復合生物質燃燒性能的數值模擬及實驗

趙嵩穎， 徐建光，2， 陳雷

(1.吉林建筑大學市政與環境工程學院， 長春 130118； 2.中建五局安裝工程有限公司， 長沙 410004)

生物質具有可再生性、低污染性的特性，相對于生物質直接燃燒技術，生物質混燃技術研究具有很大潛力[1]。馬愛玲[2]對生物質與煤的混燒進行實驗及其動力學展開研究，研究結果表明隨著生物質摻混比的增加活化能逐漸減少，頻率因子逐漸減小，樣品的平均失重率逐漸增大且樣品的燃盡時間提前。羅良飛等[3]對煤中摻混生物質的燃燒動力學展開研究，研究結果表明二者的最佳摻混比例為15%，此時其著火溫度提高且燃盡溫度降低。王華山等[4]對煤與生物質的混燃特性展開研究，研究結果表明隨著生物質摻混比例的增大，煤與生物質的混燃特性得到提升。許旭斌等[5]對生物質與煤混燃時污染物的排放規律展開研究，研究結果表明隨著生物質摻混比例的增加，能使SO2和NOx的排放量減少，但當生物質的摻混比例超過30%時，對污染物釋放的影響逐漸減小。Sezer等[6]對煤與杏仁殼混燃的燃燒特性展開研究，研究結果表明混合物的燃燒指標、著火溫度、峰值溫度等特性受二者混合比例的影響較大；燃燒指數值隨加熱速率的升高而增大；生物質可以與低階煤進行有效燃燒。Liao等[7]對煤與生物質混合物的燃燒動力學進行研究，研究結果表明隨著生物質比例的增大，能提高煤與生物質的燃燒性能，但使其著火溫度和燃盡溫度降低。Gil等[8]對煤與生物質焦的混合物在含氧燃料燃燒氣氛下3種升溫速率下的熱反應性和動力學進行研究，研究結果表明在N2和CO2脫揮發氣氛下，動力學參數基本相同。Weng等[9]對4種生物質的燃燒行為展開研究，研究結果表明受揮發分的影響，4種生物質的著火延遲時間、揮發分燃燒時間和煙灰形成傾向之間具有重要差異。

以上學者均是對生物質與煤的混燒情況進行研究，而針對單一生物質燃燒特性的研究較少，更缺少針對復合生物質燃燒性能的研究。現利用FLUENT軟件模擬玉米秸稈、棉稈、木屑、稻稈4種單一生物質以及復合生物質在燃燒室中燃燒的情況，對比分析4種生物質在燃燒室中心截面上的溫度分布規律，得出復合生物質的最佳質量配比方案以及生物質燃燒性能的影響因素。生物質進行單燒及混燒實驗驗證模擬結果的正確性，這對于生物質資源的有效利用、提高具有低發熱量的生物質燃燒產熱量以及為生物質實際運用于鍋爐燃燒發電和供熱提供參考，具有良好的借鑒意義。

1 計算模型及網格劃分

1.1 計算模型

以圓筒形燃燒室鍋爐作為研究對象，建立物理模型時需要作出一定的簡化，具體的簡化與假設如下：根據燃燒室的尺寸及結構特點將燃燒室簡化成一個10 m×1 m的二維管道，燃燒室物理模型簡圖如圖1所示。二維管道的進口分為三股空氣，其中管道中心處為一次風入口，此時燃料顆粒在一次風的作用下進入到燃燒室，一次風入口寬度為0.25 m，二次風分為上下兩股空氣進入燃燒室，上下二次風的入口分別位于一次風入口的上下兩側，其寬度均為0.375 m，同時將二維管道的上下兩側假設成壁面。

1.2 網格劃分

根據燃燒室的結構特點以及結合數值模擬的精準度，同時考慮到結構化網格相對于非結構化網格，其網格質量更優、計算更精確、收斂更快等特點[10]，因此利用ICEM軟件對燃燒室進行建模及結構化網格劃分。將計算區域劃分網格的總數量為2×103、3×103、4×103、6×103，并分別對網格質量進行檢驗，結果發現4種網格數量的模型，其網格質量均達到0.99以上，說明網格質量很優，同時又分別對4種網格數量的模型進行計算以檢驗網格的獨立性，通過對比計算發現，網格數量達到3×103、4×103、6×103的模型計算結果無明顯變化，故選擇網格數量為3×103的模型。具體結構化網格劃分圖以及網格質量檢測圖如圖2和圖3所示。

