某生物質(zhì)顆粒鍋爐燃燒試驗(yàn)分析

楊建東

摘要：鍋爐是具有高溫、高壓的熱能設(shè)備，是特種設(shè)備之一，在機(jī)關(guān)、事業(yè)企業(yè)及各行各業(yè)廣泛使用，是危險(xiǎn)而又特殊的設(shè)備。一旦發(fā)生事故，涉及公共安全，將會(huì)給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。文中筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某生物質(zhì)顆粒鍋爐燃燒試驗(yàn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鍋爐;生物質(zhì)顆粒

引言

生物質(zhì)鍋爐是鍋爐的一個(gè)種類，就是以生物質(zhì)能源做為燃料的鍋爐叫生物質(zhì)鍋爐，分為生物質(zhì)蒸汽鍋爐、生物質(zhì)熱水鍋爐、生物質(zhì)熱風(fēng)爐、生物質(zhì)導(dǎo)熱油爐、立式生物質(zhì)鍋爐、臥式生物質(zhì)鍋爐等。鍋爐采用最適合生物質(zhì)燃料燃燒的燃燒設(shè)備----往復(fù)爐排。鍋爐在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，相對(duì)傳統(tǒng)鍋爐爐膛空間較大，同時(shí)布置非常合理的二次風(fēng)，有利于生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)瞬間析出的大量揮發(fā)分充分燃燒。

采用高效保溫材料，鍋爐表面溫度低，散熱損失可以忽略不計(jì)。嚴(yán)格按中國(guó)國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，所有受壓部件均采用優(yōu)質(zhì)鍋爐鋼材。每臺(tái)鍋爐出廠前都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)和測(cè)試，包括水壓試驗(yàn)、X射線檢測(cè)和能效測(cè)試。設(shè)置有人孔、檢查門(mén)、觀火孔等，維護(hù)保養(yǎng)十分方便。生物質(zhì)鍋爐的最大特點(diǎn)是：節(jié)能、環(huán)保且燃料成本低。

1.生物質(zhì)顆粒鍋爐燃燒試驗(yàn)

1.1生物質(zhì)鍋爐

試驗(yàn)中采用的生物質(zhì)顆粒燃燒器，爐膛面積為1.05m×0.65m，其長(zhǎng)寬比為1.6∶1，該鍋爐在爐膛上下方各有一組風(fēng)機(jī)，見(jiàn)圖1。

圖1生物質(zhì)顆粒鍋爐縱向剖面

1.2數(shù)值計(jì)算模型

由于模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在幾何結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特點(diǎn)簡(jiǎn)單的區(qū)域，使用結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，而在燃燒很集中的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行生物質(zhì)顆粒直燃預(yù)燃室采用上給料下送風(fēng)（定義為一次風(fēng)）布置方式，進(jìn)料和主配風(fēng)位于預(yù)燃室的一側(cè)，進(jìn)料斜向插入預(yù)燃室，依靠重力和流化風(fēng)助流進(jìn)料。配風(fēng)點(diǎn)包含為自爐排底部進(jìn)入的風(fēng)量;流化物料的流化風(fēng);預(yù)燃室出口煙道冷卻周界風(fēng);爐側(cè)壁觀察孔保護(hù)風(fēng)，出口高溫?zé)煔鈩t位于另外一側(cè)。預(yù)燃室內(nèi)壁有保溫裝置，材料為粘土，厚度為200mm。

圖2數(shù)值模擬生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)

由于模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在幾何結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特點(diǎn)簡(jiǎn)單的區(qū)域，使用結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，而在燃燒很集中的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了部分的密化，應(yīng)用了分區(qū)劃分的思想，這也是精簡(jiǎn)計(jì)算的重要手段。

采用三維穩(wěn)態(tài)的形式來(lái)建立數(shù)值模擬，并用QUICK格式進(jìn)行方程的離散，而流場(chǎng)計(jì)算采用SIMPLEC算法，它可以增加收斂性，也是目前使用較多的算法，而邊界條件直接由速度入口和壓力出口可知。其元素分析與工業(yè)分析見(jiàn)表1

表1生物質(zhì)顆粒的元素分析與工業(yè)分析

1.3生物質(zhì)鍋爐燃燒生物質(zhì)顆粒試驗(yàn)分析

對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，從試驗(yàn)可知：在100%工況下該鍋爐煙道出口處CO2和O2的分別只有302.53mL/m3和23.5mL/m3，而CO為8437mL/m3。

