生物质工业生物质颗粒燃烧机和炉膛数值模拟与试验研究
摘 要：针对生物质工业锅炉，利用Fluent对生物质燃烧机和炉膛进行数值模拟，分别研究变一次风旋流强度和锅炉负荷变化对燃烧特性的影响，结果显示：炉内生物质燃烧温度随着次风旋流强度的增大而升高，当次风旋流强度为2.14时生物质具有Zui高的燃尽率；锅炉负荷降至40%时生物质颗粒燃烧机依然能维持生物质在炉内的稳定燃烧，并保证生物质的燃尽率达到较高水下。随后基于模拟结果，制造了4t/h的生物质工业锅炉样机，并对其进行了燃烧试验，结果表明生物质在炉内能被较好地引燃并稳定燃烧，炉内温度分布较理想，锅炉平均效率达到88.75%，且尾部烟气中NO。、S02及烟尘排放量均大大低于国家I类地区排放标准。
当前，我国在用工业锅炉有60多万台，其中燃煤工业锅炉占其总量的85%左右[1-2]。燃煤工业锅炉大部分为链条炉，燃烧效率普遍偏低‘3]。链条炉在实际运行中，其平均热效率仅为65%左右‘4]。而生物质工业锅炉采用悬浮燃烧方式，其锅炉效率较高。
在工业锅炉上燃用生物质，生物质颗粒燃烧机的设计是关键，其性能的优劣直接决定了锅炉运行效率的高低‘5]。由于工业锅炉的炉膛空间较小，这就要求生物质颗粒燃烧机应能较好地组织炉内的场，使生物质能高效稳定地燃烧，并具备良好的燃尽性能，又能避免结渣，能长期可靠运行。
本文针对生物质工业锅炉，在已进行冷态流场特性研究的基础上[6]，对生物质颗粒燃烧机和炉膛进行了数值模拟和试验研究。重点研究变二次风旋流强度邗锅炉运行负荷变化对燃烧特性的影响规律并对4t/h的生物质工业锅炉样机进行燃烧试验。
1 生物质颗粒燃烧机和炉膛数值模拟
1.1物理模型简介
生物质颗粒燃烧机和炉膛的模型结构如图1所示。生物质颗粒燃烧机采用了分级配风与预燃室相结合的方案，把进入生物质颗粒燃烧机的二次风分为二次旋流风和分级直流风两股气流，分级直流风设置在预燃室内壁面，在一次风道出口处加装有钝体。
生物质颗粒燃烧机的二次风旋流器设计为可调式轴向旋流叶片，通过调节旋流叶片角度可以改变二次风旋流强度[7-8]。在本数值模拟中，不对该生物质颗粒燃烧机的具体结构进行建模，只通过改变二次风道的速度进口条件来与旋流叶片调节的工况相匹配。生物质颗粒燃烧机出口为锅炉的炉膛，将生物质颗粒燃烧机和炉膛作为一个整体进行计算，以了解生物质颗粒燃烧机和炉膛的流动、燃烧、传热情况。
1.2网格划分和计算方法
网格是数值计算的基础，网格质量直接影响到计算结果的稳定性和性。本文生物质颗粒燃烧机和炉膛的网格按照以下方式进行划分：一次风和二次风出口附近的非规则区域，采用四面体网格进行划分；一次风管、二次风管、预燃室以及炉膛空间采用六面体网格进行划分。
数值模拟采用三维稳态计算，SIMPLE算法。选取重整化群RNGk-/jj程作为气相湍流流动的模型，湍流燃烧选取PDF模型，挥发分析出采用双方程模型，焦炭燃烧选用动力一扩散控制反应速率模型，辐射换热采用P-l模型。
1.3 边界条件及初始条件
一次风、二次风及分级风进口均设为速度进口，其中一次风和分级风均为直流，只设置轴向进口速度，二次风进口面设置轴向和切向两个方向的速度，以实现旋流效果；炉膛出口采用压力边界条件，表压为零；壁面为无滑移壁面，表面粗糙度为0.5，炉膛壁面设置为470K; -次风、二次风和分级风的风温均设置为293 K，即20℃；设定给粉量为450 kg/h;燃料参数设定如表1所示。
1.4数值模拟工况
影响燃烧特性的因素有一次风速、二次风速、二次风旋流强度、钝体阻塞率、运行负荷等，而对于旋流生物质颗粒燃烧机来说，二次风旋流疆度和运行负荷是生物质颗粒燃烧机燃烧特性两个Zui主要的影响因素，选定二次风旋流强度和锅炉负荷两个运行参数进行计算。
