壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐結構設計與數值模擬

劉慶剛，張 朝，于新奇，李洪濤

(河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018)

壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐結構設計與數值模擬

劉慶剛，張 朝，于新奇，李洪濤

(河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018)

針對目前生物質燃燒爐燃燒效果和設備成本的之間的矛盾，在壓縮生物質顆粒燃燒爐的設計中引入旋流燃燒技術，設計了一種壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐，并采用Fluent軟件對設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的性能進行了數值模擬。研究結果表明：設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的性能能夠滿足小型工業企業和家庭用戶的需求，同時能夠有效降低煙氣中CO的含量，煙氣中CO含量遠遠低于國家標準要求。研究結果對改進生物質燃燒爐結構、提高生物質燃燒爐性能等方面具有一定的意義。

生物質爐；數值模擬；旋流燃燒

0 引言

生物質能源利用不但可以避免秸稈焚燒造成的嚴重環境污染，而且可以部分解決目前廣泛存在的化石能源短缺問題，對于緩解環境污染及促進經濟的可持續發展具有重要的意義。目前，生物質能源廣泛應用于發電及其他工業系統，缺乏專門針對小型工業企業和家庭用戶產品的技術研究與開發。目前，傳統的小型壓縮生物質顆粒燃燒爐普遍存在燃燒效果不佳的缺陷，燃燒不充分而產生的CO也成為了潛在的危險源；而專業的壓縮生物質顆粒燃燒鍋爐雖然燃燒效果較為理想，但成本較高，不適合小型工業企業或者家庭用戶。本課題的研究主要針對應用于小型工業企業和家庭用戶的小型生物質顆粒燃燒爐，通過引入旋流燃燒技術對其結構進行改進，從而顯著提高燃燒效率，減少污染物排放。

旋流燃燒技術是一種先進的燃燒爐燃燒方式，主要應用于大型煤粉爐、家用燃氣灶等燃燒裝置，目前有少數學者將旋流燃燒技術引入生物質燃燒爐，并且取得了一定的成果[1-2]。本文針對現有壓縮生物質顆粒燃燒爐中的問題，引入旋流燃燒的思想，通過對燃燒爐進氣裝置進行過改進，設計了一種新型的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐。為了研究改進后燃燒爐的燃燒效果，采用有限元分析的方法對所設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的燃燒情況進行數值模擬。本文的研究對改進生物質燃燒爐結構、提高燃燒生物質爐性能及促進生物質燃料的推廣利用等方面具有一定的意義。

1 結構及工藝設計

與傳統的生物質鍋爐不同，本文所設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐主要應用于小型工業企業和家庭用戶，工藝上類似于熱風爐。為滿足不同用戶需求，煙氣出口溫度需要在一定的范圍內進行調節，同時需要在單位時間內提供較大的熱量。根據燃燒爐的特性與工況要求，綜合考慮成本與應用條件，本文所設計燃燒爐的結構如圖1所示。

1.一次風進口 2.二次風進口 3.煙氣出口圖1 生物質燃燒爐模型Fig.1 3D model of the biomass combustion furnace

爐膛直徑0.7m，高1.4m，爐排高0.4m，燃燒爐保溫層壁面耐火土厚度為0.1m。一次風通過爐膛底部的進口吹入燃燒爐，二次風由夾套通過二次風流道吹入爐膛，通過引入二次風系統，可以使燃燒爐燃燒更加充分；同時通過調節二次風量，也可以在較大范圍內調節燃燒爐煙氣的出口溫度。二次風流道與爐膛切向方向的夾角為45°，如圖2所示。二次風流道的開口分為兩層，分別距燃燒爐底面0.7m和0.8m，每層均布4個，直徑均為28.5mm。

1.二次風進口 2.耐火土層 3.二次風流道圖2 二次風流道Fig.2 Flow passage of secondary air

生物質燃燒爐的主要工況參數如表1所示。

表1 生物質燃燒爐的主要工況參數

2 模型

2.1 數學模型

壓縮生物質顆粒燃燒是一個復雜的過程，包括預熱、干燥(水分蒸發)、揮發分析出和固定碳燃燒等過程，難以進行精確的模擬[3]。為了能夠有效模擬生物質壓縮顆粒的燃燒過程，需要對燃燒過程進行相應的等效與簡化。

對于本文所設計生物質燃燒爐，煙氣組分等對整個系統的熱效率影響不大，因此在模擬分析中忽略組分的影響，主要針對燃燒爐內的溫度場情況進行分析。具體的等效與簡化情況包括以下4個方面:

