压缩生物质颗粒旋流燃烧炉结构设计与数值模拟

刘庆刚，张 朝，于新奇，李洪涛

(河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018)

压缩生物质颗粒旋流燃烧炉结构设计与数值模拟

刘庆刚，张 朝，于新奇，李洪涛

(河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018)

针对目前生物质燃烧炉燃烧效果和设备成本的之间的矛盾，在压缩生物质颗粒燃烧炉的设计中引入旋流燃烧技术，设计了一种压缩生物质颗粒旋流燃烧炉，并采用Fluent软件对设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的性能进行了数值模拟。研究结果表明：设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的性能能够满足小型工业企业和家庭用户的需求，同时能够有效降低烟气中CO的含量，烟气中CO含量远远低于国家标准要求。研究结果对改进生物质燃烧炉结构、提高生物质燃烧炉性能等方面具有一定的意义。

生物质炉；数值模拟；旋流燃烧

0 引言

生物质能源利用不但可以避免秸秆焚烧造成的严重环境污染，而且可以部分解决目前广泛存在的化石能源短缺问题，对于缓解环境污染及促进经济的可持续发展具有重要的意义。目前，生物质能源广泛应用于发电及其他工业系统，缺乏专门针对小型工业企业和家庭用户产品的技术研究与开发。目前，传统的小型压缩生物质颗粒燃烧炉普遍存在燃烧效果不佳的缺陷，燃烧不充分而产生的CO也成为了潜在的危险源；而专业的压缩生物质颗粒燃烧锅炉虽然燃烧效果较为理想，但成本较高，不适合小型工业企业或者家庭用户。本课题的研究主要针对应用于小型工业企业和家庭用户的小型生物质颗粒燃烧炉，通过引入旋流燃烧技术对其结构进行改进，从而显著提高燃烧效率，减少污染物排放。

旋流燃烧技术是一种先进的燃烧炉燃烧方式，主要应用于大型煤粉炉、家用燃气灶等燃烧装置，目前有少数学者将旋流燃烧技术引入生物质燃烧炉，并且取得了一定的成果[1-2]。本文针对现有压缩生物质颗粒燃烧炉中的问题，引入旋流燃烧的思想，通过对燃烧炉进气装置进行过改进，设计了一种新型的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉。为了研究改进后燃烧炉的燃烧效果，采用有限元分析的方法对所设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的燃烧情况进行数值模拟。本文的研究对改进生物质燃烧炉结构、提高燃烧生物质炉性能及促进生物质燃料的推广利用等方面具有一定的意义。

1 结构及工艺设计

与传统的生物质锅炉不同，本文所设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉主要应用于小型工业企业和家庭用户，工艺上类似于热风炉。为满足不同用户需求，烟气出口温度需要在一定的范围内进行调节，同时需要在单位时间内提供较大的热量。根据燃烧炉的特性与工况要求，综合考虑成本与应用条件，本文所设计燃烧炉的结构如图1所示。

1.一次风进口 2.二次风进口 3.烟气出口图1 生物质燃烧炉模型Fig.1 3D model of the biomass combustion furnace

炉膛直径0.7m，高1.4m，炉排高0.4m，燃烧炉保温层壁面耐火土厚度为0.1m。一次风通过炉膛底部的进口吹入燃烧炉，二次风由夹套通过二次风流道吹入炉膛，通过引入二次风系统，可以使燃烧炉燃烧更加充分；同时通过调节二次风量，也可以在较大范围内调节燃烧炉烟气的出口温度。二次风流道与炉膛切向方向的夹角为45°，如图2所示。二次风流道的开口分为两层，分别距燃烧炉底面0.7m和0.8m，每层均布4个，直径均为28.5mm。

1.二次风进口 2.耐火土层 3.二次风流道图2 二次风流道Fig.2 Flow passage of secondary air

生物质燃烧炉的主要工况参数如表1所示。

表1 生物质燃烧炉的主要工况参数

2 模型

2.1 数学模型

压缩生物质颗粒燃烧是一个复杂的过程，包括预热、干燥(水分蒸发)、挥发分析出和固定碳燃烧等过程，难以进行精确的模拟[3]。为了能够有效模拟生物质压缩颗粒的燃烧过程，需要对燃烧过程进行相应的等效与简化。

对于本文所设计生物质燃烧炉，烟气组分等对整个系统的热效率影响不大，因此在模拟分析中忽略组分的影响，主要针对燃烧炉内的温度场情况进行分析。具体的等效与简化情况包括以下4个方面:

