謝曙光，陳昌，王為術(shù)**，范高峰，韓保生

(1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016；2. 華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045；3. 鄭州鍋爐股份有限公司，河南鄭州 450001)

隨著環(huán)境污染和能源匱乏危機的日益嚴重，尋求高效清潔的發(fā)電技術(shù)成為了世界各國急需解決的重點問題。目前世界各國發(fā)展的清潔能源中，生物質(zhì)能具有極大的優(yōu)勢。生物質(zhì)(biomass)是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物，生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式儲存在生物質(zhì)中的能量形式。我國擁有豐富的生物質(zhì)能源，每年可獲得生物質(zhì)資源量約20億t，折合標準煤達5.38億t，其中僅有小部分生物質(zhì)燃料得到合理利用，大部分被直接焚燒或丟棄，造成了極大的資源浪費，對環(huán)境也造成了污染。

生物質(zhì)直燃發(fā)電是生物質(zhì)能源大規(guī)模利用的一個重要途徑，在代替化石能源、解決能源危機和環(huán)境保護方面有著重要的積極作用。目前，循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電技術(shù)作為新型的清潔燃燒技術(shù)正在迅速發(fā)展，循環(huán)流化床鍋爐的工作特點可有效解決生物質(zhì)燃料燃燒不充分的問題。國內(nèi)外已有許多學(xué)者對此進行了研究，帥志昂[1]模擬了循環(huán)流化床內(nèi)流動和燃燒的情況，得到了爐膛內(nèi)溫度，固體顆粒體積分數(shù)，顆粒軸向速度的分布圖。張瑞卿等[2]采用顆粒離散相-顆粒群算法，模擬了循環(huán)流化床內(nèi)流動和燃燒的情況，獲得了從啟動到穩(wěn)態(tài)過程中各個時刻的變化情況。陸燕寧[3]探究了生物質(zhì)爐排爐的燃料適應(yīng)性，燃料校核計算結(jié)果驗證了該鍋爐對于入爐燃料的改變有一定適應(yīng)性。宋少鵬等[4]研究了煙氣再循環(huán)率對天然氣低氮燃燒特性的影響，表明適當調(diào)整煙氣再循環(huán)率能夠使NOx排放量降低。楊泉[5]就循環(huán)流化床鍋爐氣流流場分析結(jié)果對二次風進口進行了改進。黃中等[6]對某型循環(huán)流化床鍋爐的爐膛溫度場和氧場進行了測試，并對鍋爐的燃燒過程進行了模擬，為理論研究設(shè)計提供了參考。李瑞宇等[7]采用數(shù)值模擬的方法從多種影響因素進行了不同工況的數(shù)值模擬研究，并提出改造方案。史丹君等[8]通過數(shù)值模擬研究了爐內(nèi)氣固流動特性，得到了爐內(nèi)顆粒的流態(tài)化流動形態(tài)和動力學(xué)特性。He等[9]建立了循環(huán)流化床的傳熱模型，并對鍋爐不同工況下的3種換熱方式進行數(shù)值研究，得出了各自所占的比例。Knoebig等[10]建立了矩形截面三維循環(huán)流化床燃燒模型，證明了給料和返料對揮發(fā)分，焦炭，氧氣和一氧化碳影響較大。周星龍[11]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)了雙環(huán)核結(jié)構(gòu)，證實了褲叉腿區(qū)域的氣力輸送原理。 Molina等[12]探究了不同氧化氣體氛圍中循環(huán)流化床內(nèi)的燃燒特性，富氧模式中的燃燒率低于空氣燃燒模式。

雖然近年來國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)燃料以及循環(huán)流化床技術(shù)進行了大量的研究，但二者的研究相對獨立，鮮有對生物質(zhì)燃料應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)的研究。筆者針對一種新型的一體化小型生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐，采用ANSYS Fluent 2020 R2軟件進行數(shù)值模擬計算，研究了氣固流動與燃燒特性，為循環(huán)流化床鍋爐生物質(zhì)燃燒的研究與應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1 鍋爐物理模型

