結(jié)渣不僅可以降低鍋爐出力和熱效率，破壞爐內(nèi)的空氣動(dòng)力工況，使?fàn)t內(nèi)燃燒惡化，而且會(huì)危及燃燒設(shè)備的安全性。這是因?yàn)榻Y(jié)渣情況嚴(yán)重伴隨高溫腐蝕時(shí)，會(huì)造成過(guò)熱器煙道堵塞和超溫爆管，爆管造成爐膛負(fù)壓劇烈波動(dòng)而熄火，還可能誘發(fā)爐膛爆炸和下部的排渣裝置的嚴(yán)重爆炸事故。由此可見(jiàn)結(jié)渣嚴(yán)重威脅鍋爐的安全運(yùn)行。
13.3減少結(jié)渣的措施
在鍋爐運(yùn)行中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐範(fàn)t內(nèi)結(jié)渣，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)結(jié)渣的機(jī)理采取了許多措施，對(duì)于新設(shè)計(jì)的層燃生物質(zhì)鍋爐防止結(jié)渣的主要措施是降低爐內(nèi)燃燒器區(qū)域溫度水平，使?fàn)t內(nèi)熱負(fù)荷均勻，并保證燃料能夠均勻的沉降到爐排上；同時(shí)選用合適的燃燒器和風(fēng)口布置方式，使?fàn)t內(nèi)有良好的空氣動(dòng)力工況，防止火焰刷墻。對(duì)于已投運(yùn)的生物質(zhì)鍋爐防止結(jié)渣的主要措施是組織良好的爐內(nèi)空氣流場(chǎng)，盡量在不改動(dòng)水冷壁的情況下采取各種能降低燃燒器區(qū)域溫度水平、防止空氣氣流偏斜、貼壁沖墻的措施。對(duì)于循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐防止結(jié)渣的主要措施有：將生物質(zhì)燃料與其他燃料進(jìn)行混燒可有效緩解結(jié)渣的程度；加入添加劑提高灰分的軟化溫度可抑制結(jié)渣的趨勢(shì)；選用適當(dāng)?shù)拇擦虾脱h(huán)倍率等。
由上所述可見(jiàn)，直燃發(fā)電層燃生物質(zhì)鍋爐內(nèi)組織良好的空氣流場(chǎng)是防止結(jié)渣的前提條件，研究爐內(nèi)的空氣流場(chǎng)有著非常重要的意義。
1.4爐內(nèi)空氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究
直接在鍋爐爐膛內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)研究是組織爐內(nèi)空氣流場(chǎng)的最佳方法，但是停爐時(shí)間短，而試驗(yàn)研究耗時(shí)，而且受測(cè)量手段和測(cè)量技術(shù)的制約，很難全面測(cè)量整個(gè)爐內(nèi)的空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)大型鍋爐更是困難。隨著計(jì)算機(jī)容量和計(jì)算速度的大幅度提高，計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)以及計(jì)算方法的日益完善，使得人們可以在計(jì)算機(jī)上通過(guò)數(shù)值模擬的方法，結(jié)合試驗(yàn)研究和理論分析，更快、更經(jīng)濟(jì)、更全面地設(shè)計(jì)大型鍋爐結(jié)構(gòu)以及各種新型燃燒器，并對(duì)新設(shè)計(jì)的鍋爐、改進(jìn)的鍋爐以及燃燒器進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析和各種工況下的運(yùn)行特性分析，組織良好的爐內(nèi)空氣流場(chǎng)，提高鍋爐燃燒效率和燃燒火焰的穩(wěn)定性、防止?fàn)t膛壁面結(jié)渣和高溫腐蝕。
1.4.1鍋爐爐內(nèi)空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀
世界各國(guó)都非常重視爐內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，常用的模擬工具是功能強(qiáng)大的FLUENT軟件，該軟件優(yōu)點(diǎn)突出，分析結(jié)果三維可視、直觀(guān)、清晰，特別適合速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及其它代計(jì)算變量的分析研宄及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用FLUENT軟件模擬爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，越來(lái)越多的人選擇它對(duì)鍋爐爐膛以及燃燒等進(jìn)行數(shù)值模擬。法國(guó)杜埃礦業(yè)研究院工業(yè)能源實(shí)驗(yàn)室在FLUENT平臺(tái)上對(duì)原型為600MW四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行爐膛內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)模擬，研究了經(jīng)不同燃燒器送入的空氣在爐膛內(nèi)的流動(dòng)情況以及爐膛內(nèi)的速度分布。