龔俊，李凱，章平衡，王嵩聳，孫堅

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

生物質(zhì)鍋爐采用的燃料中經(jīng)常包含大量異物（泥沙、石塊及鐵塊等），其進入爐膛后難以燃燒，將隨著爐渣經(jīng)落渣管向外排出。然而，大塊異物的存在常常會造成落渣管發(fā)生堵塞。落渣管一旦堵塞，鍋爐冷渣器失去排渣能力，此時，需要現(xiàn)場運行人員進行人工疏通。作業(yè)過程中，不僅造成環(huán)境污染與熱量損失，而且高溫的爐渣容易燙傷工作人員，存在安全隱患，嚴重時可能撕裂與其相連的水冷壁，致使被迫停爐。因此，落渣管堵塞已對生產(chǎn)運行造成了嚴重的影響。

壓縮空氣具有超高壓力，釋放時能產(chǎn)生強大的沖擊力，能夠有效吹走落渣管內(nèi)堵塞的灰渣。同時，壓縮空氣的釋放可通過電動閥門遠程操作，保證了運行人員的安全。因此，空氣炮技術(shù)在清堵吹灰領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。王曉琴等針對煤倉堵塞現(xiàn)象，通過增設(shè)空氣炮利用0.4～0.8MPa的壓縮空氣產(chǎn)生強烈沖擊波，使黏連的煤料再次恢復(fù)重力流動。使用記錄表明：引起空氣壓力波動最大值為0.1MPa，就地壓力一般在5～6s即可恢復(fù)到0.4MPa的正常壓力。金永飛等建立空氣炮噴爆的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬手段研究初始壓力對煤倉清堵堵過程的影響。分析結(jié)果表明，初始壓力越高，空氣炮產(chǎn)生的沖擊力越大，清堵效果越好。當(dāng)初始壓力為0.8MPa時，清堵效果最佳。蘇紅星等開展了空氣炮的優(yōu)化研究，所得結(jié)論為：增加炮管長度可以有效減小壓縮空氣的初始壓力和體積，從而降低發(fā)射成本，提高系統(tǒng)的安全性。朱建安等針對不同充氣壓力開展了噴爆過程的試驗研究，通過空氣炮沖擊力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得出了空氣炮噴爆達到最大沖量時的充氣參數(shù)。當(dāng)充氣壓力為0.6MPa時，空氣炮的噴爆狀態(tài)比較理想，能夠得到較好的清堵效果。

然而，壓縮空氣發(fā)生裝置的安裝使用需要一定的成本投入，并且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與運行維護費用。熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組中，使用汽輪機排汽帶動空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。因此，可從壓縮空氣供給管路中接出分路用于落渣管的吹渣。基于上述思路，設(shè)計了新型落渣管吹渣系統(tǒng)，其具有節(jié)約成本、簡化系統(tǒng)以及安全運行的特點。同時，通過數(shù)值模擬研究了吹渣系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，分析了初始壓力與流通管徑對吹渣性能的影響規(guī)律。

2 吹渣系統(tǒng)設(shè)計

在熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組中，鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽帶動發(fā)電機發(fā)電，汽輪機排汽的一部分通過供熱管道供用戶使用，另一部分帶動空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。帶有較高壓力的壓縮空氣可作為吹渣過程的起源，因此，從壓縮空氣供氣母管引出一路接至高壓儲氣罐。鍋爐排渣在爐渣管內(nèi)發(fā)生堵塞時，開啟儲氣罐出口的電動球閥使壓縮空氣通入爐渣管內(nèi)。此時，關(guān)閉落渣管底部的電動閘閥，防止壓力的損失以及對下游冷渣機的損傷。壓縮空氣產(chǎn)生強大的沖擊可使堵塞的灰渣被吹走，進而疏通爐渣管。完成后，關(guān)閉儲氣罐出口的電動球閥，使壓縮空氣再次充滿高壓儲氣罐，準備下一次的吹灰；打開落渣管底部的電動閘閥，灰渣順利落入冷渣機進行冷卻（圖1）。

圖1 基于熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組的壓縮空氣吹渣系統(tǒng)

3 計算模型與數(shù)值方法

選取高壓儲氣罐至落渣管段進行數(shù)值模擬，壓縮空氣通過管道進入落渣管的流動過程采用ANSYS FLUENT 17.2進行瞬態(tài)模擬。采用GAMBIT軟件對圖2所示的計算域進行網(wǎng)格劃分。其中，高壓儲氣罐與落渣管的連接管采用直徑50～90mm的鋼管，壓縮空氣初始壓力為0.4～0.8MPa，落渣管直徑為259mm。

圖2 計算區(qū)域示意圖

啟用因適量計算負荷而廣泛應(yīng)用于工程計算的標(biāo)準k-ε湍流模型與標(biāo)準壁面函數(shù)?？諝舛x為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；通過Patch功能設(shè)置壓縮空氣的初始壓力。假設(shè)落渣管頂部出現(xiàn)堵渣，出口定義為壁面。假設(shè)空氣膨脹過程為絕熱過程，因此，壁面條件采用絕熱壁面。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。除了k-ε湍流方程采用一階迎風(fēng)格式，其余控制方程的空間離散均采用二階迎風(fēng)格式。

