生物質與煤混燒特性的數值模擬研究

許曉駿

(大唐長春第二熱電有限責任公司，長春130000)

生物質與煤混燒發電技術是20世紀末發展起來的一項新能源利用的新技術。曾有很多學者對混燒性進行了分析研究，如譚巍［1］等分別在熱重分析儀和在35.5 kW生物質循環流化床實驗平臺上進行了樹皮和煤的混合燃燒試驗，得出了煤的最佳添加量;董信光［2］等以麥稈、楊木屑、酒糟和煙煤在不同配比下混合燃燒的灰分作為研究對象，分別在實驗室和大型電站鍋爐上測試，得出混合燃料的灰分特性，但他們都未研究生物質與煤混燒的燃燒特性。基于此，本文根據長春某電廠鍋爐結構參數，采用前處理軟件Gambit建立鍋爐流場空間網格物理模型，利用Fluent模擬混燒過程并對其數學模型進行求解，模擬混燒過程，生物質類型為木材廢棄物，并對其結果進行分析，證明生物質與煤混燒對爐內空氣動力場影響較小，能夠滿足鍋爐經濟運行。

1 物理模型

根據長春某電廠鍋爐現有爐膛尺寸、結構特點等因素，通過前處理軟件gambit進行網格劃分，將整個計算區域分成5個區段:上爐膛區、燃燒器與上爐膛交接區、燃燒器區、冷灰斗與燃燒器交接區、冷灰斗區。在劃分過程中對部分區域進行了合理簡化，如以燃燒器噴口面作為代表。這樣劃分的好處在于每個單區域內的網格都是獨立的，不受其他區域網格的影響，同時這樣計算的速度與精度都可以大大提高。Gambit所建爐膛截面模型如圖1所示。

2 數學模型的求解

為便于研究生物質摻煤混燒燒的爐內流場和溫度場特性，對研究對象計算過程做如下規定:1)計算域內氣相為湍流流動，并符合Boussinesq假設;2)氣相湍流反應采用雙混合分數概率密度函數模型;3)揮發分洗出模型采用雙匹配速率模型;4)輻射換熱模型采用P－1模型。

圖1 燃燒器截面網格劃分Fig.1 Burner cross-section mesh

根據流體單元流體質量的增加率，可以推導出粘性流體連續性方程為

式中:ρ為流體密度，kg/m3;t為時間，s;u、v、w 為速度，m/s。

在流體單元中，不可壓縮粘性流體的N－S方程表示為

式中:ρ為流體密度，kg/m3;ui為速度，m/s;t為時間，s;p為壓強，Pa;μ為動力粘度，Pa·S;fi為單元質量流體所具有的質量力，N。

根據熱力學第一定律的推導，混燒流場的能量方程可以表示為

式中:ρ為流體密度，kg/m3;e為熱力學能，J;▽為矢量微分算子;p為壓強，MPa;T為熱力學溫度，K;k為傅里葉定律中傳熱系數，W/m2·K;Φ為耗散系數，表示粘性應力所作的功率，Φ=τijsij。

2.1 數值計算方法

本文通過大型流體商業計算軟件Fluent［3］進行數值模擬，空氣流動采用耦合的SIMPLE算法，對流擴散項采用QUICK差分格式［4］，氣相湍流流動選擇k－ε模型。計算域采用分區域網格劃分，燃燒器區域采用網格加密處理，整個爐膛共劃分約60萬個網格，最大扭曲率為0.67，符合計算要求。

2.2 邊界條件設定

2.2.1 入口邊界條件

燃燒器入口溫度、速度、流量等因素為已知參數。入口處的水力直徑表示為

式中:H為水力直徑，m;A為濕橫截面積，m2;χ為濕周長度，m;Rh為濕周半徑，m。

流場的湍流強度為

式中Re為雷諾數。

流場湍流耗散率表示為

式中:Cμ為常數;k為湍流能;l為湍流度尺度，m。

入口邊界條件:

1)粒徑大小按照Rosin－Ruler的規律分布。

2)原煤采用湖南冷水江無煙煤，其揮發分為5.56%，水分為3.64%，含碳量為87.16%，著火性能指數FZ為0.74。生物質采用鋸木廠鋸屑，其揮發分為 73.93%，水分為 1.66%，含碳量為24.04%，著火性能指數FZ為13.74。

3)進口處溫度值與一次風溫度相同，進口處速度值設為一次風氣相速度0.8倍［5］。

2.2.2 出口邊界條件

出口邊界設置為壓力出口，爐膛一般處于負壓狀態，設計出口壓力為－40 Pa。

3 模擬結果與分析

本文分別對生物質與煤混燒熱量比為0%、5%、10%和15%進行計算分析，其中一次風速和二次風速分別為23.5m/s和51.6 m/s。

3.1 燃煤工況與混燒工況的比較分析

在原煤中摻入一定比例的生物質混燒，然后再對混合燃料進行分析，發現隨著混燒的生物質燃料逐漸增加，混合燃料的揮發分逐漸增加，水分逐漸增加，含碳量逐漸減小，著火性能指數逐漸升高。當混合比為15%時，混合燃料的揮發分為15.82%，水分為3.34%，含碳量為77.69%，著火性能指數FZ為2.69。