1)由于燃燒爐通過供料裝置連續供料，因此將連續供料等效簡化為在床層區域連續加入直徑為10-5～10-6mm的燃料顆粒，認為燃料在床層范圍內呈近似錐形分布；

2)使用三維多孔介質模型簡化模擬爐排和床層對空氣流動以及燃燒情況的影響[4-5]；

3)使用單步反應模型模擬揮發分的析出；

4)使用非預混模型對壓縮生物質顆粒的燃燒過程進行簡化計算。

數值模擬采用三維穩態計算模型，壓力-速度耦合采用 SIMPLE 算法進行，使用標準k-ε模型模擬爐膛內的氣體湍流運動，采用DO模型計算輻射傳熱，使用非預混模型模擬燃燒器內部的燃燒反應[6-8]。

生物質燃燒爐的燃料采用木質生物質壓縮顆粒，燃料的元素分析與工業分析如表2所示[9]。

表2 壓縮生物質顆粒的元素分析與工業分析

Table 2 Industrial and elemental analysis of the biomass pellet fuel furnace

類型項目數值/%備注工業分析Vad74.83揮發分FCad15.6固定碳Mad8.15水分Aad1.42灰分元素分析Aar1.42灰分Mar8.15水分Car43.54碳Har5.47氫Nar0.21氮Sar0.05硫Oar41.16氧發熱量/J·g-1Qnet,v,ad16643低位發熱量

2.2 幾何模型與有限元網格

本文主要對生物質燃燒爐爐膛內的燃燒情況進行數值模擬，因此燃燒爐的爐膛、一次風進口及煙氣出口等結構按照實際結構尺寸建模；對生物質床層和爐排區域不按照實際結構尺寸建模，而改用“多孔介質模型”進行模擬；建模中簡化了生物質燃燒爐的二次風進口和二次風夾套等結構，將二次風進入爐膛的過程簡化為等流量空氣通過二次風流道吹入爐膛。按照上述假定所建立的燃燒爐模型如圖3所示。

使用Gambit軟件建立生物質床層和爐排區域的多孔介質模型，并對模型進行網格劃分。對上述的多孔介質區域及其相鄰的氣體反應區域及二次風進口處采用較細的網格，對一次風進口附近的不涉及燃燒反應的區域采用較粗糙的六面體網格，對其他區域采用相對稀疏的四面體網格，以保證模擬精度同時提高計算速度。所建立的網格圖如圖4所示。

圖3 簡化的生物質燃燒爐三維模型Fig.3 Simplified 3D model of the biomass combustion furnace

圖4 生物質燃燒爐網格圖Fig.4 Grids of the biomass combustion furnace

3 數值模擬結果與分析

針對所建立數值模型，采用Fluent軟件對設計的生物質燃燒爐的燃燒性能進行數值模擬。

為了研究生物質燃燒爐的性能，首先對生物質燃燒爐內部的流場情況進行分析。圖5(a)和圖5(b)分別為一次風、二次風的流線及其溫度分布情況。由圖5(a)可知：一次風穿過爐排和床層區域并與燃料發生燃燒反應后，產生的熱煙氣在旋轉的二次風的作用下在爐膛內旋轉，構成旋流火焰的主要部分；外側熱煙氣受二次風的旋轉作用較明顯且與二次風的混合程度較高，中心部分的熱煙氣則受二次風的影響較小同時與二次風的混合程度較低；未燃盡的燃料及一次燃燒產物與二次風繼續反應，同時熱煙氣與低溫二次風混合后溫度降低。

由圖5(b)可知：二次風氣流在燃燒爐內部旋轉，一部分二次風氣流向下旋流吹過燃料床層，助燃的同時在一定程度上降低床層的溫度，減少結焦等不利現象的發生；另一部分二次風氣流向上旋流，在與高溫煙氣混合的同時包裹在火焰外側形成較規則的圓環狀低溫空氣夾套；主要由一次風產生熱煙氣構成的火焰，在二次風的旋流作用和頂部出口的共同作用下發生小幅偏轉；燃燒生成的高溫煙氣穿過二次風旋轉生成的低溫圓環形風幕，由煙氣出口排出燃燒爐。

圖5 一次風和二次風的流線與溫度Fig.5 Flow line and its temperature of primary air and secondary air

數值模擬中，壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐爐膛內溫度分布如圖6、圖7所示。其中，圖6為燃燒爐內部的溫度分布云圖，圖7為燃燒爐對稱中心截面的溫度云圖。

由圖6、圖7可知：生物質顆粒在燃燒爐中燃燒，爐膛中心區域溫度較高，最高溫度達到1 992K；爐排與燃料層附近的溫度較低，約為977～1 317K，與上文中對向下旋流的二次風氣流對燃料床層溫度的影響的分析一致，較低的床層溫度能夠降低結焦等不利現象的發生。由于在二次風作用下爐壁內側形成的圓環狀低溫風幕的阻隔作用，爐膛壁面附近的溫度較低，僅為467～807K左右；煙氣出口附近的煙氣溫度均勻，未見較大的溫度梯度；燃燒爐的火焰主要分布于爐膛中心位置，在一次風進口與煙氣出口的位置的共同影響下，旋流火焰形狀呈S型扭曲狀，旋流燃燒效果明顯。