清華大學(xué)熱能工程系的由長(zhǎng)福等人分別運(yùn)用了FLUENT提供的不同湍流模型對(duì)四角切圓燃煤鍋爐爐內(nèi)冷態(tài)氣相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室借助FLUENT軟件平臺(tái)，在三種不同工況下對(duì)200MW四角切向燃燒煤粉鍋爐爐內(nèi)空氣流動(dòng)、傳熱以及燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確，為鍋爐的運(yùn)行和改造提供了有力的參考依據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的邵一鳴等對(duì)670t/h燃煤鍋爐爐內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的速度分布、靜壓力分布等，并把數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，兩者比較吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬是可靠的。
綜上所述，利用FLUENT模擬鍋爐爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的技術(shù)還是比較成熟的，但研究的對(duì)象主要是煤粉鍋爐，關(guān)于生物質(zhì)燃燒設(shè)備空氣流場(chǎng)的研究較少。由于生物質(zhì)燃料和煤粉的燃燒特性有很大的區(qū)別，必須加強(qiáng)生物質(zhì)燃燒設(shè)備空氣動(dòng)力場(chǎng)的理論分析和試驗(yàn)研究，為生物質(zhì)燃燒設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效運(yùn)行提供科學(xué)的參考依據(jù)。因此開(kāi)展生物質(zhì)電站鍋爐爐內(nèi)空氣流場(chǎng)的研究很有必要并且意義重大。
1.4.2鍋爐爐內(nèi)空氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬模型
鍋爐爐內(nèi)的氣流流動(dòng)是非常復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，近幾十年的時(shí)間里國(guó)內(nèi)外的學(xué)者、專(zhuān)家對(duì)湍流進(jìn)行了深入的研究，但由于湍流過(guò)程十分復(fù)雜，目前對(duì)湍流問(wèn)題的研究仍處于探索其結(jié)構(gòu)、機(jī)理和描述方法的階段。
鍋爐爐內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬主要分為氣相湍流流動(dòng)數(shù)值模擬和氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬。
1)氣相流動(dòng)的數(shù)值模擬
目前氣相湍流模擬主要有直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)、離散渦模擬
(DVS)和雷諾時(shí)均方程出發(fā)的統(tǒng)觀(guān)模擬四種模型。
直接數(shù)值模擬(DNS)：是在湍流尺度網(wǎng)格內(nèi)不引入任何封閉模型前提下對(duì)Navier-Stokes (N-S)方程直接求解，這種方法能對(duì)湍流流動(dòng)中最小尺度渦進(jìn)行求解，要求大量的網(wǎng)格點(diǎn)和時(shí)間步長(zhǎng)以達(dá)到統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，DNS僅用于雷諾數(shù)相對(duì)較低的湍流流動(dòng)模擬。
大渦模擬(LES)：基于網(wǎng)格尺度封閉模型及對(duì)大尺度渦進(jìn)行直接求解N．S方程的大渦模擬方法可以模擬湍流發(fā)展過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)，但由于其計(jì)算量仍很大，也僅僅用于比較簡(jiǎn)單的剪切流動(dòng)和管流。
離散渦模擬(DVS)：DVS目前用來(lái)模擬湍流中大尺度粘附結(jié)構(gòu)，可最直接運(yùn)用于粘性效應(yīng)可忽略的高雷諾數(shù)情況，能獲得混合層和尾渦中大尺度渦旋機(jī)理的本質(zhì)，目前也得到了一定程度的運(yùn)用。
雷諾時(shí)均方程出發(fā)的統(tǒng)觀(guān)模擬：以上三種方法由于計(jì)算技術(shù)和自身的發(fā)展不夠成熟等因素的限制，運(yùn)用到具有實(shí)際意義的工程中仍有相當(dāng)困難。現(xiàn)在及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可用于工程上的模擬方法仍然是由雷諾時(shí)均方程出發(fā)的統(tǒng)觀(guān)模擬方法。這類(lèi)模型是將雷諾時(shí)均方程及湍流特征量輸運(yùn)方程中的高階未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)用時(shí)均量來(lái)表達(dá)，從而使雷諾時(shí)均方程封閉，目前運(yùn)用最廣的是k-E雙方程模型。
