复合生物质燃烧性能的数值模拟及实验

赵嵩颖， 徐建光，2， 陈雷

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院， 长春 130118； 2.中建五局安装工程有限公司， 长沙 410004)

生物质具有可再生性、低污染性的特性，相对于生物质直接燃烧技术，生物质混燃技术研究具有很大潜力[1]。马爱玲[2]对生物质与煤的混烧进行实验及其动力学展开研究，研究结果表明随着生物质掺混比的增加活化能逐渐减少，频率因子逐渐减小，样品的平均失重率逐渐增大且样品的燃尽时间提前。罗良飞等[3]对煤中掺混生物质的燃烧动力学展开研究，研究结果表明二者的最佳掺混比例为15%，此时其着火温度提高且燃尽温度降低。王华山等[4]对煤与生物质的混燃特性展开研究，研究结果表明随着生物质掺混比例的增大，煤与生物质的混燃特性得到提升。许旭斌等[5]对生物质与煤混燃时污染物的排放规律展开研究，研究结果表明随着生物质掺混比例的增加，能使SO2和NOx的排放量减少，但当生物质的掺混比例超过30%时，对污染物释放的影响逐渐减小。Sezer等[6]对煤与杏仁壳混燃的燃烧特性展开研究，研究结果表明混合物的燃烧指标、着火温度、峰值温度等特性受二者混合比例的影响较大；燃烧指数值随加热速率的升高而增大；生物质可以与低阶煤进行有效燃烧。Liao等[7]对煤与生物质混合物的燃烧动力学进行研究，研究结果表明随着生物质比例的增大，能提高煤与生物质的燃烧性能，但使其着火温度和燃尽温度降低。Gil等[8]对煤与生物质焦的混合物在含氧燃料燃烧气氛下3种升温速率下的热反应性和动力学进行研究，研究结果表明在N2和CO2脱挥发气氛下，动力学参数基本相同。Weng等[9]对4种生物质的燃烧行为展开研究，研究结果表明受挥发分的影响，4种生物质的着火延迟时间、挥发分燃烧时间和烟灰形成倾向之间具有重要差异。

以上学者均是对生物质与煤的混烧情况进行研究，而针对单一生物质燃烧特性的研究较少，更缺少针对复合生物质燃烧性能的研究。现利用FLUENT软件模拟玉米秸秆、棉秆、木屑、稻秆4种单一生物质以及复合生物质在燃烧室中燃烧的情况，对比分析4种生物质在燃烧室中心截面上的温度分布规律，得出复合生物质的最佳质量配比方案以及生物质燃烧性能的影响因素。生物质进行单烧及混烧实验验证模拟结果的正确性，这对于生物质资源的有效利用、提高具有低发热量的生物质燃烧产热量以及为生物质实际运用于锅炉燃烧发电和供热提供参考，具有良好的借鉴意义。

1 计算模型及网格划分

1.1 计算模型

以圆筒形燃烧室锅炉作为研究对象，建立物理模型时需要作出一定的简化，具体的简化与假设如下：根据燃烧室的尺寸及结构特点将燃烧室简化成一个10 m×1 m的二维管道，燃烧室物理模型简图如图1所示。二维管道的进口分为三股空气，其中管道中心处为一次风入口，此时燃料颗粒在一次风的作用下进入到燃烧室，一次风入口宽度为0.25 m，二次风分为上下两股空气进入燃烧室，上下二次风的入口分别位于一次风入口的上下两侧，其宽度均为0.375 m，同时将二维管道的上下两侧假设成壁面。

1.2 网格划分

根据燃烧室的结构特点以及结合数值模拟的精准度，同时考虑到结构化网格相对于非结构化网格，其网格质量更优、计算更精确、收敛更快等特点[10]，因此利用ICEM软件对燃烧室进行建模及结构化网格划分。将计算区域划分网格的总数量为2×103、3×103、4×103、6×103，并分别对网格质量进行检验，结果发现4种网格数量的模型，其网格质量均达到0.99以上，说明网格质量很优，同时又分别对4种网格数量的模型进行计算以检验网格的独立性，通过对比计算发现，网格数量达到3×103、4×103、6×103的模型计算结果无明显变化，故选择网格数量为3×103的模型。具体结构化网格划分图以及网格质量检测图如图2和图3所示。