1)由于燃烧炉通过供料装置连续供料，因此将连续供料等效简化为在床层区域连续加入直径为10-5～10-6mm的燃料颗粒，认为燃料在床层范围内呈近似锥形分布；

2)使用三维多孔介质模型简化模拟炉排和床层对空气流动以及燃烧情况的影响[4-5]；

3)使用单步反应模型模拟挥发分的析出；

4)使用非预混模型对压缩生物质颗粒的燃烧过程进行简化计算。

数值模拟采用三维稳态计算模型，压力-速度耦合采用 SIMPLE 算法进行，使用标准k-ε模型模拟炉膛内的气体湍流运动，采用DO模型计算辐射传热，使用非预混模型模拟燃烧器内部的燃烧反应[6-8]。

生物质燃烧炉的燃料采用木质生物质压缩颗粒，燃料的元素分析与工业分析如表2所示[9]。

表2 压缩生物质颗粒的元素分析与工业分析

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

类型项目数值/%备注工业分析Vad74.83挥发分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氢Nar0.21氮Sar0.05硫Oar41.16氧发热量/J·g-1Qnet,v,ad16643低位发热量

2.2 几何模型与有限元网格

本文主要对生物质燃烧炉炉膛内的燃烧情况进行数值模拟，因此燃烧炉的炉膛、一次风进口及烟气出口等结构按照实际结构尺寸建模；对生物质床层和炉排区域不按照实际结构尺寸建模，而改用“多孔介质模型”进行模拟；建模中简化了生物质燃烧炉的二次风进口和二次风夹套等结构，将二次风进入炉膛的过程简化为等流量空气通过二次风流道吹入炉膛。按照上述假定所建立的燃烧炉模型如图3所示。

使用Gambit软件建立生物质床层和炉排区域的多孔介质模型，并对模型进行网格划分。对上述的多孔介质区域及其相邻的气体反应区域及二次风进口处采用较细的网格，对一次风进口附近的不涉及燃烧反应的区域采用较粗糙的六面体网格，对其他区域采用相对稀疏的四面体网格，以保证模拟精度同时提高计算速度。所建立的网格图如图4所示。

图3 简化的生物质燃烧炉三维模型Fig.3 Simplified 3D model of the biomass combustion furnace

图4 生物质燃烧炉网格图Fig.4 Grids of the biomass combustion furnace

3 数值模拟结果与分析

针对所建立数值模型，采用Fluent软件对设计的生物质燃烧炉的燃烧性能进行数值模拟。

为了研究生物质燃烧炉的性能，首先对生物质燃烧炉内部的流场情况进行分析。图5(a)和图5(b)分别为一次风、二次风的流线及其温度分布情况。由图5(a)可知：一次风穿过炉排和床层区域并与燃料发生燃烧反应后，产生的热烟气在旋转的二次风的作用下在炉膛内旋转，构成旋流火焰的主要部分；外侧热烟气受二次风的旋转作用较明显且与二次风的混合程度较高，中心部分的热烟气则受二次风的影响较小同时与二次风的混合程度较低；未燃尽的燃料及一次燃烧产物与二次风继续反应，同时热烟气与低温二次风混合后温度降低。

由图5(b)可知：二次风气流在燃烧炉内部旋转，一部分二次风气流向下旋流吹过燃料床层，助燃的同时在一定程度上降低床层的温度，减少结焦等不利现象的发生；另一部分二次风气流向上旋流，在与高温烟气混合的同时包裹在火焰外侧形成较规则的圆环状低温空气夹套；主要由一次风产生热烟气构成的火焰，在二次风的旋流作用和顶部出口的共同作用下发生小幅偏转；燃烧生成的高温烟气穿过二次风旋转生成的低温圆环形风幕，由烟气出口排出燃烧炉。

图5 一次风和二次风的流线与温度Fig.5 Flow line and its temperature of primary air and secondary air