圖6 燃燒爐內部溫度分布云圖Fig.6 Nephogram of internal temperature distribution of the combustion furnace

圖7 燃燒爐對稱中心截面溫度云圖Fig.7 Nephogram of temperature of the symmetrical center section of the combustion furnace

圖8為燃燒爐內部CO濃度云圖。從圖8可以看出：燃燒爐內部CO濃度云圖的形狀與燃燒爐內部高溫區的溫度分布情況類似，呈S型扭曲狀，同樣是由于一次風進口與煙氣出口的位置導致的偏轉。CO主要存在于爐膛內部中心靠近爐排一側，爐排中心附近位置的CO濃度最大，主要原因如下：首先堆疊的燃料層呈錐形，爐排中心位置的燃料層厚度較大，相應的產生的揮發分也較多，燃料燃燒不夠完全，因此產生了較多的CO；同時，向下旋流的二次風氣流為靠近壁面的燃料層提供了O2，使相應位置的燃料能夠得到充分燃燒，而靠近爐排中心的位置幾乎得不到二次風O2的補給，因此燃燒不夠完全，CO濃度較大。在二次風的作用下，燃料自下而上逐漸實現完全燃燒，煙氣出口處的煙氣CO含量幾乎為0，可以認為出口煙氣中不含CO，壓縮生物質顆粒燃料在燃燒爐中實現了完全燃燒。

圖8 燃燒爐內部CO濃度云圖Fig.8 Nephogram of internal CO concentration of the combustion furnace

綜合以上分析，本文所設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的燃燒性能如表3所示。由表3中的數據可知：壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐燃燒產生的煙氣的溫度和流量及燃料利用率均能夠滿足多數小型工業企業和家庭用戶的需求。根據NB/T 34006-2011 《民用生物質固體成型燃料采暖爐具通用技術要求》中對CO排放指標的要求，煙氣中CO的含量應不高于0.2%。本文所設計的壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的煙氣中CO濃度遠遠低于標準要求，因此該壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐能夠達到有效降低有害氣體排放的要求。

表3 壓縮生物質顆粒旋流燃燒爐的主要性能參數

Table 3 Main performance of the biomass pellet fuel swirl combustion furnace design in this study

煙氣溫度/K煙氣質量流量/kg·h-1煙氣CO含量/%693.841585.900.0000884

4 結論

1)研究表明：由于引入二次風系統，所設計的壓縮生物質顆粒燒爐能夠實現旋流燃燒，燃燒效率遠高于傳統未采用旋流燃燒技術的生物質顆粒燃燒爐。

2)二次風系統能夠靈活調節煙氣出口溫度，可以使燃燒爐用于不同工業企業和家庭用戶。

3)引入旋流燃燒方式的生物質顆粒燃燒爐能夠將煙氣中CO的含量降低到0.000 088 4%，基本實現完全燃燒，既能達到提高燃燒效率的目的，也能夠實現節能環保，對于工業生產安全也具有明顯的意義。

4)由于通過簡單的結構改進在傳統燃燒爐中引入了旋流燃燒技術，提高了燃燒效率，降低了CO排放量，因此本研究工作對改進生物質燃燒爐結構、降低設計生產難度、提高燃燒生物質爐性能等方面研究具有一定的意義。

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Structure Design and Numerical Simulation of Compressed Biomass Pellet Fuel Swirl Combustion Furnace

Liu Qinggang, Zhang Zhao, Yu Xinqi, Li Hongtao

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhaung 050018, China)

Aiming at solving the contradiction between the combustion efficiency and equipment cost of biomass combustion furnace, the method of swirl combustion is introduced to the compressed biomass pellet fuel combustion furnace to design a newly type of compressed biomass pellet fuel swirl combustion furnace. The designed combustion furnace is simulated by Fluent software to analysis its performance. The results show that the designed swirl combustion furnace for compressed biomass pellet can satisfy the requirement and effectively reduce the content of CO in flue gas, and the content of CO in flue gas is greatly lower than the standard requirement. This research has great significance on modifying the structure of the biomass combustion furnace and improving its performance.

biomass furnace; numerical simulation; swirl combustion

2016-11-29

河北省自然科學基金項目(E2017208109)；河北省科技計劃項目(15275202)；石家莊市科技局計劃項目(161080071A)

劉慶剛(1981-)，男，河北邢臺人，副教授，博士，qgliu81@163.com。

S216；TK6

A

1003-188X(2017)12-0253-05