1.4生物質(zhì)燃燒鍋爐爐內(nèi)流場(chǎng)分析

在煙道口出口處的速度達(dá)到最高，流速高達(dá)70m/s，在爐排處的速度由于受到爐排的阻擋，流速在10m/s以下。分析原因，一次風(fēng)射流進(jìn)入爐膛后，與從進(jìn)料口處出來(lái)的二次風(fēng)相互作用，使得在煙氣出口處的一次風(fēng)速度進(jìn)一步提升。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在100%工況下，一次風(fēng)所占總風(fēng)量比例在85%以上。數(shù)值模擬結(jié)果，在爐膛下方貼爐壁處的速度較大，并且一直延伸到煙氣出口處的速度也很大。進(jìn)料口同時(shí)也可看做是二次風(fēng)噴口，生物質(zhì)顆粒從進(jìn)料口斜向下高速射出后，有從煙氣口射出的趨勢(shì)，并且靠近壁面的速度較小，二次風(fēng)中心速度較大。與一次風(fēng)相互作用后，射流速度還會(huì)繼續(xù)增大。

圖3俯視流場(chǎng)分布

1.5生物質(zhì)鍋爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)分析

從圖4可見(jiàn)，爐膛上方燃燒強(qiáng)烈，溫度較高，從上向下，溫度迅速減小，所以最上方的橫截面在燃燒的主要區(qū)域內(nèi)，并且發(fā)現(xiàn)最高溫度并不是在中心處，而是圍繞中心的一個(gè)邊界。由于煙氣出口靠近主燃燒區(qū)域，使得高速運(yùn)行的一部分燃料在還未完全燃燒的情況下，就沿著煙氣出口射出。

受一次風(fēng)射流過(guò)大的影響，燃燒區(qū)域過(guò)于靠上，且在其中心處周?chē)哪尺吔缇€上溫度達(dá)到最高，達(dá)2000K左右，靠近煙氣出口處溫度為1500K左右，與試驗(yàn)測(cè)得的煙氣出口附近溫度1555K非常接近。這也驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖4俯視溫度分布（單位：K）

豎直截面正面溫度分布見(jiàn)圖5，從圖中可見(jiàn)，上爐膛為燃燒的主要區(qū)域，并且燃燒的充滿度不好，主燃區(qū)域只占爐膛部分的三分之一。在煙氣出口處的溫度較高，主要是受一次風(fēng)的影響，導(dǎo)致從二次風(fēng)射出的氣流和顆粒無(wú)法再向下運(yùn)動(dòng)，而在上爐膛部分發(fā)生了回流。同時(shí)，使得燃燒區(qū)域靠近煙氣口，使得煙氣出口處溫度過(guò)高。

圖5豎直截面溫度分布（單位：K） 圖6側(cè)面截面溫度分布（單位：K）

鍋爐的側(cè)面截面溫度分布見(jiàn)圖6，從圖中可以看出在上爐膛的渦流部分為主要燃燒區(qū)域，這主要是由于從進(jìn)料口射入的二次風(fēng)向下運(yùn)行遇到高溫?zé)煔?，煙氣把溫度傳?dǎo)給了生物質(zhì)顆粒，使得它達(dá)到著火點(diǎn)，生物質(zhì)顆粒燃燒。

1.6生物質(zhì)鍋爐燃燒分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在進(jìn)料口處的顆粒停留時(shí)間較長(zhǎng)，這也與燃燒的主要發(fā)生區(qū)域相一致，而越往下顆粒的停留時(shí)間越短。顆粒在剛進(jìn)入爐膛后很快就發(fā)生熱解，析出揮發(fā)分;而在爐膛中部及下方的停留時(shí)間較短，迅速到達(dá)鍋爐底部。這與一次風(fēng)的大小與位置有關(guān)，如果一次風(fēng)越往下，風(fēng)量越小，火焰的下沖深度就越大，顆粒的停留時(shí)間就越長(zhǎng)，這樣更有利于內(nèi)部燃燒的穩(wěn)定。

2.結(jié)語(yǔ)

在爐膛內(nèi)，爐內(nèi)溫度場(chǎng)略呈菱形，并在出料口下方存在一定的傾斜，在一次風(fēng)和二次風(fēng)的作用下，兩相流沿?zé)煔獬隹谔幧涑?，使得煙氣出口處溫度較高，容易結(jié)焦，而在爐膛內(nèi)部的火焰充滿度不高，燃燒區(qū)域靠上，爐膛上部容易燒壞。

在煙氣出口附近，由于靠近主燃燒區(qū)域，溫度較高，特別是靠近出口上方，溫度比爐膛內(nèi)的部分區(qū)域還要高，此時(shí)溫度達(dá)到1555K，數(shù)值模擬結(jié)果為1500K，與試驗(yàn)測(cè)得的最高溫度較吻合。

生物質(zhì)顆粒運(yùn)行速度迅速衰減的時(shí)間只有毫秒的數(shù)量級(jí)，最終速度與爐內(nèi)主氣流基本一致;在進(jìn)料口截面上，靠近后墻附近，顆粒運(yùn)行速度較慢，停留時(shí)間是下?tīng)t膛部分的一倍。此處的揮發(fā)分析出的速度也較快;同時(shí)此處也是高溫區(qū)域，由此表明顆粒停留時(shí)間與溫度有很大的關(guān)系。

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