以文獻中[16]的空氣炮噴射試驗數(shù)據(jù)進行模型驗證，其中空氣炮高壓體積室體積為100L，炮管直徑為78mm，炮管長度為800mm。高壓空氣室的初始壓力為0.9MPa，空氣炮發(fā)射后，在其9m處開始布置風(fēng)速測點，間隔為0.2m?？諝饬魉俚挠嬎憬Y(jié)果與試驗測量值的對比如圖3所示。相應(yīng)測點的射流速度與計算值基本吻合，平均誤差為8.6%；最大誤差發(fā)生在9.8m處，誤差為12.5%。由此認為，本文采用的數(shù)值模擬方法具有較好的準確性。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗關(guān)聯(lián)式結(jié)果對比

4 計算結(jié)果與分析

4.1 初始壓力

當(dāng)吹渣閥門啟動后，帶有初始壓力的壓縮空氣經(jīng)連接管高速流入落渣管內(nèi)，此時，落渣管堵灰處的壓強逐漸升高。圖4為落渣管堵渣處壓強隨時間的變化。由圖可知，落渣管堵灰處在149ms時壓強達到最大，為238231Pa。隨后，壓強有所下降，并保持小幅波動。這是因為隨著壓縮空氣的釋放，儲氣罐內(nèi)的壓力逐漸減小，空氣流動的推進力減弱。由于壓縮空氣入口下方留有一段空間，該區(qū)域形成低壓區(qū)。當(dāng)儲氣罐內(nèi)的壓力不足以維持空氣的推進時，落渣管上部空氣流向下部低壓而使吹渣壓強有所降低。落渣管內(nèi)壓力有所降低后，壓縮空氣再次被推進落渣管使吹渣壓強有所增強。如此往復(fù)，便形成了最渣壓強的小幅波動。

圖4 落渣管堵渣處壓強隨時間的變化（0.5MPa，70mm管徑）

圖5 為不同初始壓力下的最大吹渣壓強。從圖5中可以看到，隨著初始壓力的增加，堵灰處的最大吹渣壓強不斷升高。當(dāng)初始壓力為0.4MPa時，最大吹渣壓強為191427Pa（約0.19MPa）；而當(dāng)初始壓力為0.8MPa時，最大吹渣壓強達到378970Pa（約0.37MPa）。因此，初始壓力越大，系統(tǒng)吹渣能力越強。然而，初始壓力越大，壓縮空氣的壓力損失也越大。相比0.4MPa初始壓力的工況，0.8MPa初始壓力下，壓力損失額外增加3833Pa。壓力損失的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。

圖5 不同初始壓力下的最大吹渣壓強

4.2 流通管徑

前文提到，壓縮空氣閥門開啟后，落渣管堵灰處的壓強隨著時間逐漸升高。圖6所示的不同時刻下落渣管內(nèi)的壓強分布再次展示了這一現(xiàn)象。根據(jù)圖6，隨著時間的增長，落渣管內(nèi)的壓強不斷升高。在30ms時，堵渣處最大吹渣壓強僅為68147Pa；當(dāng)時間為150ms時，堵渣處最大吹渣壓強上升至238226Pa。因此，壓縮空氣閥門開啟后，堵灰將在極短的時間內(nèi)受到強大沖擊而被清除。在同一時刻，落渣管內(nèi)的壓力基本呈現(xiàn)從下往上逐漸增大的分布。這印證了上文所述的低壓區(qū)域分布情況，也是后期壓力波動的主要原因。

圖6 不同時刻下落渣管內(nèi)的壓強分布（0.5MPa，70mm管徑）

圖7 為不同管徑下的最大吹渣壓強。由圖可知，連接管管徑在50～90mm范圍內(nèi)變化時，堵灰處最大吹渣壓強略有波動，但幅度較小。80mm管徑條件下吹渣壓強極大值240078Pa與90mm管徑條件下吹渣壓強極小值236321Pa，僅相差1.6%。因此，在50～90mm范圍內(nèi)管徑對最大吹渣壓強的影響很小。產(chǎn)生上述變化的原因在于，沿程阻力與局部阻力變化趨勢的不同。小管徑下，局部阻力較小，而壓縮空氣流速較大導(dǎo)致沿程阻力較高。管徑增大，沿程阻力減小，吹渣壓強降低。當(dāng)管徑進一步增大，局部阻力的增加占據(jù)主導(dǎo)，吹渣壓強升高。在此基礎(chǔ)上，管徑再增大時，壓縮空氣流速明顯降低，沿程阻力的降低占據(jù)主導(dǎo)，吹渣壓強再次降低。

圖7 不同管徑下的最大吹渣壓強

5 結(jié)語

本文設(shè)計了具有節(jié)約成本、簡化系統(tǒng)以及安全運行特性的新型落渣管吹渣系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬理論分析了初始壓力與流通管徑對吹渣性能的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下：

（1）新型落渣管吹渣系統(tǒng)啟動后，堵灰將在極短時間內(nèi)受到壓縮空氣的強大沖擊，隨后將持續(xù)受到小幅波動的高壓強空氣推力。

（2）初始壓力越大，系統(tǒng)吹渣能力越強；但是，壓縮空氣的壓力損失也越大。初始壓力為0.8MPa時，最大吹渣壓強可達0.37Mpa。

（3）在50～90mm范圍內(nèi)，流通管徑對吹渣壓強的影響很??；80mm管徑條件下吹渣壓強最大，90mm管徑條件下吹渣壓強最小，兩者僅相差1.6%。