模型對象為生物質(zhì)小型循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐采用雙鍋筒橫置式的自然循環(huán)水管鍋爐，燃燒生成的煙氣向上進入臥式高溫水冷旋風分離器，旋風分離器由2片水冷膜式壁組成，以保證分離器的運行可靠。煙氣中的高速飛灰由于慣性力和重力作用被分離出來進入水冷回料道，再經(jīng)過回料口重新進入爐膛燃燒，保證燃料的充分燃燒，提高燃燒效率，減小運行成本，大部分顆粒被分離，可顯著減少后續(xù)煙道的及受熱面的磨損。循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床鍋爐不同，該生物質(zhì)小型循環(huán)流化床鍋爐的分離器由膜式水冷壁組成，布置在爐膛上部，結(jié)構(gòu)緊湊，即分離器和爐膛連為一體。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)示意

圖2 鍋爐三維結(jié)構(gòu)示意

該鍋爐爐膛總高為13 500 mm，寬度為4 300 mm，深度為4 560 mm，爐膛出口布置在后墻最上部，爐膛出口為直徑1 400 mm的圓形，出口圓圓心位于爐膛寬度中心線以左450 mm且高度為10 650 mm處，一次風口位于爐膛底部，整體簡化為底部布風平面，均勻進風，寬度為1 960 mm，深度為3 100 mm。二次風口布置在前后墻高度3 000 mm高處，前后各一個，為邊長400 mm的矩形。給料口總共有2個，布置在爐膛右墻高度3 660 mm處，為邊長600 mm的矩形?；亓峡谖挥跔t膛左墻下方，經(jīng)旋風分離器分離出來的物料由此口重新進入爐膛。循環(huán)流化床爐膛網(wǎng)格模型見圖3，爐膛結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，全域采用六面體網(wǎng)格，對各個進口，出口和返料口進行網(wǎng)格局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，得到最佳網(wǎng)格數(shù)量為4 482 693。

圖3 爐膛網(wǎng)格模型

2 燃料屬性及計算模型的選用

2.1 燃料屬性

該循環(huán)流化床鍋爐所用燃料為樹皮、稻殼等混合燃料，低位發(fā)熱值為12 296 kJ/kg。計算時采用的顆粒直徑為0.02~5 mm，平均直徑2 mm，以收到基分析的燃料組成見表1。

表1 收到基燃料組成分析 w:%

2.2 數(shù)值計算模型

使用ANSYS Fluent 2020 R2軟件進行數(shù)值模擬計算。爐膛內(nèi)部數(shù)值計算湍流模型選用RNG k-ε湍流雙方程模型，N-S方程以Simple方法求解，燃燒反應(yīng)模型選取非預(yù)混燃燒。由于爐膛內(nèi)部燃燒過程中，爐膛的壁面以及燃料顆粒和燃燒生成的各種物質(zhì)之間存在輻射散射作用，因此還需選取輻射模型。對于處理復(fù)雜的幾何輻射問題，選取P1輻射模型。揮發(fā)分析出選用單步析出模型，焦炭燃燒選用動力擴散模型，燃料顆粒的進入選用離散型模型。

3 邊界條件及工況設(shè)計

該鍋爐模型邊界條件的設(shè)置如下：一次風入口和二次風入口均采用速度入口，不同工況下過量空氣系數(shù)和入口風速見表2所示；出口采用壓力出口，數(shù)值設(shè)置為-19.62 Pa；爐膛所處環(huán)境重力加速度為9.81 m/s2，求解過程采用一階差分迎風格式離散氣相控制方程，對燃料顆粒尺寸采用Rosin-Rammler分布擬合的方法，2個給料口給料量均為0.69 kg/s。

表2 不同工況條件下參數(shù)設(shè)置

4 模擬結(jié)果分析

4.1 旋風分離器速度分布

該循環(huán)流化床鍋爐中采用的旋風分離器為內(nèi)置式分離器，旋風分離器內(nèi)空氣動力場是物料高效穩(wěn)定分離的關(guān)鍵，良好的流場可保證物料顆粒的規(guī)則運動，從而利用慣性順利分離。

