基于FLIC軟件的生物質層燃數值模擬

肖 凡， 胡 南， 張 縵， 金 燕， 楊海瑞

(1. 太原理工大學 電氣與動力工程學院， 太原 030024;2.清華大學能源與動力工程系， 北京 100084; 3. 長春工程學院, 長春 130012)

1 引 言

生物質能是指可以進行光合作用的生命體將太陽能以化學能的形式固定在其體內的能量形式，和太陽能一樣都屬于可再生能源. 從廣義范圍來講, 生物質涵蓋所有的植物、微生物及將其作為食物的動物以及其生產出的廢物. 如城市及工業有機廢棄物料、農作物及其廢棄物料、木材和森林廢棄物、以及動物糞便等都可以稱得上是代表性的生物質[1-2].

中國生物質能能源極其豐富，各類秸稈的年產量可達6億噸，薪柴等產量大約為2億噸.每年仍有較大量的人畜生產糞便和工業廢棄物料等. 目前，除了很少一部分被用作動物口糧或者家用燃料使用外，其余大多數均被露天焚燒或者就地填埋，還有另外一部分丟在田間被生物降解.

隨著環境污染和能源短缺等問題的日益突出，人們愈加重視生物質能利用，許多國家都開始行動起來，積極投身于生物質能的開發及利用. 在多種利用方式中，直燃利用是一種比較重要的規模化利用方式. 生物質直燃代替化石能源，不僅能促進節能減排，還能帶動農民增加收入，因此合理有效利用生物質能既具環境效益又兼具社會效益，對促進社會經濟增長和改良生態環境極具意義[3].

目前，對生物質進行規模燃燒的最主要的方式包括層燃燃燒和流化床燃燒[4]. 其中，比較常見的是層燃燃燒，一般規模較小，但更適合生物質資源的分布規律. 在東北三省，常采用生物質層燃熱風爐，利用熱空氣對糧食進行干燥加工，可較好地實現生物質的綜合利用. 生物質層燃可以分為四個過程[5]，依次為干燥、熱解、燃燒和燃燼階段. Yang等[6-8]對垃圾層燃進行了全面系統地理論以及試驗研究，開發出一個二維模擬平臺FLIC(Fluid Dynamic Incinerator Code)，并綜合考慮了固定燃燒和移動燃燒，該平臺目前已經成為研究層燃的最常用工具. 利用 FLIC軟件針對床層進行數值計算，不僅可以得到用于爐膛稀相氣體燃燒的邊界條件，還能得到爐篦上各成分的燃燒狀況及其熱解的過程，為爐排爐的設計和優化提供了指導.

對于生物質燃料應用，在實驗方面，李曉翔等[9]對農林生物質進行熱重實驗，結果表明， 生物質熱解可大致分為干燥、預熱、熱分解氧化以及碳化還原4個階段. 在數值計算方面，趙芳芳[10]用Fluent軟件對某電廠改造后的48 t/h生物質爐排爐進行研究；余昭勝等[11]采用FLIC和Fluent軟件對秸稈直燃鍋爐在特定負荷，同時改變一、二次風比，對鍋爐燃燒特性進行研究. 與煤相比，生物質燃料揮發分含量高，固定碳含量低，然而目前很多生物質層燃爐設計和運行依舊沿用燃煤的思維, 不僅影響利用效率, 甚至會引發爆燃事故. 本文采用數值模擬方法研究生物質燃料在爐篦上的燃燒過程，其結果可對該類鍋爐的結構以及運行提供優化指導.

2 熱風爐結構及燃料特性

本研究對象為東北三省某生物質熱風爐，額定熱功率為7 MW. 該爐結構簡圖見圖1，爐排長度為4.3 m，寬度為2.5 m，一次風從爐排下部進入爐膛，二次風噴口設在前墻和爐頂，風口內徑為27 mm，間隔200 mm.

1.再循環風口 2.二次風口 3.隔墻

該爐燃用的是由玉米秸稈成型燃料，該燃料元素分析、工業分析見表1，其低位熱值為12 790 kJ/kg.

表1 生物質元素分析和工業分析

3 基于FLIC平臺的層燃模擬

3.1 FLIC軟件參數設置

FLIC是謝菲爾德大學開發的床層燃燒反應模擬平臺，主要應用于生物質、垃圾等高水、高揮發分等燃料的層燃燃燒模擬. 用戶給定燃料的工業分析、元素分析、低位發熱量、一次風分配、爐排尺寸等邊界條件，然后通過求解爐排上方氣相和固相的連續性、動量、能量和組分輸運方程，即可得到沿爐排運動方向的速度分布、溫度分布以及組分分布，并以此做為稀相空間數值計算的邊界條件.

該算法基于四階龍格庫塔法[9]，假定揮發分氣體成分為CmHn(33.2%)、CO(17.54%)，H2(10.22%)和CO2(31.06%). 燃料由輻射傳熱引燃. 計算時燃料粒徑為4 cm×4 cm×10 cm，其形狀因子為1.35. 堆積密度為 450 kg/m3，其孔隙率為0.719，料層初始高度為250 mm. 一次風量為209.2 m3/min，溫度為273 K，四個風箱中風均勻分配. 床層移動速度為8.53 m/h.

3.2 模擬結果

燃燒計算表明：燃料水分蒸發率為98.25%，揮發分析出率100%，焦炭燃燒率為71.65%，燃料總的質量損失是84.37%，床層計算表明其燃盡程度較高.

