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(cè)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(jī)的日益嚴(yán)重，尋求高效清潔的發(fā)電技術(shù)成為了世界各國(guó)急需解決的重點(diǎn)問(wèn)題。目前世界各國(guó)發(fā)展的清潔能源中，生物質(zhì)能具有極大的優(yōu)勢(shì)。生物質(zhì)(biomass)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動(dòng)植物和微生物，生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量形式。我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)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(fèi)，對(duì)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(gè)重要途徑，在代替化石能源、解決能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)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(diǎn)可有效解決生物質(zhì)燃料燃燒不充分的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，帥志昂[1]模擬了循環(huán)流化床內(nèi)流動(dòng)和燃燒的情況，得到了爐膛內(nèi)溫度，固體顆粒體積分?jǐn)?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(dòng)和燃燒的情況，獲得了從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程中各個(gè)時(shí)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(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該鍋爐對(duì)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(duì)天然氣低氮燃燒特性的影響，表明適當(dāng)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(chǎng)分析結(jié)果對(duì)二次風(fēng)進(jìn)口進(jìn)行了改進(jìn)。黃中等[6]對(duì)某型循環(huán)流化床鍋爐的爐膛溫度場(chǎng)和氧場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)鍋爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬，為理論研究設(shè)計(jì)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(jìn)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(guò)數(shù)值模擬研究了爐內(nèi)氣固流動(dòng)特性，得到了爐內(nèi)顆粒的流態(tài)化流動(dòng)形態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性。He等[9]建立了循環(huán)流化床的傳熱模型，并對(duì)鍋爐不同工況下的3種換熱方式進(jìn)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(duì)揮發(fā)分，焦炭，氧氣和一氧化碳影響較大。周星龍[11]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了雙環(huán)核結(jié)構(gòu)，證實(shí)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(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)燃料以及循環(huán)流化床技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但二者的研究相對(duì)獨(dú)立，鮮有對(duì)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(duì)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(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究了氣固流動(dòng)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(duì)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(jìn)入臥式高溫水冷旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器由2片水冷膜式壁組成，以保證分離器的運(yùn)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(lái)進(jìn)入水冷回料道，再經(jīng)過(guò)回料口重新進(jìn)入爐膛燃燒，保證燃料的充分燃燒，提高燃燒效率，減小運(yùn)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(fēng)口位于爐膛底部，整體簡(jiǎn)化為底部布風(fēng)平面，均勻進(jìn)風(fēng)，寬度為1 960 mm，深度為3 100 mm。二次風(fēng)口布置在前后墻高度3 000 mm高處，前后各一個(gè)，為邊長(zhǎng)400 mm的矩形。給料口總共有2個(gè)，布置在爐膛右墻高度3 660 mm處，為邊長(zhǎng)600 mm的矩形?；亓峡谖挥跔t膛左墻下方，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出來(lái)的物料由此口重新進(jìn)入爐膛。循環(huán)流化床爐膛網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3，爐膛結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，全域采用六面體網(wǎng)格，對(duì)各個(gè)進(jìn)口，出口和返料口進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)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(jì)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(jì)算時(shí)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(jiàn)表1。

表1 收到基燃料組成分析 w:%

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

使用ANSYS Fluent 2020 R2軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。爐膛內(nèi)部數(shù)值計(jì)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(guò)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(duì)于處理復(fù)雜的幾何輻射問(wèn)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(dòng)力擴(kuò)散模型，燃料顆粒的進(jìn)入選用離散型模型。

3 邊界條件及工況設(shè)計(jì)

該鍋爐模型邊界條件的設(shè)置如下：一次風(fēng)入口和二次風(fēng)入口均采用速度入口，不同工況下過(guò)量空氣系數(shù)和入口風(fēng)速見(jiàn)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(guò)程采用一階差分迎風(fēng)格式離散氣相控制方程，對(duì)燃料顆粒尺寸采用Rosin-Rammler分布擬合的方法，2個(gè)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(fēng)分離器速度分布

該循環(huán)流化床鍋爐中采用的旋風(fēng)分離器為內(nèi)置式分離器，旋風(fēng)分離器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)是物料高效穩(wěn)定分離的關(guān)鍵，良好的流場(chǎng)可保證物料顆粒的規(guī)則運(yùn)動(dòng)，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(fēng)分離器速度矢量圖見(jiàn)圖4，其中零點(diǎn)處為爐膛出口截面處。

圖4 沿Y軸方向不同截面旋風(fēng)分離器速度矢量圖

由圖4可見(jiàn)：分離器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)分布均勻，具有較好的規(guī)律性，從爐膛過(guò)來(lái)的煙氣經(jīng)過(guò)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(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，形成漩渦區(qū)，95%以上的氣體會(huì)由于出口負(fù)壓從爐膛出口出去，很小一部分進(jìn)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(duì)比可知，隨著越來(lái)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(yuǎn)離出口的截面處，煙氣速度大，在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)假想圓，中間很少有氣體，而爐膛出口是一個(gè)直徑較小的圓，當(dāng)氣體被負(fù)壓引到出口的過(guò)程中，氣體會(huì)向中間匯聚，由此可見(jiàn)出口直徑增大，這種氣體匯聚程度會(huì)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(guò)大也會(huì)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(fēng)分離器的速度場(chǎng)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(fēng)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(lái)，進(jìn)而返回爐膛進(jìn)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(diǎn)，分離器的分離效率是保證鍋爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵。不同工況下旋風(fēng)分離器分離效率見(jiàn)圖5，數(shù)據(jù)為分別統(tǒng)計(jì)出口和返料口顆粒量所得。

