某生物质颗粒锅炉燃烧试验分析

杨建东

摘要：锅炉是具有高温、高压的热能设备，是特种设备之一，在机关、事业企业及各行各业广泛使用，是危险而又特殊的设备。一旦发生事故，涉及公共安全，将会给国家和人民生命财产造成巨大损失。文中笔者根据多年工作经验，对某生物质颗粒锅炉燃烧试验进行了分析。

关键词：锅炉;生物质颗粒

引言

生物质锅炉是锅炉的一个种类，就是以生物质能源做为燃料的锅炉叫生物质锅炉，分为生物质蒸汽锅炉、生物质热水锅炉、生物质热风炉、生物质导热油炉、立式生物质锅炉、卧式生物质锅炉等。锅炉采用最适合生物质燃料燃烧的燃烧设备----往复炉排。锅炉在结构设计上，相对传统锅炉炉膛空间较大，同时布置非常合理的二次风，有利于生物质燃料燃烧时瞬间析出的大量挥发分充分燃烧。

采用高效保温材料，锅炉表面温度低，散热损失可以忽略不计。严格按中国国家规范和标准生产，所有受压部件均采用优质锅炉钢材。每台锅炉出厂前都要经过严格的检验和测试，包括水压试验、X射线检测和能效测试。设置有人孔、检查门、观火孔等，维护保养十分方便。生物质锅炉的最大特点是：节能、环保且燃料成本低。

1.生物质颗粒锅炉燃烧试验

1.1生物质锅炉

试验中采用的生物质颗粒燃烧器，炉膛面积为1.05m×0.65m，其长宽比为1.6∶1，该锅炉在炉膛上下方各有一组风机，见图1。

图1生物质颗粒锅炉纵向剖面

1.2数值计算模型

由于模型结构比较简单，在几何结构和流场特点简单的区域，使用结构化体网格，而在燃烧很集中的区域，对网格进行生物质颗粒直燃预燃室采用上给料下送风（定义为一次风）布置方式，进料和主配风位于预燃室的一侧，进料斜向插入预燃室，依靠重力和流化风助流进料。配风点包含为自炉排底部进入的风量;流化物料的流化风;预燃室出口烟道冷却周界风;炉侧壁观察孔保护风，出口高温烟气则位于另外一侧。预燃室内壁有保温装置，材料为粘土，厚度为200mm。

图2数值模拟生物质锅炉结构

由于模型结构比较简单，在几何结构和流场特点简单的区域，使用结构化体网格，而在燃烧很集中的区域，对网格进行了部分的密化，应用了分区划分的思想，这也是精简计算的重要手段。

采用三维稳态的形式来建立数值模拟，并用QUICK格式进行方程的离散，而流场计算采用SIMPLEC算法，它可以增加收敛性，也是目前使用较多的算法，而边界条件直接由速度入口和压力出口可知。其元素分析与工业分析见表1

表1生物质颗粒的元素分析与工业分析

1.3生物质锅炉燃烧生物质颗粒试验分析

对生物质锅炉进行了燃烧试验，从试验可知：在100%工况下该锅炉烟道出口处CO2和O2的分别只有302.53mL/m3和23.5mL/m3，而CO为8437mL/m3。

1.4生物质燃烧锅炉炉内流场分析

在烟道口出口处的速度达到最高，流速高达70m/s，在炉排处的速度由于受到炉排的阻挡，流速在10m/s以下。分析原因，一次风射流进入炉膛后，与从进料口处出来的二次风相互作用，使得在烟气出口处的一次风速度进一步提升。

根据实验测得，在100%工况下，一次风所占总风量比例在85%以上。数值模拟结果，在炉膛下方贴炉壁处的速度较大，并且一直延伸到烟气出口处的速度也很大。进料口同时也可看做是二次风喷口，生物质颗粒从进料口斜向下高速射出后，有从烟气口射出的趋势，并且靠近壁面的速度较小，二次风中心速度较大。与一次风相互作用后，射流速度还会继续增大。

图3俯视流场分布

1.5生物質锅炉炉内温度场分析

从图4可见，炉膛上方燃烧强烈，温度较高，从上向下，温度迅速减小，所以最上方的横截面在燃烧的主要区域内，并且发现最高温度并不是在中心处，而是围绕中心的一个边界。由于烟气出口靠近主燃烧区域，使得高速运行的一部分燃料在还未完全燃烧的情况下，就沿着烟气出口射出。

受一次风射流过大的影响，燃烧区域过于靠上，且在其中心处周围的某边界线上温度达到最高，达2000K左右，靠近烟气出口处温度为1500K左右，与试验测得的烟气出口附近温度1555K非常接近。这也验证了数值模拟结果的正确性。

图4俯视温度分布（单位：K）

竖直截面正面温度分布见图5，从图中可见，上炉膛为燃烧的主要区域，并且燃烧的充满度不好，主燃区域只占炉膛部分的三分之一。在烟气出口处的温度较高，主要是受一次风的影响，导致从二次风射出的气流和颗粒无法再向下运动，而在上炉膛部分发生了回流。同时，使得燃烧区域靠近烟气口，使得烟气出口处温度过高。

图5竖直截面温度分布（单位：K） 图6侧面截面温度分布（单位：K）

锅炉的侧面截面温度分布见图6，从图中可以看出在上炉膛的涡流部分为主要燃烧区域，这主要是由于从进料口射入的二次风向下运行遇到高温烟气，烟气把温度传导给了生物质颗粒，使得它达到着火点，生物质颗粒燃烧。

1.6生物质锅炉燃烧分析

根据数值模拟结果，在进料口处的颗粒停留时间较长，这也与燃烧的主要发生区域相一致，而越往下颗粒的停留时间越短。颗粒在刚进入炉膛后很快就发生热解，析出挥发分;而在炉膛中部及下方的停留时间较短，迅速到达锅炉底部。这与一次风的大小与位置有关，如果一次风越往下，风量越小，火焰的下冲深度就越大，颗粒的停留时间就越长，这样更有利于内部燃烧的稳定。

2.结语

在炉膛内，炉内温度场略呈菱形，并在出料口下方存在一定的倾斜，在一次风和二次风的作用下，两相流沿烟气出口处射出，使得烟气出口处温度较高，容易结焦，而在炉膛内部的火焰充满度不高，燃烧区域靠上，炉膛上部容易烧坏。

在烟气出口附近，由于靠近主燃烧区域，温度较高，特别是靠近出口上方，温度比炉膛内的部分区域还要高，此时温度达到1555K，数值模拟结果为1500K，与试验测得的最高温度较吻合。

生物质颗粒运行速度迅速衰减的时间只有毫秒的数量级，最终速度与炉内主气流基本一致;在进料口截面上，靠近后墙附近，颗粒运行速度较慢，停留时间是下炉膛部分的一倍。此处的挥发分析出的速度也较快;同时此处也是高温区域，由此表明颗粒停留时间与温度有很大的关系。

参考文献：

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