二次风旋流强度，定义为Q=8，／（万Dp），其中，是旋转动量矩，，=pq，wRsw；p是轴向动量矩，p=pq，u;D为生物质颗粒燃烧机喉部直径，m;g。为气流的体积流量，ffl3/S;Rsw为旋转气流的旋转半径，m;“，w分别为生物质颗粒燃烧机内的平均轴向速度和平均切向速度，m/s。
数值模拟测试工况如表2列出。
其中工况1～3用于考察变二次风旋流强度对燃烧特性的影响规律；工况4～6用于研究锅炉负荷变化对燃烧特的影响。
1.5模拟结果分析
1.5.1变二次风旋流强度对燃烧特性的影响
图3给出了旋流强度分别为1.23、2.14和3.70三种工况下中心线温度随轴向距离变化曲线的比较，其中轴向距离Z为测试点（平面）到一次风管入口的水平距离。由图可知，三条曲线的变化趋势大致相同，温度随着Z的增大先达到Zui高值后逐渐降低至趋于平缓，分析为生物质进入生物质颗粒燃烧机后先在预燃室内迅速着火燃烧，后由于燃烧剧烈程度下降及炉内工质问的热交换，温度渐渐降低。具体分析可知，Q=1.23时炉内燃烧温度较两个工况下降的更为明显，而Q=2.14写Q=3.70两个工况下炉内温度相差较小。对Q=2.14和Q=3.70两种工况下的温度场数据进行算术平均，分别得到平均温度为1301.4K和1309.3K，表明Q=3.70时炉内温度略高。由此可知，炉内温度随着二次风旋流强度的增大而升高。在工程应用上可以通过调节二次风的旋流强度来改变炉内温度场。
生物质的Var、Ca，分别为30%、55.28%，在炉膛出口截面对生物质的燃尽数据进行统计，得到旋流强度为1.23、2.14和3.70时巩值均为，77c分别为96.16%、97.32%和96.68%，将以上数据代入式(1)中，得到3种工况下生物质的然尽率依次为97.51%、98.26%和97.85%。生物质颗粒的燃尽率并不随着旋流强度的增大而增大，当二次风旋流强度为2.14时生物质的燃烧效率较高，该结果对工程用具有一定的指导意义。
1.5.2锅炉负荷变化对炉内燃烧的影响
分析各图不难看出，生物质燃烧机和炉膛内整体温度水平随负荷的减小呈下降趋势，当锅炉负荷降至40%时生物质依然能着火并稳定燃烧，且生物质主要燃烧区域的温度均在1200K以上，从而为生物质燃烧创造了高温环境。
图5展示了锅炉负荷分别为80%、50%和40%三种工况下对应中心线温度曲线的比较，可以看到，三者变化趋势大致相同，当锅炉负荷降至40%时，炉内温度水平Zui低，但也能维持在1000K以上，从而满足生物质在炉膛内的稳定燃烧，也说明了该生物质燃烧机具有较好的低负荷稳燃能力。
同样在锅炉负荷为80%、50%和40%三种工况下对炉膛出口截面处的生物质燃尽率进行了统计，结果如下：锅炉负荷为80%、50%和40%_种工况下现均为，而r7c依次为94.40%、94.14%和93.72%。将上数据代入式(1)得到三者的燃尽率分别为96.37%、96.20%相95.93%，说明在低负荷状态下，该生物质燃烧机不但能够保证生物质在炉内稳燃，且使得生物质达到较高的燃尽水平。
2 4t/h生物质工业锅炉样机燃烧试验
为了了解生物质工业锅炉在实际运行中的燃烧情况，结合数值模拟结果，制造了4t/h的生物质工业锅炉样机，并对其进行了燃烧试验。锅炉样机本体采用D型结构，由上下纵置锅筒、炉膛水冷壁管、对流管束、集箱、联通管等部件组成，生物质燃烧机的安装口设置于锅炉的前墙，在省煤器之后设有布袋除尘器。
2.1炉内温度场