圖1 燃燒室物理模型簡圖Fig.1 Brief diagram of the combustion chamber physical model

圖2 結構化網格局部放大示意圖Fig.2 Local enlargement diagram of a structured grid

2 邊界條件及數學模型

2.1 邊界條件

本文中研究的鍋爐燃燒室有三股空氣入口，因此將燃燒室三股空氣的入口截面設定為速度入口邊界條件，三股空氣的速度以及生物質顆粒流量根據鍋爐實際運行的工況參數進行設定，生物質顆粒的粒徑大小依據Rosin-Rammler規律分布。生物質顆粒的密度為1 200 kg/m3，顆粒的粒徑為50 μm[11],具體的各邊界條件設定參數如表1所示。

燃燒室出口邊界條件做簡化處理：出口邊界條件設定為壓力出口，燃燒室的上下兩壁面為絕熱面，壁面設定為定壁溫[12]。

2.2 數學模型

生物質燃料在燃燒室的燃燒是一個復雜的物理、化學過程，涉及多相流體力學、傳熱傳質學和燃燒等多個學科。為便于研究復合生物質的燃燒性能，將燃燒室內氣流流動按穩態計算，同時考慮重力作用，因此在模擬計算中選用標準k-ε湍流模型計算氣相湍流輸運，方程式通式[13]為

圖3 網格質量檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid quality detection

表1 各邊界條件設定參數Table 1 Boundary condition setting

divpvφ=divΓφ?φ+Sφ

(1)

式(1)中：div為散度；φ為通用變量；Γφ為輸運系數；Sφ為氣流源項；?為哈密頓算子；p為氣流密度；v為速度分量。

利用FLUENT軟件模擬生物質燃料在燃燒室的燃燒，在模擬計算中選用k-ε湍流模型計算氣相湍流輸運，選用DPM模型模擬燃料顆粒的流動，選用P1輻射模型計算輻射傳熱過程，選用雙混合概率密度函數模型模擬氣相湍流燃燒[14]；離散格式選擇精度較高的二階迎風格式，同時采用SIMPLE算法進行計算[15]。

3 數值模擬結果及分析

3.1 單料場模擬結果及分析

圖4是4種生物質燃燒時燃燒室中心截面的溫度分布云圖，由圖4可知，玉米秸稈、棉稈、木屑、稻稈燃燒時燃燒室中心截面的最高溫度分別是2 010、1 912、1 880、1 830 K，排序為玉米秸稈>棉稈>木屑>稻稈，玉米秸稈燃燒時燃燒室中心截面的最高溫度比其他3種生物質高100 K以上且比稻稈高180 K，這與4種生物質的發熱量大小基本一致，說明具有高熱值的生物質燃料在燃燒室中心截面上的最高溫度均高于具有低熱值的生物質燃料；模擬發現4種生物質燃燒時燃燒室中心截面的高溫區域都集中在燃燒室的中后方，分析原因是生物質密度較小且容易被一次風氣流夾帶，故生物質能夠被快速輸運到整個燃燒室，這說明生物質的燃燒性能受一次風風速的影響較大；玉米秸稈與其他3種生物質相比，著火點提前，高溫區域擴大，且整個燃燒室的溫度分布比較均勻，這是因為玉米秸稈的揮發分含量比較高，易著火。因此，如果將棉稈、木屑、稻稈分別和玉米秸稈按照一定比例進行混合燃燒會提高其燃燒性能。

圖4 4種生物質燃燒時燃燒室中心截面的溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution cloud map of the center section of the combustion chamber during the combustion of four biomass

圖5 4種生物質燃燒時中心截面溫度隨燃燒室 位置的變化曲線Fig.5 Curve of the temperature of the center section with the position of the combustion chamber during the combustion of four biomass

圖5是4種生物質中心截面溫度隨燃燒室位置的變化曲線，從圖5中可以看出4種生物質燃料燃燒時，燃燒室0～2 m溫度都在1 300 K以上，但中心截面溫度呈下降趨勢，這是因為燃燒室入口一次風的風溫較高，隨著燃料被輸送進燃燒室，此時燃料并沒有完全燃燒，故燃燒室前段溫度呈下降趨勢；隨著燃料完全燃燒，燃燒室2～7 m中心截面溫度快速升高，但在這個區間內，玉米秸稈的溫度明顯高于其他3種生物質燃料，這是因為玉米秸稈的含水率相比其他3種生物質燃料較低，因此燃燒速度快，所以溫度較高；隨著燃料熱值逐漸降低，燃燒室后段7～10 m中心截面溫度呈下降趨勢。因此，生物質的燃燒性能不僅受風溫的影響，也受自身含水率的影響。

3.2 雙料場模擬結果及分析

根據單料場模擬結果，選擇燃燒室中心截面溫度最高的玉米秸稈分別和木屑、稻稈按照質量比為4∶1、3∶1、7∶3、3∶2的配比方案進行混燃模擬，針對不同質量配比方案對燃燒室溫度場的影響進行分析，得出復合生物質混燒的最佳質量配比方案。