沿Y軸方向(爐膛前后墻方向)，不同截面旋風分離器速度矢量圖見圖4，其中零點處為爐膛出口截面處。

圖4 沿Y軸方向不同截面旋風分離器速度矢量圖

由圖4可見：分離器內(nèi)空氣動力場分布均勻，具有較好的規(guī)律性，從爐膛過來的煙氣經(jīng)過一段截面逐漸減小的加速區(qū)，平均速度由3 m/s增大到10 m/s，然后在分離器內(nèi)進行圓周運動，形成漩渦區(qū)，95%以上的氣體會由于出口負壓從爐膛出口出去，很小一部分進入回料道，這有利于物料顆粒的貼壁，提高分離效率。從不同截面矢量圖對比可知，隨著越來越靠近出口，分離器中心區(qū)域的真空度慢慢減小，這是由于在遠離出口的截面處，煙氣速度大，在分離器內(nèi)的運動形成一個假想圓，中間很少有氣體，而爐膛出口是一個直徑較小的圓，當氣體被負壓引到出口的過程中，氣體會向中間匯聚，由此可見出口直徑增大，這種氣體匯聚程度會有一定程度的減小，從而更有利于顆粒盡量保持在分離器邊緣，直徑過大也會導(dǎo)致部分停留在分離器內(nèi)的顆粒逃逸量增大。矢量圖符合旋風分離器的速度場分布，有利于未燃盡的燃料順利分離返回。

4.2 分離器分離效率

旋風分離器的作用是將大量未燃燒完全的固體物料從氣流分離出來，進而返回爐膛進行二次燃燒，保證燃料的多次循環(huán)反復(fù)燃燒，基于此特點，分離器的分離效率是保證鍋爐正常運行的關(guān)鍵。不同工況下旋風分離器分離效率見圖5，數(shù)據(jù)為分別統(tǒng)計出口和返料口顆粒量所得。

圖5 不同工況下旋風分離器分離效率

由圖5可見：4種工況下的分離效率均在94%以上。過量空氣系數(shù)為1.15時分離效率最大，達到97.4%；隨著過量空氣系數(shù)的增加，分離效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為低于1.15時，空氣量較小，分離器內(nèi)煙氣速度也較小，不足以讓顆粒充分沿著圓壁面運動，從而較易從出口逃逸；當高于1.15時，空氣量較大，煙氣速度也較大，煙氣對顆粒的卷吸作用一定程度超過了顆粒自身慣性作用，導(dǎo)致顆粒被卷吸出爐膛?？傮w而言，當α處于1.15~1.2時，分離器的分離效果最好，達到96.5%以上。在保證鍋爐的正常運行條件下，α處于1.15~1.2時，可節(jié)省燃料，節(jié)約鍋爐運行成本。

4.3 爐內(nèi)溫度分布特征

4.3.1 X軸方向溫度分布

不同過量空氣系數(shù)下爐膛X=0 m縱截面(爐膛左右墻中心截面處)溫度分布見圖6。

由圖6可見：整個鍋爐溫度最高的區(qū)域出現(xiàn)在二次風口上部懸浮室段，當燃料顆粒進入爐膛后，被迅速加熱到著火溫度進行燃燒，底部一次風與前后墻的二次風匯集后一起形成向上運動的氣流，大部分燃料顆粒受氣流的影響，被卷吸向上繼續(xù)燃燒，溫度最高區(qū)域約為1 300 K，小部分燃料顆粒下落燃燒，溫度約為1 000 K，整個燃燒區(qū)域平均溫度約為1 100 K。不同過量空氣系數(shù)下爐膛截面溫度分布圖對比可看出，α=1.15時，整個爐膛溫度分布最為均勻，后墻2個給料口進來的燃料被二次風卷吸形成2股向中間靠攏的火焰。而當α分別為1.10，1.20，1.25時，燃燒區(qū)域變小，溫度降低，且燃燒分布開始不均勻，說明空氣量過少和過多都不利于燃燒，因而過量空氣系數(shù)為1.15時為最佳。