在生物质工业锅炉样机的炉膛侧面设有4个观火孔，观孔与生物质燃烧机预燃室出口截面的轴向距离分别为0.2m、0.7m、1.2 m和2.4m，将生物质燃烧机预燃室出口所在截面设为坐标原点，则4个观火孔所在径向截面分别记为/=0.2m、/=0.7m、/=1.2 m和/=2.4m。待锅炉系统稳燃2h后，利用K型热电偶分别通过4个看火孔对炉内进行测温。记每个看火孔径向截面的中心点为坐标原点，在其水平径向上分别测量坐标为0.0m、±2.0 m、±4.0 m和±6.0 m上的炉内温度值，并将其结果与数值模拟结果进行对比，结果如图6所示。
图6分别展示了/=0.2 m、/=0.7 m、/=1.2 m和/=2.4m四个截面水平径向温度的分布情况。从图中不难看出，实验数据与数值模拟数据总体上较吻合，但测点上的温度在数值上存在一定差异，尤其在水平距离为0.6的坐标位置实验数据和模拟数据差异较大。经分析认为，锅炉运行时炉膛内部呈负压，用热电偶进行测温时需将看火孔打开，故有部分常温空气被卷吸进入炉内，从而使得测量数据偏低，对测试结果产生一定影响。如各图所示，模拟曲线的变化趋势为由中心点向两边先升高后降低，这是因为中心线附近存在回流区，使得生物质燃烧产生的高温烟气向回卷吸，与后进入的煤粉发生换热，高温烟气中氧含量较少，导致生物质燃烧反应不剧烈。而回流区边界的生物质与高温烟气发生热量交换Zui为迅速，所受扰动Zui为强烈，且氧含量相对充足，生物质在该区域燃烧Zui为剧烈，故两边温度较中心区域更高。所测炉内温度分布较理想，与理论分析结果相吻合，生物质在炉内能被较好地引燃并稳定燃烧。
2.2锅炉热效率和污染物排放测试
2.2.1 锅炉热效率
为了对生物质工业锅炉样机在实际运行中的热工性能作一个综合评价，特委托杭州市特种设备检验研究院对锅炉系统在额定负荷的工况下进行了正、反平衡热效率的测试，通过测量、检定和计算得到了锅炉在额定工况下的各相热损失以及锅炉热效率，其具体结果见表3和表4。
测试结果显示：生物质燃尽率为97.43%，锅炉平均热效率为88.75%。
2.2.2 污染物排放测试
委托浙江省环境监测中心对尾部烟气进行采样分析，获得了生物质工业锅炉样机的污染物排放数据。检测结果显示：NO。、S02、烟尘排放量分别为331mg/Nm3、230mg/Nm3、3.82 mg/Nm3，均大大低于国家I类地区排放标准[10]。
规定值比较（mg/Nm3）
3结论
利用数值模拟研究了变二次风旋流强度和锅炉运行负荷变化对燃烧特性的影响规律，并对4t/h的生物质工业锅炉样机进行了燃烧试验，获得如下结论：
(1)随着生物质工业锅炉生物质燃烧机二次风旋流强度的增强，炉膛中的温度水平随之提高，有利于强化生物质燃烧。根据燃料燃尽率的统计结果，生物质燃尽率并不随着旋流强度的增大而呈升高趋势，当二次风旋流强度为2.14时生物质会有较高的燃尽率。
(2) 当锅炉运行负荷降至40%时，生物质依然能在炉膛内着火并稳定燃烧，且燃尽率达到95.93%，表明生物质燃烧机具有较好昀低负荷稳燃能力。
(3)燃烧试验表明生物质在炉内被较好地引燃并稳定燃烧，且炉内温度分布较理想，也说明生物质燃烧机具有良好的组织生物质燃烧的能力。
(4)热效率测试结果显示：生物质燃尽率达到97.43%，平均热效率达到88.75%。污染物排放测试结果显示：NO。、S07.烟尘排放量分别为331rrig/Nrri3、230mg/Nm3、3.82mg/Nm3，均大大低于国家I类地区排放标准。
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