图1 燃烧室物理模型简图Fig.1 Brief diagram of the combustion chamber physical model

图2 结构化网格局部放大示意图Fig.2 Local enlargement diagram of a structured grid

2 边界条件及数学模型

2.1 边界条件

本文中研究的锅炉燃烧室有三股空气入口，因此将燃烧室三股空气的入口截面设定为速度入口边界条件，三股空气的速度以及生物质颗粒流量根据锅炉实际运行的工况参数进行设定，生物质颗粒的粒径大小依据Rosin-Rammler规律分布。生物质颗粒的密度为1 200 kg/m3，颗粒的粒径为50 μm[11],具体的各边界条件设定参数如表1所示。

燃烧室出口边界条件做简化处理：出口边界条件设定为压力出口，燃烧室的上下两壁面为绝热面，壁面设定为定壁温[12]。

2.2 数学模型

生物质燃料在燃烧室的燃烧是一个复杂的物理、化学过程，涉及多相流体力学、传热传质学和燃烧等多个学科。为便于研究复合生物质的燃烧性能，将燃烧室内气流流动按稳态计算，同时考虑重力作用，因此在模拟计算中选用标准k-ε湍流模型计算气相湍流输运，方程式通式[13]为

图3 网格质量检测示意图Fig.3 Schematic diagram of grid quality detection

表1 各边界条件设定参数Table 1 Boundary condition setting

divpvφ=divΓφ∇φ+Sφ

(1)

式(1)中：div为散度；φ为通用变量；Γφ为输运系数；Sφ为气流源项；∇为哈密顿算子；p为气流密度；v为速度分量。

利用FLUENT软件模拟生物质燃料在燃烧室的燃烧，在模拟计算中选用k-ε湍流模型计算气相湍流输运，选用DPM模型模拟燃料颗粒的流动，选用P1辐射模型计算辐射传热过程，选用双混合概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧[14]；离散格式选择精度较高的二阶迎风格式，同时采用SIMPLE算法进行计算[15]。

3 数值模拟结果及分析

3.1 单料场模拟结果及分析

图4是4种生物质燃烧时燃烧室中心截面的温度分布云图，由图4可知，玉米秸秆、棉秆、木屑、稻秆燃烧时燃烧室中心截面的最高温度分别是2 010、1 912、1 880、1 830 K，排序为玉米秸秆>棉秆>木屑>稻秆，玉米秸秆燃烧时燃烧室中心截面的最高温度比其他3种生物质高100 K以上且比稻秆高180 K，这与4种生物质的发热量大小基本一致，说明具有高热值的生物质燃料在燃烧室中心截面上的最高温度均高于具有低热值的生物质燃料；模拟发现4种生物质燃烧时燃烧室中心截面的高温区域都集中在燃烧室的中后方，分析原因是生物质密度较小且容易被一次风气流夹带，故生物质能够被快速输运到整个燃烧室，这说明生物质的燃烧性能受一次风风速的影响较大；玉米秸秆与其他3种生物质相比，着火点提前，高温区域扩大，且整个燃烧室的温度分布比较均匀，这是因为玉米秸秆的挥发分含量比较高，易着火。因此，如果将棉秆、木屑、稻秆分别和玉米秸秆按照一定比例进行混合燃烧会提高其燃烧性能。

图4 4种生物质燃烧时燃烧室中心截面的温度分布云图Fig.4 Temperature distribution cloud map of the center section of the combustion chamber during the combustion of four biomass

图5 4种生物质燃烧时中心截面温度随燃烧室 位置的变化曲线Fig.5 Curve of the temperature of the center section with the position of the combustion chamber during the combustion of four biomass

图5是4种生物质中心截面温度随燃烧室位置的变化曲线，从图5中可以看出4种生物质燃料燃烧时，燃烧室0～2 m温度都在1 300 K以上，但中心截面温度呈下降趋势，这是因为燃烧室入口一次风的风温较高，随着燃料被输送进燃烧室，此时燃料并没有完全燃烧，故燃烧室前段温度呈下降趋势；随着燃料完全燃烧，燃烧室2～7 m中心截面温度快速升高，但在这个区间内，玉米秸秆的温度明显高于其他3种生物质燃料，这是因为玉米秸秆的含水率相比其他3种生物质燃料较低，因此燃烧速度快，所以温度较高；随着燃料热值逐渐降低，燃烧室后段7～10 m中心截面温度呈下降趋势。因此，生物质的燃烧性能不仅受风温的影响，也受自身含水率的影响。

3.2 双料场模拟结果及分析

根据单料场模拟结果，选择燃烧室中心截面温度最高的玉米秸秆分别和木屑、稻秆按照质量比为4∶1、3∶1、7∶3、3∶2的配比方案进行混燃模拟，针对不同质量配比方案对燃烧室温度场的影响进行分析，得出复合生物质混烧的最佳质量配比方案。