4.3.2 Y軸方向溫度分布

過量空氣系數(shù)為1.25時，爐膛Y=0 m縱截面溫度分布見圖7。

由圖7可見：爐膛下部燃燒區(qū)域分布在冷灰斗以上，從溫度云圖可知，爐膛下部大部分區(qū)域溫度在550 K左右，遠低于燃燒區(qū)域溫度，而下部靠左溫度在800 K以上，可知靠近回料口的區(qū)域是燃燒的，這是因為生物質(zhì)燃料含水量較高，可燃部分比例小，熱值較低，不易燃燒，未燃盡的94%以上的燃料經(jīng)旋風分離器由于慣性和重力的作用被分離至回料道，進而經(jīng)回料口進行二次燃燒?？煽闯鲈诳窟M一次風口的地方，溫度分布呈現(xiàn)漩渦式，這是因為當顆?？拷L口時一次風向上的卷吸作用所致，從而形成這一燃燒區(qū)域，符合循環(huán)流化床鍋爐的工作特性。

圖7 Y=0 m縱截面溫度分布

4.3.3 高度方向平均溫度

不同工況下沿爐膛高度方向平均溫度見圖8。

圖8 不同工況下沿爐膛高度方向平均溫度

由圖8可見：不同過量空氣系數(shù)下的爐內(nèi)溫度變化趨勢基本一致。隨著過量空氣系數(shù)的增加，沿爐膛高度方向溫度先升高后降低，在懸浮室段溫度最高，約為1 300 K，這里是燃燒最充分，火焰充實度最高的區(qū)域，而后溫度開始降低，這是由于煙氣向上會流經(jīng)鍋爐的各級受熱面，溫度有一定程度的降低，最后穩(wěn)定下來。通過4種不同過量空氣系數(shù)的對比可知，隨著過量空氣系數(shù)的增加，溫度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，工況下溫度最高，說明空氣量足夠供給燃燒，而空氣量再增大，溫度開始降低，可知空氣量過多，煙氣速度快，燃料停留時間短，且低溫空氣也會吸收一部分熱量導(dǎo)致煙氣溫度降低。

4.3.4 爐膛出口溫度

不同工況下爐膛出口溫度變化見圖9。

圖9 不同工況下爐膛出口溫度

由圖9可見：當過量空氣系數(shù)為1.15時，爐膛出口溫度最高，為1 080 K，而增大和減小過量空氣出口煙溫均有不同程度的降低。鍋爐運行過程中出口煙溫要求在1 065.5 K左右，數(shù)值研究參數(shù)與實際參數(shù)基本一致，爐膛內(nèi)的燃燒溫度和出口溫度均保證了循環(huán)流化床鍋爐低溫燃燒的特質(zhì)。

5 結(jié)論

1)旋風分離器內(nèi)煙氣速度分布呈現(xiàn)四周大中間小的特點，形成漩渦區(qū)，這有利于物料顆粒的貼壁，提高分離效率，越靠近出口的截面，分離器中心區(qū)域的真空度越小，出口圓直徑存在最優(yōu)值，過大和過小都不利于氣固的分離。

2)過量空氣系數(shù)過大和過小都不利于旋風分離器的氣固分離，當α處于1.15~1.2時，分離器的分離效果最好，達到96.5%以上。

3)鍋爐溫度最高的區(qū)域出現(xiàn)在二次風口上部懸浮室段，底部一次風與前后墻的二次風匯集后一起形成向上運動的氣流，大部分燃料顆粒受氣流的影響，被卷吸向上繼續(xù)燃燒，形成2股向中間靠攏的火焰，溫度最高區(qū)域約為1 300 K，小部分燃料顆粒下落燃燒。

4)過量空氣系數(shù)明顯影響爐內(nèi)燃燒情況，溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在最佳過量空氣系數(shù)。