划分，网格数量为46.5万。双锥燃烧器网格划分如图4所示。

2.2 水含量对污泥水煤浆燃烧的影响

污泥水煤浆燃烧过程中，水蒸发吸热影响燃烧反应过程的稳定性。通过数值模拟研究双锥燃烧器采用现有燃烧方式燃用污泥水煤浆的可行性。水煤浆中水含量对14 MW双锥燃烧器燃烧温度的影响如图5所示。模拟工况为100%负荷，一次风速为25 m/s，二次风速为17 m/s，燃料为污泥掺烧比例20%的污泥水煤浆。随着水含量的增加，燃烧器内的燃烧状况不断恶化，燃烧器内整体温度和燃烧器出口温度均呈现快速下降的趋势。在水含量由0增至35%时，平均每提高1%水含量，燃烧器出口温度下降7.95 K，燃烧器内平均温度下降7.69 K。

14 MW双锥燃烧器在相同工况下燃用煤粉和污泥水煤浆(水含量35%，污泥浆掺烧比例10%)时燃烧器内的温度对比如图6所示。可知燃用污泥水煤浆后，燃烧器出口平均温度由1 082 K降至804 K，燃烧器内平均温度由1 053 K降至784 K，燃烧器内几乎无稳定集中的高温火焰着火区。表明在现有燃烧器结构条件下，采用目前的燃烧方式无法实现污泥水煤浆的稳定燃烧，需对燃烧器结构和燃烧器运行方式进行优化。

2.3 燃用污泥水煤浆的双锥燃烧器优化

双锥燃烧器主要是实现燃料的稳定着火和火焰传播，燃料燃尽功能由燃烧器后连接的锅炉炉膛实现。采用双锥燃烧器燃用污泥水煤浆，需解决燃烧器内温度较低、燃料停留时间短等问题。燃烧器运行方式上可从降低二次风量、提高二次风旋流强度、二次风采用热风等方式强化燃烧组织。目前燃烧所需风量均由一次风和二次风提供，燃烧器内风速较高，且由于燃料在燃烧器内的燃烧进程低于50%，实际燃烧所需空气量低于理论空气量的一半，降低二次风量可降低燃烧器内的流速，增加污泥水煤浆的停留时间，同时减少过量的空气对燃烧器内高温区域的冷却作用，起到强化燃烧的作用;提高二次风旋流强度，通过增加燃料在燃烧器的停留时间达到强化燃烧的作用;二次风采用热风可通过提高烟气温度，提高燃烧器内燃烧温度。

利用数值模拟分别进行降低二次风量、提高二次风旋流强度、采用热风等措施时的燃烧工况，其中降低二次风量燃烧方式将燃烧器内风量降为理论空气量的0.6;提高二次风旋流强度燃烧方式将旋流强度由1增加为2;综合强化燃烧方式采用降低二次风量、增加旋流强度和采用1 123 K热二次风的方法。不同强化燃烧方式条件下燃烧器内的温度分布和烟气速度矢量分布分别如图7、8所示。使用原燃烧方式时，由于污泥水煤浆在燃烧过程中挥发分降低和水分蒸发吸热的双重影响，燃烧器内温度较低，最高为850 ℃，且高温区域集中在前锥二次风与燃料开始混合着火的区域，但进入燃烧器后锥后由于烟速过高(出口处烟速大于100 m/s)，燃料停留时间不足，后锥整体温度降低，火焰无法稳定传播;增加二次风旋流强度时，由于切向速度增加，二次风在前锥处的扩散提前，停留时间增加，燃烧温度明显提高，但后锥燃烧温度仍较低;采用减少二次风量的方式，燃烧器出口烟速降低至65 m/s，燃料停留时间增加，燃烧器前锥温度略提高，后锥燃烧温度和温度分布均匀性明显提高;综合强化燃烧方式增加了燃烧器内燃料停留时间，提高了烟气温度，燃烧器内整体温度均大幅提升，火焰在燃烧器后锥能实现稳定均匀传播。

各种强化燃烧方式均能改善燃烧器内燃烧组织、提高燃烧器内平均温度。不同措施的强化燃烧效果见表3。增加旋流强度，燃烧器出口平均温度和燃烧器内平均温度分别增加了20和43 K;减少二次风量的作用最为明显，燃烧器出口平均温度和燃烧器内平均温度分别增加了203和104 K;综合强化燃烧方式下，燃烧器出口温度接近燃烧器燃用煤粉时的工况，燃烧器内平均温度降低约100 K，基本可达到稳定燃烧污泥水煤浆的目的。

表3 不同强化燃烧方式对双锥燃烧器燃用污泥水煤浆的影响
Table 3 Effect of different intense combustion method on sludge coal slurry combustion

3 结 论

1)水蒸发吸热是影响水煤浆燃烧过程的关键因素，其最大吸热速率为0.504 kW/kg，占水煤浆最大放热速率的56.05%，总吸热量为1.917 MJ/kg，占燃烧放热量的9.94%;掺烧20%污泥时水蒸发吸热量为0.546 kW/kg，比水煤浆高8.4%，总放热量为16.88 MJ/kg，比水煤浆低12.5%。

2)离散相模型中考虑水蒸发过程的吸热现象，更适用于水煤浆燃烧的数值模拟。14 MW双锥燃烧器的模拟结果表明，水煤浆中水含量由0增至35%时，平均每提高1%水含量，燃烧器出口温度下降7.95 ℃，燃烧器内平均温度下降7.69 ℃;水含量为35%时，燃烧器内平均温度降低269 ℃，燃烧器出口平均温度降低278 ℃;直接使用现有双锥燃烧器仅可燃烧水含量为25%左右的煤浆，无法实现污泥水煤浆的稳定燃烧。

3)降低二次风量、提高二次风旋流强度、提高二次风温度的强化燃烧措施，均可改善污泥水煤浆燃烧状态。二次风旋流强度由1变为2时燃烧器出口平均温度提高20 ℃，二次风量减少至为理论空气量的0.6，燃烧出口平均温度提高203 ℃，综合使用3种措施后，燃烧器出口平均温度提高289 ℃，双锥燃烧器基本可达到稳定燃烧污泥水煤浆的目的。

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