大尺寸生物質層燃煤爐三維數值模擬

林 偉

(陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000)

到2040年，全球能源需求將增長25%以上[1-2]。對全球變暖的擔憂和對新能源供應的需求，導致可再生能源在世界能源市場中所占份額越來越多，到2040年從25%上升到40%以上[3-4]。生物質能源是一種可再生能源，在世界范圍內都可以找到許多不同的形式和類型，來自不同的起源，如農業、林業、副產品、廢棄物甚至藻類。生物質能源的可用性和多樣性，以及它的多功能性將生物質轉化為固體、液體和氣體燃料僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，占全球能源供應的10%～14%[5-6]。生物質燃料可以從現有的生物量儲備中獲得，這些燃料通常是殘渣或專用能源原料[7]。

生物質由于其功能性和適應性，成為一種廣泛應用的燃燒方式。使用的燃料種類繁多，可以通過致密化、加熱或干燥等方法，改善品質。此外，生物質燃燒有著廣泛的應用范圍，從小型鍋爐到專用于熱量和電力生產的大型鍋爐[8-9]。生物質層燃煤爐是在燃煤爐基礎上進行改造，可以用于生物質燃燒的鍋爐(爐排鍋爐)，但是由于生物質中所含的復雜有機成分在燃燒過程中往往會有污染氣體和堿性礦渣，這些物質不僅會產生爐渣同時也會對鍋爐內部產生腐蝕，因此采用數值模擬的方法對燃料流動及爐內溫度進行模擬，對爐體進行優化設計從而為大尺寸生物質層燃煤爐的研發設計提供理論依據。

1 模型建立及網格劃分

圖1所示為燃燒爐的內部模型示意圖，燃燒爐由爐體本身和位于爐出口的熱交換器組成。爐排為階梯狀，寬度為1.7 m，長度為5 m。爐排的移動推動燃料向前移動并混合燃料。爐體內設置有二級和三級鼓風口不斷鼓入空氣保證燃料的充分燃燒和熱量的均勻擴散。圖2為模型的網格劃分圖，采用非結構網格模型進行劃分，對于進風噴口處進行局部加密處理從而更加捕捉傳熱傳質瞬態變化。

圖1 爐體模型圖

圖2 模型網格劃分圖

2 模擬結果與分析

2.1 溫度分布

圖3所示為燃燒爐工作狀態時氣相溫度分布云圖，從圖3中可以看出由爐床底充分燃燒的燃料釋放出大量熱量，溫度可達到1 300～1 500 K，緊接著由于二次排風口和三次排風口鼓入的空氣熱量迅速從爐底向上進行熱量傳遞。可以看出出風口的溫度也可接近1 300 K。圖4為爐床溫度分布圖，從圖4中可以看出越靠近爐床底部燃料的溫度越高，表面處的生物質燃料基本在500 K以下。

圖3 氣相溫度分布圖

2.2 濃度分布

通過Fluent自帶的組分運輸模塊對燃燒后各生成物的濃度分布進行研究，結果如圖5所示，從圖5中可以看出靠近燃料口附近的生物質燃料主要為濕料，隨后濕料在高溫的烘焙下水分迅速揮發，因此表面干燥的木制濃度同樣比較高。在生物質料充分燃盡之后會產生焦料和燃盡的灰質，由于爐排的移動大量的燃盡灰質材料會向著階梯爐排向下移動，可以看出燃盡料主要分布在爐排表面。由于焦料是生物質燃燒后產生的膠狀凝結物因此會集中在大塊物料下方難以有效移動因此難以在表面看到。因此在設計燃燒爐時需要對爐體進行特殊處理，否則長期以來焦料會進行聚集難以去除。

圖4 爐床溫度分布圖

圖5 各組分濃度分布圖

3 結 論

(1)根據分析研究，該模型與工業現場所采集的數據基本吻合從而驗證了模擬的可靠性，對于窯爐的設計具有一定的設計意義；

(2)采用噴槍口錯排的方式可以有效地避免噴槍口火焰對噴，使得火焰空間內溫度場更加均勻，減少熱能利用率，根據分析一般考慮兩噴槍口錯位距離為0.5 m較為合適。

本文對生物質層燃煤爐燃燒過程中的溫度及無物料成分的濃度分布進行模擬研究，通過模擬可以對爐內各個部分的溫度進行分析研究，而通過濃度的分析可以精確了解到燃燒過程中各種物料百分比和分布位置，這對進一步優化爐排和爐內整個腔體，進而減少爐渣沉積提高熱量利用率提供了理論依據。