圖2a 爐排上方氣體溫度分布

圖2、圖3分別表示爐篦上方氣、固體的溫度分布. 由于一次風溫較低，燃料隨爐排進入爐膛區域以后主要依靠爐膛中煙氣輻射進行加熱. 由圖2b可知，在沿爐排前進0.53 m之前，燃料處于干燥階段，床層厚度變化不明顯，溫度較低變化也不大. 從0.53 m位置開始，揮發分開始逸出并燃燒，床層上方氣溫也很快隨之上升，水分蒸發加快，燃料此時由于熱解所以不斷被耗盡，厚度逐漸減薄. 在0.6～1.0 m之間，床層上方氣溫基本保持不變，與此同時床層高度下降，這是由于該段有大量揮發分析出，而熱解也會吸收熱量. 1 m之后，前段逸出的揮發分強烈燃燒，使爐篦上燃料溫度達到最高，為1 590 K. 氣相最高溫度出現在沿爐篦前進方向2～2.2 m處，最高可達1 348 K. 2.2 m之后，揮發分放熱基本結束故溫度開始變低，并且此時固定碳開始燃燒，但是由于固定碳著火溫度較高且此處床層較薄，故對一次風升溫程度有限且一次風溫度較低，所以固定碳只燃燒大概71%便不再燃燒，所以固定碳燃燒燃盡率并不是很高.

圖3 固相溫度分布Fig.3 The temperature profile of solid phase

圖4所示為燃料主要的組分變化趨勢. 水分變化見圖4(a)，上部燃料受到輻射傳熱，水分從燃料中脫出，并呈拋物線狀沿高度方向呈現.圖4(b)為揮發分變化，與圖3對比發現，當其表面溫度高達600 K時，伴隨著揮發分逸處之后燃料體積縮小，床層厚度明顯變薄. 固定碳含量變化如圖4(c)所示，由于其著火溫度較高，在剛燃燒初始階段其含量保持不變，受到輻射及自身燃燒放熱加熱后開始燃燒. 固定碳含量在兩個階段會發生突變: 一是揮發分逸出階段, 此時其含量從最初的13.23%增大至接近54.1%; 二是當固定碳氧化燃燒時，在朝著爐篦前進方向大概1～2.7 m 處，其含量從54.1%降到25.6%以下.

圖4 燃料組分含量變化

圖5、圖6分別為沿爐篦前進方向燃料各組分的變化率和煙氣各組分質量分數變化. 在朝爐篦前進方向0～1.9 m 處水分脫出. 從0.5 m 處開始，溫度持續上升，到600 K揮發分開始逸出，當析出的可燃氣體氧化燃燒時，氧氣的質量分數急劇下降至接近0%，生成產物CO2和H2O. 固定碳燃燒所需溫度更高，在沿爐排前進方向大概1 m處，床層表面溫度達到了1 040 K，開始燃燒并生成產物 CO2. 在1.5 m 處，燃燒率達到最高，溫度同樣也達到最高1 590 K. 到朝爐篦前進方向2.8 m處，基本完成燃燒，床溫下降到966 K. 從圖5還可也看出在燃燼后段所需氧氣很少，因此消耗量少，故其質量分數接近空氣中氧氣的質量分數.圖5顯示揮發分組分變化過程中會產生兩個峰值: 第一個峰是由于受熱后揮發分逸出，逸出的同時會吸收熱量，而且熱量尚未完全傳遞到內部，所以逸出量逐漸減少; 此后，由于里層燃料受熱溫度升高，之前處于內層揮發分隨之逸出，因此第二個逸出峰也隨之出現. 本文假定揮發分主要組分是CmHn、CO以及H2，由圖6知，CmHn、CO 和 H2也出現相同逸出規律. 從圖6中可以看出水的質量分數變化出現三個峰: 第一個峰是由于溫度升高燃料中的水分蒸發; 第二個峰是由于揮發分中H2析出與O2反應生成了H2O; 而第三個峰的出現也是由于熱傳導使得內層燃料中揮發分逸出后與氧氣發生反應而后形成.

圖5 燃料中各組分的變化率

圖6 煙氣各組分質量分數變化

3.3 運行優化分析

為了避免因配風原因影響燃燒，所以在實際運行中, 應根據各個階段不同的風量需求供應不同風量. 例如本文中，在朝爐篦前進方向0～0.5 m段水分脫出，此時并沒有氧氣消耗，理論上無需供風；朝爐篦前進方向0.3～3 m 為揮發分逸出及固定碳燃燒段，需要大量消耗氧氣，此段供風量應達到總風量的80%～90%[11]；朝爐篦前進方向3～4.3 m，屬燃燼段，也只需少量氧氣供應，此段風量供應可以調整為總風量的10%～20%，按需配風，并以此提高燃燼率，同時也可避免爐膛因供風量過大導致煙氣熱損增加. 針對朝爐篦前進方向0.5～2.1 m處高溫煙氣,可以在鍋爐進行結構設計時適當改變前、后拱角以及其覆蓋范圍，以此增強輻射，加速燃燒. 鑒于本文一次風溫度未經過預熱，揮發分析出后料層變薄，同時一次風溫度較低使得料層溫度降低，進而達不到固定碳燃燒溫度，使得固定碳燃盡率只有71.65%，所以為了提高燃盡率，可以適當提高一次風溫度.

4 結 論

本文對我國東北三省某用于糧食加工的層燃熱風爐進行數值計算，并獲得朝爐篦前進方向固相、氣相溫度分布，以及煙氣中的主要成分在朝爐篦前進方向的變化規律. 結果顯示，層燃過程可分成水分脫出、揮發分及固定碳逸出燃燒3個階段. 根據不同階段特點，按需配風，從而減少煙氣熱損，保障燃燒效率，并建議根據煙氣溫度設計拱角以及覆蓋長度，增強爐拱輻射強度，加速燃燒進程. 針對一次風溫低導致固定碳燃燼率低的情況，建議適當提高一次風溫來提高固定碳燃盡率. 本文模擬結果對生物質層燃鍋爐的運行與結構優化設計提供了參考.