大尺寸生物质层燃煤炉三维数值模拟

林 伟

(陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000)

到2040年，全球能源需求将增长25%以上[1-2]。对全球变暖的担忧和对新能源供应的需求，导致可再生能源在世界能源市场中所占份额越来越多，到2040年从25%上升到40%以上[3-4]。生物质能源是一种可再生能源，在世界范围内都可以找到许多不同的形式和类型，来自不同的起源，如农业、林业、副产品、废弃物甚至藻类。生物质能源的可用性和多样性，以及它的多功能性将生物质转化为固体、液体和气体燃料仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，占全球能源供应的10%～14%[5-6]。生物质燃料可以从现有的生物量储备中获得，这些燃料通常是残渣或专用能源原料[7]。

生物质由于其功能性和适应性，成为一种广泛应用的燃烧方式。使用的燃料种类繁多，可以通过致密化、加热或干燥等方法，改善品质。此外，生物质燃烧有着广泛的应用范围，从小型锅炉到专用于热量和电力生产的大型锅炉[8-9]。生物质层燃煤炉是在燃煤炉基础上进行改造，可以用于生物质燃烧的锅炉(炉排锅炉)，但是由于生物质中所含的复杂有机成分在燃烧过程中往往会有污染气体和碱性矿渣，这些物质不仅会产生炉渣同时也会对锅炉内部产生腐蚀，因此采用数值模拟的方法对燃料流动及炉内温度进行模拟，对炉体进行优化设计从而为大尺寸生物质层燃煤炉的研发设计提供理论依据。

1 模型建立及网格划分

图1所示为燃烧炉的内部模型示意图，燃烧炉由炉体本身和位于炉出口的热交换器组成。炉排为阶梯状，宽度为1.7 m，长度为5 m。炉排的移动推动燃料向前移动并混合燃料。炉体内设置有二级和三级鼓风口不断鼓入空气保证燃料的充分燃烧和热量的均匀扩散。图2为模型的网格划分图，采用非结构网格模型进行划分，对于进风喷口处进行局部加密处理从而更加捕捉传热传质瞬态变化。

图1 炉体模型图

图2 模型网格划分图

2 模拟结果与分析

2.1 温度分布

图3所示为燃烧炉工作状态时气相温度分布云图，从图3中可以看出由炉床底充分燃烧的燃料释放出大量热量，温度可达到1 300～1 500 K，紧接着由于二次排风口和三次排风口鼓入的空气热量迅速从炉底向上进行热量传递。可以看出出风口的温度也可接近1 300 K。图4为炉床温度分布图，从图4中可以看出越靠近炉床底部燃料的温度越高，表面处的生物质燃料基本在500 K以下。

图3 气相温度分布图

2.2 浓度分布

通过Fluent自带的组分运输模块对燃烧后各生成物的浓度分布进行研究，结果如图5所示，从图5中可以看出靠近燃料口附近的生物质燃料主要为湿料，随后湿料在高温的烘焙下水分迅速挥发，因此表面干燥的木制浓度同样比较高。在生物质料充分燃尽之后会产生焦料和燃尽的灰质，由于炉排的移动大量的燃尽灰质材料会向着阶梯炉排向下移动，可以看出燃尽料主要分布在炉排表面。由于焦料是生物质燃烧后产生的胶状凝结物因此会集中在大块物料下方难以有效移动因此难以在表面看到。因此在设计燃烧炉时需要对炉体进行特殊处理，否则长期以来焦料会进行聚集难以去除。

图4 炉床温度分布图

图5 各组分浓度分布图

3 结 论

(1)根据分析研究，该模型与工业现场所采集的数据基本吻合从而验证了模拟的可靠性，对于窑炉的设计具有一定的设计意义；

(2)采用喷枪口错排的方式可以有效地避免喷枪口火焰对喷，使得火焰空间内温度场更加均匀，减少热能利用率，根据分析一般考虑两喷枪口错位距离为0.5 m较为合适。

本文对生物质层燃煤炉燃烧过程中的温度及无物料成分的浓度分布进行模拟研究，通过模拟可以对炉内各个部分的温度进行分析研究，而通过浓度的分析可以精确了解到燃烧过程中各种物料百分比和分布位置，这对进一步优化炉排和炉内整个腔体，进而减少炉渣沉积提高热量利用率提供了理论依据。