肖 凡， 胡 南， 張 縵， 金 燕， 楊海瑞

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

1 引 言

生物質(zhì)能是指可以進行光合作用的生命體將太陽能以化學(xué)能的形式固定在其體內(nèi)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(zhì)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(chǎn)出的廢物. 如城市及工業(yè)有機廢棄物料、農(nóng)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(zhì)[1-2].

中國生物質(zhì)能能源極其豐富，各類秸稈的年產(chǎn)量可達6億噸，薪柴等產(chǎn)量大約為2億噸.每年仍有較大量的人畜生產(chǎn)糞便和工業(yè)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(shù)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(huán)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(zhì)能利用，許多國家都開始行動起來，積極投身于生物質(zhì)能的開發(fā)及利用. 在多種利用方式中，直燃利用是一種比較重要的規(guī)?；梅绞? 生物質(zhì)直燃代替化石能源，不僅能促進節(jié)能減排，還能帶動農(nóng)民增加收入，因此合理有效利用生物質(zhì)能既具環(huán)境效益又兼具社會效益，對促進社會經(jīng)濟增長和改良生態(tài)環(huán)境極具意義[3].

目前，對生物質(zhì)進行規(guī)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(guī)模較小，但更適合生物質(zhì)資源的分布規(guī)律. 在東北三省，常采用生物質(zhì)層燃熱風(fēng)爐，利用熱空氣對糧食進行干燥加工，可較好地實現(xiàn)生物質(zhì)的綜合利用. 生物質(zhì)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(tǒng)地理論以及試驗研究，開發(fā)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(jīng)成為研究層燃的最常用工具. 利用 FLIC軟件針對床層進行數(shù)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(shè)計和優(yōu)化提供了指導(dǎo).

對于生物質(zhì)燃料應(yīng)用，在實驗方面，李曉翔等[9]對農(nóng)林生物質(zhì)進行熱重實驗，結(jié)果表明， 生物質(zhì)熱解可大致分為干燥、預(yù)熱、熱分解氧化以及碳化還原4個階段. 在數(shù)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(zhì)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(fēng)比，對鍋爐燃燒特性進行研究. 與煤相比，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，固定碳含量低，然而目前很多生物質(zhì)層燃爐設(shè)計和運行依舊沿用燃煤的思維, 不僅影響利用效率, 甚至?xí)l(fā)爆燃事故. 本文采用數(shù)值模擬方法研究生物質(zhì)燃料在爐篦上的燃燒過程，其結(jié)果可對該類鍋爐的結(jié)構(gòu)以及運行提供優(yōu)化指導(dǎo).

2 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)及燃料特性

本研究對象為東北三省某生物質(zhì)熱風(fēng)爐，額定熱功率為7 MW. 該爐結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，爐排長度為4.3 m，寬度為2.5 m，一次風(fēng)從爐排下部進入爐膛，二次風(fēng)噴口設(shè)在前墻和爐頂，風(fēng)口內(nèi)徑為27 mm，間隔200 mm.

1.再循環(huán)風(fēng)口 2.二次風(fēng)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(yè)分析見表1，其低位熱值為12 790 kJ/kg.

表1 生物質(zhì)元素分析和工業(yè)分析

3 基于FLIC平臺的層燃模擬

3.1 FLIC軟件參數(shù)設(shè)置

FLIC是謝菲爾德大學(xué)開發(fā)的床層燃燒反應(yīng)模擬平臺，主要應(yīng)用于生物質(zhì)、垃圾等高水、高揮發(fā)分等燃料的層燃燃燒模擬. 用戶給定燃料的工業(yè)分析、元素分析、低位發(fā)熱量、一次風(fēng)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(xù)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(shù)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(fā)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(fēng)量為209.2 m3/min，溫度為273 K，四個風(fēng)箱中風(fēng)均勻分配. 床層移動速度為8.53 m/h.

3.2 模擬結(jié)果

燃燒計算表明：燃料水分蒸發(fā)率為98.25%，揮發(fā)分析出率100%，焦炭燃燒率為71.65%，燃料總的質(zhì)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(fēng)溫較低，燃料隨爐排進入爐膛區(qū)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(fā)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(fā)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(fā)分析出，而熱解也會吸收熱量. 1 m之后，前段逸出的揮發(fā)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(xiàn)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(fā)分放熱基本結(jié)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(fēng)升溫程度有限且一次風(fēng)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(xiàn).圖4(b)為揮發(fā)分變化，與圖3對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其表面溫度高達600 K時，伴隨著揮發(fā)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?cè)紵跏茧A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(fā)生突變: 一是揮發(fā)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(dāng)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(zhì)量分數(shù)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(xù)上升，到600 K揮發(fā)分開始逸出，當(dāng)析出的可燃氣體氧化燃燒時，氧氣的質(zhì)量分數(shù)急劇下降至接近0%，生成產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量分數(shù)接近空氣中氧氣的質(zhì)量分數(shù).圖5顯示揮發(fā)分組分變化過程中會產(chǎn)生兩個峰值: 第一個峰是由于受熱后揮發(fā)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(nèi)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(nèi)層揮發(fā)分隨之逸出，因此第二個逸出峰也隨之出現(xiàn). 本文假定揮發(fā)分主要組分是CmHn、CO以及H2，由圖6知，CmHn、CO 和 H2也出現(xiàn)相同逸出規(guī)律. 從圖6中可以看出水的質(zhì)量分數(shù)變化出現(xiàn)三個峰: 第一個峰是由于溫度升高燃料中的水分蒸發(fā); 第二個峰是由于揮發(fā)分中H2析出與O2反應(yīng)生成了H2O; 而第三個峰的出現(xiàn)也是由于熱傳導(dǎo)使得內(nèi)層燃料中揮發(fā)分逸出后與氧氣發(fā)生反應(yīng)而后形成.

圖5 燃料中各組分的變化率

圖6 煙氣各組分質(zhì)量分數(shù)變化

3.3 運行優(yōu)化分析

為了避免因配風(fēng)原因影響燃燒，所以在實際運行中, 應(yīng)根據(jù)各個階段不同的風(fēng)量需求供應(yīng)不同風(fēng)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(fēng)；朝爐篦前進方向0.3～3 m 為揮發(fā)分逸出及固定碳燃燒段，需要大量消耗氧氣，此段供風(fēng)量應(yīng)達到總風(fēng)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(yīng)，此段風(fēng)量供應(yīng)可以調(diào)整為總風(fēng)量的10%～20%，按需配風(fēng)，并以此提高燃燼率，同時也可避免爐膛因供風(fēng)量過大導(dǎo)致煙氣熱損增加. 針對朝爐篦前進方向0.5～2.1 m處高溫?zé)煔?可以在鍋爐進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時適當(dāng)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(fēng)溫度未經(jīng)過預(yù)熱，揮發(fā)分析出后料層變薄，同時一次風(fēng)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(dāng)提高一次風(fēng)溫度.

4 結(jié) 論

本文對我國東北三省某用于糧食加工的層燃熱風(fēng)爐進行數(shù)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(guī)律. 結(jié)果顯示，層燃過程可分成水分脫出、揮發(fā)分及固定碳逸出燃燒3個階段. 根據(jù)不同階段特點，按需配風(fēng)，從而減少煙氣熱損，保障燃燒效率，并建議根據(jù)煙氣溫度設(shè)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(fēng)溫低導(dǎo)致固定碳燃燼率低的情況，建議適當(dāng)提高一次風(fēng)溫來提高固定碳燃盡率. 本文模擬結(jié)果對生物質(zhì)層燃鍋爐的運行與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考.