某生物質顆粒鍋爐燃燒試驗分析

楊建東

摘要：鍋爐是具有高溫、高壓的熱能設備，是特種設備之一，在機關、事業企業及各行各業廣泛使用，是危險而又特殊的設備。一旦發生事故，涉及公共安全，將會給國家和人民生命財產造成巨大損失。文中筆者根據多年工作經驗，對某生物質顆粒鍋爐燃燒試驗進行了分析。

關鍵詞：鍋爐;生物質顆粒

引言

生物質鍋爐是鍋爐的一個種類，就是以生物質能源做為燃料的鍋爐叫生物質鍋爐，分為生物質蒸汽鍋爐、生物質熱水鍋爐、生物質熱風爐、生物質導熱油爐、立式生物質鍋爐、臥式生物質鍋爐等。鍋爐采用最適合生物質燃料燃燒的燃燒設備----往復爐排。鍋爐在結構設計上，相對傳統鍋爐爐膛空間較大，同時布置非常合理的二次風，有利于生物質燃料燃燒時瞬間析出的大量揮發分充分燃燒。

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。嚴格按中國國家規范和標準生產，所有受壓部件均采用優質鍋爐鋼材。每臺鍋爐出廠前都要經過嚴格的檢驗和測試，包括水壓試驗、X射線檢測和能效測試。設置有人孔、檢查門、觀火孔等，維護保養十分方便。生物質鍋爐的最大特點是：節能、環保且燃料成本低。

1.生物質顆粒鍋爐燃燒試驗

1.1生物質鍋爐

試驗中采用的生物質顆粒燃燒器，爐膛面積為1.05m×0.65m，其長寬比為1.6∶1，該鍋爐在爐膛上下方各有一組風機，見圖1。

圖1生物質顆粒鍋爐縱向剖面

1.2數值計算模型

由于模型結構比較簡單，在幾何結構和流場特點簡單的區域，使用結構化體網格，而在燃燒很集中的區域，對網格進行生物質顆粒直燃預燃室采用上給料下送風（定義為一次風）布置方式，進料和主配風位于預燃室的一側，進料斜向插入預燃室，依靠重力和流化風助流進料。配風點包含為自爐排底部進入的風量;流化物料的流化風;預燃室出口煙道冷卻周界風;爐側壁觀察孔保護風，出口高溫煙氣則位于另外一側。預燃室內壁有保溫裝置，材料為粘土，厚度為200mm。

圖2數值模擬生物質鍋爐結構

由于模型結構比較簡單，在幾何結構和流場特點簡單的區域，使用結構化體網格，而在燃燒很集中的區域，對網格進行了部分的密化，應用了分區劃分的思想，這也是精簡計算的重要手段。

采用三維穩態的形式來建立數值模擬，并用QUICK格式進行方程的離散，而流場計算采用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。其元素分析與工業分析見表1

表1生物質顆粒的元素分析與工業分析

1.3生物質鍋爐燃燒生物質顆粒試驗分析

對生物質鍋爐進行了燃燒試驗，從試驗可知：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生物質燃燒鍋爐爐內流場分析

在煙道口出口處的速度達到最高，流速高達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，一次風射流進入爐膛后，與從進料口處出來的二次風相互作用，使得在煙氣出口處的一次風速度進一步提升。

根據實驗測得，在100%工況下，一次風所占總風量比例在85%以上。數值模擬結果，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。進料口同時也可看做是二次風噴口，生物質顆粒從進料口斜向下高速射出后，有從煙氣口射出的趨勢，并且靠近壁面的速度較小，二次風中心速度較大。與一次風相互作用后，射流速度還會繼續增大。

圖3俯視流場分布

1.5生物質鍋爐爐內溫度場分析

從圖4可見，爐膛上方燃燒強烈，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域內，并且發現最高溫度并不是在中心處，而是圍繞中心的一個邊界。由于煙氣出口靠近主燃燒區域，使得高速運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。

受一次風射流過大的影響，燃燒區域過于靠上，且在其中心處周圍的某邊界線上溫度達到最高，達2000K左右，靠近煙氣出口處溫度為1500K左右，與試驗測得的煙氣出口附近溫度1555K非常接近。這也驗證了數值模擬結果的正確性。

圖4俯視溫度分布（單位：K）

豎直截面正面溫度分布見圖5，從圖中可見，上爐膛為燃燒的主要區域，并且燃燒的充滿度不好，主燃區域只占爐膛部分的三分之一。在煙氣出口處的溫度較高，主要是受一次風的影響，導致從二次風射出的氣流和顆粒無法再向下運動，而在上爐膛部分發生了回流。同時，使得燃燒區域靠近煙氣口，使得煙氣出口處溫度過高。

圖5豎直截面溫度分布（單位：K） 圖6側面截面溫度分布（單位：K）

鍋爐的側面截面溫度分布見圖6，從圖中可以看出在上爐膛的渦流部分為主要燃燒區域，這主要是由于從進料口射入的二次風向下運行遇到高溫煙氣，煙氣把溫度傳導給了生物質顆粒，使得它達到著火點，生物質顆粒燃燒。

1.6生物質鍋爐燃燒分析

根據數值模擬結果，在進料口處的顆粒停留時間較長，這也與燃燒的主要發生區域相一致，而越往下顆粒的停留時間越短。顆粒在剛進入爐膛后很快就發生熱解，析出揮發分;而在爐膛中部及下方的停留時間較短，迅速到達鍋爐底部。這與一次風的大小與位置有關，如果一次風越往下，風量越小，火焰的下沖深度就越大，顆粒的停留時間就越長，這樣更有利于內部燃燒的穩定。

2.結語

在爐膛內，爐內溫度場略呈菱形，并在出料口下方存在一定的傾斜，在一次風和二次風的作用下，兩相流沿煙氣出口處射出，使得煙氣出口處溫度較高，容易結焦，而在爐膛內部的火焰充滿度不高，燃燒區域靠上，爐膛上部容易燒壞。

在煙氣出口附近，由于靠近主燃燒區域，溫度較高，特別是靠近出口上方，溫度比爐膛內的部分區域還要高，此時溫度達到1555K，數值模擬結果為1500K，與試驗測得的最高溫度較吻合。

生物質顆粒運行速度迅速衰減的時間只有毫秒的數量級，最終速度與爐內主氣流基本一致;在進料口截面上，靠近后墻附近，顆粒運行速度較慢，停留時間是下爐膛部分的一倍。此處的揮發分析出的速度也較快;同時此處也是高溫區域，由此表明顆粒停留時間與溫度有很大的關系。

參考文獻：

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