数值模拟中，压缩生物质颗粒旋流燃烧炉炉膛内温度分布如图6、图7所示。其中，图6为燃烧炉内部的温度分布云图，图7为燃烧炉对称中心截面的温度云图。

由图6、图7可知：生物质颗粒在燃烧炉中燃烧，炉膛中心区域温度较高，最高温度达到1 992K；炉排与燃料层附近的温度较低，约为977～1 317K，与上文中对向下旋流的二次风气流对燃料床层温度的影响的分析一致，较低的床层温度能够降低结焦等不利现象的发生。由于在二次风作用下炉壁内侧形成的圆环状低温风幕的阻隔作用，炉膛壁面附近的温度较低，仅为467～807K左右；烟气出口附近的烟气温度均匀，未见较大的温度梯度；燃烧炉的火焰主要分布于炉膛中心位置，在一次风进口与烟气出口的位置的共同影响下，旋流火焰形状呈S型扭曲状，旋流燃烧效果明显。

图6 燃烧炉内部温度分布云图Fig.6 Nephogram of internal temperature distribution of the combustion furnace

图7 燃烧炉对称中心截面温度云图Fig.7 Nephogram of temperature of the symmetrical center section of the combustion furnace

图8为燃烧炉内部CO浓度云图。从图8可以看出：燃烧炉内部CO浓度云图的形状与燃烧炉内部高温区的温度分布情况类似，呈S型扭曲状，同样是由于一次风进口与烟气出口的位置导致的偏转。CO主要存在于炉膛内部中心靠近炉排一侧，炉排中心附近位置的CO浓度最大，主要原因如下：首先堆叠的燃料层呈锥形，炉排中心位置的燃料层厚度较大，相应的产生的挥发分也较多，燃料燃烧不够完全，因此产生了较多的CO；同时，向下旋流的二次风气流为靠近壁面的燃料层提供了O2，使相应位置的燃料能够得到充分燃烧，而靠近炉排中心的位置几乎得不到二次风O2的补给，因此燃烧不够完全，CO浓度较大。在二次风的作用下，燃料自下而上逐渐实现完全燃烧，烟气出口处的烟气CO含量几乎为0，可以认为出口烟气中不含CO，压缩生物质颗粒燃料在燃烧炉中实现了完全燃烧。

图8 燃烧炉内部CO浓度云图Fig.8 Nephogram of internal CO concentration of the combustion furnace

综合以上分析，本文所设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的燃烧性能如表3所示。由表3中的数据可知：压缩生物质颗粒旋流燃烧炉燃烧产生的烟气的温度和流量及燃料利用率均能够满足多数小型工业企业和家庭用户的需求。根据NB/T 34006-2011 《民用生物质固体成型燃料采暖炉具通用技术要求》中对CO排放指标的要求，烟气中CO的含量应不高于0.2%。本文所设计的压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的烟气中CO浓度远远低于标准要求，因此该压缩生物质颗粒旋流燃烧炉能够达到有效降低有害气体排放的要求。

表3 压缩生物质颗粒旋流燃烧炉的主要性能参数

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

烟气温度/K烟气质量流量/kg·h-1烟气CO含量/%693.841585.900.0000884

4 结论

1)研究表明：由于引入二次风系统，所设计的压缩生物质颗粒烧炉能够实现旋流燃烧，燃烧效率远高于传统未采用旋流燃烧技术的生物质颗粒燃烧炉。

2)二次风系统能够灵活调节烟气出口温度，可以使燃烧炉用于不同工业企业和家庭用户。

3)引入旋流燃烧方式的生物质颗粒燃烧炉能够将烟气中CO的含量降低到0.000 088 4%，基本实现完全燃烧，既能达到提高燃烧效率的目的，也能够实现节能环保，对于工业生产安全也具有明显的意义。

4)由于通过简单的结构改进在传统燃烧炉中引入了旋流燃烧技术，提高了燃烧效率，降低了CO排放量，因此本研究工作对改进生物质燃烧炉结构、降低设计生产难度、提高燃烧生物质炉性能等方面研究具有一定的意义。

[1] 刘强.新型生物质旋流燃烧器的数值模拟和实验研究[D].北京：华北电力大学,2011.

[2] 王涛.采用旋流炉排的生物质成型燃料采暖炉数值模拟研究[D].长沙:中南大学,2013.

[3] 刘建禹,翟国勋,陈荣耀.生物质燃料直接燃烧过程特性的分析[J].东北农业大学学报,2001, 32(3):290-294.

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[9] 王浩,丁宁.生物质颗粒预燃室燃烧试验与数值模拟[J].能源工程，2014(5):47-50.

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

河北省自然科学基金项目(E2017208109)；河北省科技计划项目(15275202)；石家庄市科技局计划项目(161080071A)

刘庆刚(1981-)，男，河北邢台人，副教授，博士，qgliu81@163.com。

S216；TK6

A

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