圖5 不同工況下旋風(fēng)分離器分離效率

由圖5可見(jiàn)：4種工況下的分離效率均在94%以上。過(guò)量空氣系數(shù)為1.15時(shí)分離效率最大，達(dá)到97.4%；隨著過(guò)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(shì)，這是因?yàn)榈陀?.15時(shí)，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(yùn)動(dòng)，從而較易從出口逃逸；當(dāng)高于1.15時(shí)，空氣量較大，煙氣速度也較大，煙氣對(duì)顆粒的卷吸作用一定程度超過(guò)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(dāng)α處于1.15~1.2時(shí)，分離器的分離效果最好，達(dá)到96.5%以上。在保證鍋爐的正常運(yùn)行條件下，α處于1.15~1.2時(shí)，可節(jié)省燃料，節(jié)約鍋爐運(yùn)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(guò)量空氣系數(shù)下?tīng)t膛X=0 m縱截面(爐膛左右墻中心截面處)溫度分布見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)：整個(gè)鍋爐溫度最高的區(qū)域出現(xiàn)在二次風(fēng)口上部懸浮室段，當(dāng)燃料顆粒進(jìn)入爐膛后，被迅速加熱到著火溫度進(jìn)行燃燒，底部一次風(fēng)與前后墻的二次風(fēng)匯集后一起形成向上運(yùn)動(dòng)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(gè)燃燒區(qū)域平均溫度約為1 100 K。不同過(guò)量空氣系數(shù)下?tīng)t膛截面溫度分布圖對(duì)比可看出，α=1.15時(shí)，整個(gè)爐膛溫度分布最為均勻，后墻2個(gè)給料口進(jìn)來(lái)的燃料被二次風(fēng)卷吸形成2股向中間靠攏的火焰。而當(dāng)α分別為1.10，1.20，1.25時(shí)，燃燒區(qū)域變小，溫度降低，且燃燒分布開(kāi)始不均勻，說(shuō)明空氣量過(guò)少和過(guò)多都不利于燃燒，因而過(guò)量空氣系數(shù)為1.15時(shí)為最佳。

4.3.2 Y軸方向溫度分布

過(guò)量空氣系數(shù)為1.25時(shí)，爐膛Y=0 m縱截面溫度分布見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)：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(yuǎn)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?yàn)樯镔|(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(fēng)分離器由于慣性和重力的作用被分離至回料道，進(jìn)而經(jīng)回料口進(jìn)行二次燃燒?？煽闯鲈诳窟M(jìn)一次風(fēng)口的地方，溫度分布呈現(xiàn)漩渦式，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒靠近風(fēng)口時(shí)一次風(fēng)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(jiàn)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(jiàn)：不同過(guò)量空氣系數(shù)下的爐內(nèi)溫度變化趨勢(shì)基本一致。隨著過(guò)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(shí)度最高的區(qū)域，而后溫度開(kāi)始降低，這是由于煙氣向上會(huì)流經(jīng)鍋爐的各級(jí)受熱面，溫度有一定程度的降低，最后穩(wěn)定下來(lái)。通過(guò)4種不同過(guò)量空氣系數(shù)的對(duì)比可知，隨著過(guò)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(shuō)明空氣量足夠供給燃燒，而空氣量再增大，溫度開(kāi)始降低，可知空氣量過(guò)多，煙氣速度快，燃料停留時(shí)間短，且低溫空氣也會(huì)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?tīng)t膛出口溫度變化見(jiàn)圖9。

圖9 不同工況下?tīng)t膛出口溫度

由圖9可見(jiàn)：當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.15時(shí)，爐膛出口溫度最高，為1 080 K，而增大和減小過(guò)量空氣出口煙溫均有不同程度的降低。鍋爐運(yùn)行過(guò)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(shí)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(fēng)分離器內(nèi)煙氣速度分布呈現(xiàn)四周大中間小的特點(diǎn)，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(guò)大和過(guò)小都不利于氣固的分離。

2)過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大和過(guò)小都不利于旋風(fēng)分離器的氣固分離，當(dāng)α處于1.15~1.2時(shí)，分離器的分離效果最好，達(dá)到96.5%以上。

3)鍋爐溫度最高的區(qū)域出現(xiàn)在二次風(fēng)口上部懸浮室段，底部一次風(fēng)與前后墻的二次風(fēng)匯集后一起形成向上運(yùn)動(dòng)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(guò)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(shì)，存在最佳過(guò)量空氣系數(shù)。