圖6為玉米秸稈與木屑在不同質量配比方案下燃燒室中心截面的溫度分布云圖。由圖6可知，4種配比方案下燃燒室中心截面的最高溫度分別是1 989、1 970、1 940、1 924 K，且隨著木屑摻混比的增加，燃燒室中心截面的最高溫度呈現下降趨勢；當配比大于3∶1時，燃燒室中心截面的最高溫度下降幅度較大，故玉米秸稈與木屑的最佳質量配比為3∶1，此時與木屑單獨燃燒相比，著火點提前，燃燒室中心截面的最高溫度提高90 K，且燃燒室的高溫區域擴大，整個燃燒室的溫度分布程度較均勻。

圖6 玉米秸稈與木屑在不同質量配比方案下燃燒室 中心截面的溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution cloud map of the center section of the combustion chamber under different mass ratio schemes of corn straw and wood chips

圖7是玉米秸稈與稻稈在不同質量配比方案下燃燒室中心截面的溫度分布云圖，由圖7可知，4種配比方案下燃燒室中心截面的最高溫度分別是1 953、1 938、1 922、1 892 K，且隨著稻稈摻混比的增加，燃燒室中心截面的最高溫度呈現下降趨勢；當配比大于7∶3時，燃燒室中心截面的最高溫度下降幅度較大，故玉米秸稈與稻稈的最佳質量配比為7∶3，此時與稻稈單獨燃燒相比，著火點提前，燃燒室中心截面的最高溫度提高92 K，且燃燒室的高溫區域擴大，整個燃燒室的溫度分布程度較均勻。

圖7 玉米秸稈與稻稈在不同質量配比方案下燃燒室 中心截面的溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution cloud map of the center section of the combustion chamber under different mass ratio schemes of corn straw and rice stalk

4 單燒及混燒實驗研究

4.1 實驗內容

為進一步驗證數值模擬結果的正確性，結合數值模擬結果分別對4種生物質燃料做單燒實驗及最佳質量配比方案下的復合生物質做混燒實驗，并把燃燒室中心截面溫度的實驗值與模擬值做對比。

4.2 實驗方案

本實驗分單燒實驗及混燒實驗兩部分進行，分別是方案一和方案二，為了保證實驗與模擬的相似性，實驗相關參數與模擬設定參數保持一致，具體實驗工況如表2所示。同時為了更好地在實驗中采集相關數據，在燃燒室壁面一側每隔1 m取一個測溫點，共11個。

4.3 實驗結果及分析

圖8是4種生物質單燒實驗值與模擬值的對比，由圖8可知，4種生物質單獨燃燒時，燃燒室最高溫度的模擬值均高于實驗值，這是因為數值模擬是在理想狀態下的仿真燃燒，在實際的燃燒實驗中，由于實驗設備存在誤差、人為因素的實驗條件限制無法達到數值模擬所得到的結果。4種生物質燃燒時燃燒室最高溫度的實驗值與模擬值的誤差均在17%以下。

表2 實驗工況

圖8 4種生物質單燒實驗值與模擬值的對比Fig.8 Comparison between the experimental and simulated values of the four biomass single-firin

圖9 玉米秸稈與木屑、稻稈混燒的實驗值與模擬值的對比Fig.9 Comparison between the experimental and simulated values of corn straw, wood chips and rice straw mixed firing

圖9為玉米秸稈與木屑、稻稈混燒的實驗值與模擬值的對比圖。由圖9可知，玉米秸稈與木屑、稻稈混燒的實驗值均低于模擬值，但實驗值與模擬值比較相近且其走勢基本一致，表明計算模型的合理性及計算結果的正確性。

5 結論

通過FLUENT軟件模擬了4種生物質及復合生物質在燃燒室中的燃燒狀況，得出不同生物質在燃燒室中心截面上的溫度分布規律、玉米秸稈與木屑、玉米秸稈與稻稈混燒的最佳配比方案及生物質燃燒性能的影響因素，并結合實驗將實驗值與模擬值做進一步對比，得出以下結論。

(1)具有高熱值的生物質燃料在燃燒室中心截面上的最高溫度均高于具有低熱值的生物質燃料，玉米秸稈、棉稈、木屑、稻稈燃燒時燃燒室中心截面的最高溫度分別是2 010、1 910、1 880、1 830 K，玉米秸稈與其他3種生物質相比，燃燒時著火點提前，高溫區域擴大，燃燒室的溫度分布比較均勻；玉米秸稈與木屑的最佳質量配比為3∶1，與稻稈的最佳質量配比為7∶3。

(2)模擬與實驗驗證，復合生物質混燒優于單一生物質燃燒，混燒時燃燒室的高溫區域擴大且溫度升高、著火點提前、燃燒室的溫度分布較均勻、燃燒性能良好。

(3)可通過調整一次風速、一次風溫來提高生物質的燃燒性能。