2)氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬
氣相流場(chǎng)中加入顆粒相，描寫(xiě)兩相流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參量與單相流動(dòng)相比幾乎增加一倍，另外各相的體積濃度、分散相顆粒的大小、各相的物理性質(zhì)和流動(dòng)形態(tài)都有很大的變化，氣固兩相流模擬中顆粒相的模擬成為關(guān)鍵。目前兩相流的數(shù)值模擬主要有兩種方法：一種是把流體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)而把顆粒相作為離散體系，在拉格朗日坐標(biāo)系下描述顆粒運(yùn)動(dòng)的軌道模型；另一種則是把流體作為連續(xù)介質(zhì)，把顆粒相作為擬流體介質(zhì)在歐拉坐標(biāo)系下描述顆粒群運(yùn)動(dòng)的雙流體模型。氣固兩相模型又可具體分為：無(wú)滑移模型、軌道模型和雙流體模型。
無(wú)滑移模型：這種模型不考慮相間的溫度和速度滑移，直接把單相流體的概念推廣到懸浮流中，把整個(gè)懸浮流看成一種單一流體，不需要顆粒的動(dòng)量和能量方程，只需解顆粒群的質(zhì)量方程，這種模擬方法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但離實(shí)際情況相差較大，因而不適宜工程運(yùn)用[27J。
軌道模型：考慮了顆粒相與流體相的相互作用，易于描述單顆粒的復(fù)雜經(jīng)歷，又可分為：確定軌道模型和隨機(jī)軌道模型。確定軌道模型不考慮顆粒的湍流擴(kuò)散，通過(guò)引入隨機(jī)軌道或漂移速度修正軌道位置來(lái)反映顆粒擴(kuò)散；隨機(jī)軌道法直接在拉格朗日坐標(biāo)系下求解瞬態(tài)顆粒運(yùn)動(dòng)方程，考慮流體脈動(dòng)對(duì)顆粒的作用，計(jì)算顆粒的隨機(jī)軌道和其變化經(jīng)歷，一般認(rèn)為流體湍流局部各向同性、脈動(dòng)速度符合當(dāng)?shù)氐母咚狗植肌?br /> 雙流體模型把顆粒相看成與流體相占據(jù)同一空間而且相互滲透的擬流體，空間各點(diǎn)流體與顆粒都有各自不同的速度、溫度、體積分?jǐn)?shù)和相對(duì)滑移。顆粒群有自身的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的湍流輸運(yùn)，顆粒相可按初始和當(dāng)?shù)爻叽绶纸M，顆粒相的模擬是雙流體模型發(fā)展的核心。
1.5本文的主要工作
1)計(jì)算原設(shè)計(jì)煤種和生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)，提出鍋爐燃燒系統(tǒng)初步改造方案。
2)借助FLUENT軟件模擬鍋爐初步改造方案爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)。
3)提出初步改造方案的改進(jìn)，并借助FLUENT軟件模擬改進(jìn)方案后的爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)，找到前后各噴口合理的角度，確定鍋爐改進(jìn)方案。
4)借助FLUENT軟件模擬不同風(fēng)量配比條件下的爐內(nèi)流場(chǎng)，找到優(yōu)選的風(fēng)量配比條件，最終確定鍋爐改造方案。
5)借助FLUENT軟件提出鍋爐改造預(yù)備方案。
6)完成配風(fēng)系統(tǒng)改造后，對(duì)新系統(tǒng)的爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試與實(shí)爐測(cè)試試驗(yàn)研究，實(shí)際測(cè)量3個(gè)平面上的速度分布。通過(guò)火花示蹤顯示爐內(nèi)實(shí)際流場(chǎng)，并進(jìn)行生物質(zhì)冷態(tài)噴吹試驗(yàn)研究燃料粒子在爐排上的沉降均勻性。
1.6本章小結(jié)
本章介紹了當(dāng)前世界和我國(guó)的能源情況，生物質(zhì)在能源中的地位、生物質(zhì)發(fā)電的主要形式以及研究爐內(nèi)流場(chǎng)的意義；介紹了課題來(lái)源，生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐面臨的主要問(wèn)題，生物質(zhì)燃燒過(guò)程中結(jié)渣的機(jī)理、危害和減少結(jié)渣的措施；強(qiáng)調(diào)了研究爐內(nèi)空氣流場(chǎng)對(duì)于減少結(jié)渣的重要性，介紹了目前國(guó)內(nèi)外爐內(nèi)空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀和爐內(nèi)空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬的湍流模型。最后闡述了本文的主要工作和研究方法。
三門(mén)峽富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售生物質(zhì)鍋爐，同時(shí)我們也銷(xiāo)售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