4種工況下一次風第三層噴口截面熱態流場矢量圖如圖2所示，4種工況下燃燒區一次風第三層噴口所在截面的溫度分布如圖3所示。分別計算不同工況下的鍋爐爐內流場動力特性與溫度特性，并選取第三層燃燒器所在截面，不同混合比時的速度場如圖2(a)和圖3(a)所示。原煤工況(混燒比為0)時，鍋爐中心形成穩定的燃燒流動切圓，并且中心溫度較高，燃燒器吹出的火焰剛度較大。燃燒區形成4個相對均衡的高溫區，燃燒動力特性較好。而混合比為5%、10%、15%時，燃料氣流形成的動力切圓在燃燒區域發生移動，且煤粉剛度較原煤的火焰剛度小。但是，燃料氣流在中心位置形成熱態切圓，直徑大小適中，燃料區域流場合理;不同工況下，切圓直徑無明顯差別，這說明原煤摻入一定比例生物質混燒，對爐內動力場影響較小。從圖3所示的不同混合比時溫度場計算結果可以看出，雖然使用燃料成分不同，但是溫度分布無明顯差異，摻混生物質后整體溫度有所下降。

圖2 燃燒區一次風第三層噴口截面流場矢量圖Fig.2 Primary air third layer nozzle cross flow vector diagram in combustion zone

圖3 燃燒區一次風第三層噴口所在截面的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of primary air third nozzle section in combustion zone

3.2 不同比例摻混的燃燒工況分析

從圖2中可以明確看出，在兩層不同截面4個工況下都形成了直徑大小適中的切圓，爐內燃料氣流的充滿度較好，形成了較強烈的擾動效果，此時對燃料氣流的著火條件較好，有利于燃料的燃盡。在貼近墻面的位置出現部分回流現象，這是由于射流噴出后不斷卷吸高溫煙氣形成補氣流。4個工況下的熱態切圓無論是大小還是在爐內位置都相類似，說明混燒比例變化對爐內動力場無明顯干擾。

從圖3中可以看出，4個工況下的溫度分布相似。由于四角氣流相互影響以及熱態切圓較大的原因，使得在貼近壁面附近形成高溫區。隨著混燒比例的提高，各個位置的溫度呈下降趨勢。模擬得到的爐膛出口平均溫度由1300 K遞減至1250 K。Christensen KA等人通過實驗證實 K2SO4是在650～900℃區間從氣相結晶析出，而 KCl則是在700℃左右結晶析出［6］，所以在尾部煙道段 KCl、K2SO4尚未析出結晶，可以有效控制結渣現象。爐膛中下部燃燒區反應最為劇烈，沿爐膛縱向高度上升，爐內溫度逐漸降低。得到的爐膛縱向溫度分布與煤粉爐溫度分布規律相符合。隨著摻混比例的提高，燃料的發熱量降低，爐內的溫度水平和燃燒器區域的最高溫度都隨之降低。

4 結論

1)鍋爐混燒模型是復雜的流場模型，通過CFD數值模擬方法能夠反應流場變化規律，為鍋爐混燒研究奠定了理論基礎。

2)分別將原煤的燃燒動力特性和溫度特性與混合燃料的燃燒動力特性和溫度特性進行比較，發現原煤燃燒所形成的動力特性較混合燃料燃燒形成的動力特性穩定，火焰剛度較大，并且混合燃料的溫度較原煤溫度有所下降。

3)對摻混比例5%、10%、15%工況進行計算，結果表明，由于生物質的發熱量較低，摻混燒料后整體發熱量降低，導致混合燃料燃燒后爐膛溫度有所下降。當加入生物質比例達到15%時，平均溫度比燃煤工況下降150 K左右。但爐內動力場無明顯變化，符合爐內燃燒規律。

4)混燒生物質比例15%以后，爐內溫度場分布情況并無明顯改變，分布輪廓線相似。由于生物質熱量較低，摻混后爐內溫度場有所下降，熱態切圓直徑相似，摻混對爐內空氣動力場影響較小。

5)通過比較燃煤工況和混燒工況的速度場和溫度場分布情況，發現混燒不僅能夠滿足鍋爐的負荷要求，而且滿足鍋爐的經濟運行要求。

［1］ 譚巍，宋景慧.生物質循環流化床內樹皮與煤混燒的試驗研究［J］.可再生能源，2014，32(2):216 221.TAN Wei，SONG Jinghui.Experimental investigation on co-firing of tree back and coal in circulating fluidized bed［J］.Renewable energy，2014，32(2):216 221.

［2］ 董信光，李榮玉.生物質與煤混燒的灰分特性分析［J］.中國電機工程學報，2009，29(26):118 124.DONG Xinguang，LI Rongyu.Analysis of the ash characteristic during co-firing of biomass and coal［J］.Proceedings of CSEE，2009，29(26):118 124.

［3］ X.WANG，H.TAN，Y.NIU，M.Pourkashanian，et al.Experimental investigation on biomass co-firing in a 300 MW pulverized coal-fired utility furnace in China［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2011，33(4):2725 2733.

［4］ 溫正，石良辰，任毅如.Fluent流體計算應用教程［M］.清華大學出版社，2008:81 86.WEN Zheng，SHI Liangchen，REN Yiru.Fluent fluid computation and application course［M］.Tsinghua University Press，2008:81 86.

［5］ 陶文詮.數值傳熱學(第2版)［M］.西安:西安交通大學出版社，2001:182 183.TAO Wenquan.Numerical heat transfer(Second version)［M］.Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press，2001:182 183.

［6］ CHRISTENSEN.KA，STENHOLM.M，LIVBJERG.H.The Formation of Submicron Aerosol Particles HCl and SO2in Straw-Fired Boilers.Iournal of Aerosol Science，1998，29(3):136 148.