图6为玉米秸秆与木屑在不同质量配比方案下燃烧室中心截面的温度分布云图。由图6可知，4种配比方案下燃烧室中心截面的最高温度分别是1 989、1 970、1 940、1 924 K，且随着木屑掺混比的增加，燃烧室中心截面的最高温度呈现下降趋势；当配比大于3∶1时，燃烧室中心截面的最高温度下降幅度较大，故玉米秸秆与木屑的最佳质量配比为3∶1，此时与木屑单独燃烧相比，着火点提前，燃烧室中心截面的最高温度提高90 K，且燃烧室的高温区域扩大，整个燃烧室的温度分布程度较均匀。

图6 玉米秸秆与木屑在不同质量配比方案下燃烧室 中心截面的温度分布云图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

图7是玉米秸秆与稻秆在不同质量配比方案下燃烧室中心截面的温度分布云图，由图7可知，4种配比方案下燃烧室中心截面的最高温度分别是1 953、1 938、1 922、1 892 K，且随着稻秆掺混比的增加，燃烧室中心截面的最高温度呈现下降趋势；当配比大于7∶3时，燃烧室中心截面的最高温度下降幅度较大，故玉米秸秆与稻秆的最佳质量配比为7∶3，此时与稻秆单独燃烧相比，着火点提前，燃烧室中心截面的最高温度提高92 K，且燃烧室的高温区域扩大，整个燃烧室的温度分布程度较均匀。

图7 玉米秸秆与稻秆在不同质量配比方案下燃烧室 中心截面的温度分布云图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 单烧及混烧实验研究

4.1 实验内容

为进一步验证数值模拟结果的正确性，结合数值模拟结果分别对4种生物质燃料做单烧实验及最佳质量配比方案下的复合生物质做混烧实验，并把燃烧室中心截面温度的实验值与模拟值做对比。

4.2 实验方案

本实验分单烧实验及混烧实验两部分进行，分别是方案一和方案二，为了保证实验与模拟的相似性，实验相关参数与模拟设定参数保持一致，具体实验工况如表2所示。同时为了更好地在实验中采集相关数据，在燃烧室壁面一侧每隔1 m取一个测温点，共11个。

4.3 实验结果及分析

图8是4种生物质单烧实验值与模拟值的对比，由图8可知，4种生物质单独燃烧时，燃烧室最高温度的模拟值均高于实验值，这是因为数值模拟是在理想状态下的仿真燃烧，在实际的燃烧实验中，由于实验设备存在误差、人为因素的实验条件限制无法达到数值模拟所得到的结果。4种生物质燃烧时燃烧室最高温度的实验值与模拟值的误差均在17%以下。

表2 实验工况

图8 4种生物质单烧实验值与模拟值的对比Fig.8 Comparison between the experimental and simulated values of the four biomass single-firin

图9 玉米秸秆与木屑、稻秆混烧的实验值与模拟值的对比Fig.9 Comparison between the experimental and simulated values of corn straw, wood chips and rice straw mixed firing

图9为玉米秸秆与木屑、稻秆混烧的实验值与模拟值的对比图。由图9可知，玉米秸秆与木屑、稻秆混烧的实验值均低于模拟值，但实验值与模拟值比较相近且其走势基本一致，表明计算模型的合理性及计算结果的正确性。

5 结论

通过FLUENT软件模拟了4种生物质及复合生物质在燃烧室中的燃烧状况，得出不同生物质在燃烧室中心截面上的温度分布规律、玉米秸秆与木屑、玉米秸秆与稻秆混烧的最佳配比方案及生物质燃烧性能的影响因素，并结合实验将实验值与模拟值做进一步对比，得出以下结论。

(1)具有高热值的生物质燃料在燃烧室中心截面上的最高温度均高于具有低热值的生物质燃料，玉米秸秆、棉秆、木屑、稻秆燃烧时燃烧室中心截面的最高温度分别是2 010、1 910、1 880、1 830 K，玉米秸秆与其他3种生物质相比，燃烧时着火点提前，高温区域扩大，燃烧室的温度分布比较均匀；玉米秸秆与木屑的最佳质量配比为3∶1，与稻秆的最佳质量配比为7∶3。

(2)模拟与实验验证，复合生物质混烧优于单一生物质燃烧，混烧时燃烧室的高温区域扩大且温度升高、着火点提前、燃烧室的温度分布较均匀、燃烧性能良好。

(3)可通过调整一次风速、一次风温来提高生物质的燃烧性能。