劉聿拯，袁益超，張明

(上海理工大學(xué)，上海200093)

　　摘要：針對(duì)生物質(zhì)燃料的特性，運(yùn)用相似理論建立了燃酒糟鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)冷態(tài)模化試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了不同一次風(fēng)風(fēng)速下爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，為燃生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化提供了必要依據(jù)。

　　為了解決能源危機(jī)和環(huán)境問題，人們不斷致力于開發(fā)研究低污染、可再生的新能源。在眾多的可再生能源中，生物質(zhì)能以儲(chǔ)量龐大、清潔方便、可再生的特點(diǎn)，成為最突出的一種。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，主要是農(nóng)林廢棄物、城鎮(zhèn)生活垃圾及人畜糞便。根據(jù)我國(guó)的基本國(guó)情，在眾多的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中，生物質(zhì)直接燃燒無疑是最為切實(shí)可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之一。生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)不僅可以大大提高生物質(zhì)的有效利用率，減少有害氣體的排放從而改善環(huán)境質(zhì)量狀況，還可以逐步調(diào)整我國(guó)以化石燃料為主的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，尤其是它還能有效地解決我國(guó)城市生活垃圾的處理問題，并為農(nóng)村地區(qū)因地制宜地提供清潔方便的高品位能源。

　　1生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)燃料與化石燃料相比，在成分和結(jié)構(gòu)等方面存在著很大的差異。生物質(zhì)的燃燒主要分為揮發(fā)份的析出和燃燒、殘余焦炭的燃燒和燃盡兩個(gè)獨(dú)立階段，其基本特點(diǎn)是：生物質(zhì)水分多，產(chǎn)生的煙氣體積大，排煙熱損失高；密度小、結(jié)構(gòu)松散，懸浮燃燒比例大；揮發(fā)份析出后，焦炭顆粒受到灰燼包裹燃盡困難。

　　目前，采用流化床技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能在國(guó)內(nèi)外已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。流化燃燒燃料與高溫?zé)煔狻⒖諝忾g混合充分，適合燃用水分大、熱值低的生物質(zhì)燃料。但對(duì)于類似稻殼、木屑等比重小、流化蓄熱能力差的生物質(zhì)燃料，流化床需加入石英砂等作為床料，產(chǎn)生的灰分也較硬，容易磨損鍋爐的受熱面。同樣，國(guó)內(nèi)外采用層燃技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能也取得了不少研究成果。層燃鍋爐結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，爐膛空間較大利于揮發(fā)份析出后的懸浮燃燒，但由于揮發(fā)份析出的速度很快，燃燒時(shí)需要大量的空氣，如不及時(shí)將燃料與空氣充分混合，將難以保證生物質(zhì)得到完全地燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。

　　上海理工大學(xué)等針對(duì)酒廠酒糟的燃燒特性，研制了燃酒糟鍋爐。該鍋爐采用了層燃與室燃相結(jié)合的新型燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保以及灰渣的綜合利用，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。綜上所述，由于生物質(zhì)的種類繁雜，不同種類生物質(zhì)之間物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性千差萬別，不可能找到一種統(tǒng)一的燃燒方式，以實(shí)現(xiàn)其資源化利用。因此，需根據(jù)不同種類生物質(zhì)的特點(diǎn)，開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù)，并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備。本文將針對(duì)稻殼、樹葉、酒糟等生物質(zhì)的燃燒利用，結(jié)合燃酒糟鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在相似理論的基礎(chǔ)上，通過模化試驗(yàn)研究燃生物質(zhì)鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布狀況，從而提高生物質(zhì)燃燒設(shè)備的燃燒效率，為燃生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

　　2燃生物質(zhì)鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)模化試驗(yàn)系統(tǒng)

　　由于鍋爐爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)模化試驗(yàn)的復(fù)雜性，在冷態(tài)等溫模化過程中，爐內(nèi)氣流被認(rèn)為是不可壓縮粘性流體。根據(jù)相似理論，模化試驗(yàn)必須遵循：

　　①模型和原型保持幾何相似；②模型和原型對(duì)應(yīng)工況下，保持氣流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第二自模區(qū)；③模型和原型的邊界條件相似，即保證進(jìn)入爐內(nèi)的各股射流動(dòng)量比相等。

　　本文以參考文獻(xiàn)[6]中的燃酒糟鍋爐為原型，將其按1∶3的比例縮小構(gòu)建爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)冷態(tài)等溫模化試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。

　　外界空氣由風(fēng)機(jī)引入風(fēng)箱，經(jīng)風(fēng)箱分成一次風(fēng)、二次風(fēng)和爐排風(fēng)三路送入爐膛，三股氣流在爐內(nèi)混合向上流動(dòng)，最后從爐膛上部的出口通道排出。在模化試驗(yàn)過程中，爐排風(fēng)和二次風(fēng)風(fēng)速、方向都保持不變，以原型鍋爐額定負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的模型一次風(fēng)風(fēng)速18.95m/s為基準(zhǔn)量，調(diào)整一次風(fēng)風(fēng)速大小，研究一次風(fēng)風(fēng)速變化對(duì)爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響。試驗(yàn)工況如表1所示。

　　試驗(yàn)采用畢托管測(cè)量爐排風(fēng)風(fēng)速。由于一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)道直徑較小，若使用畢托管測(cè)速會(huì)影響管內(nèi)流場(chǎng)分布，故采用噴管測(cè)量一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)速。噴管進(jìn)出口壓差用DT4020C型電子微壓計(jì)測(cè)量。爐膛內(nèi)氣流分布采用球型五孔探針和DT4020C型電子微壓計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

　　如圖1所示，沿爐膛高度Z軸方向從上往下等間距共布置8個(gè)水平平面，沿爐膛寬度Y軸方向等間距布置5排測(cè)孔。在1、2、3、4平面上，沿爐膛深度X軸方向等間距布置4排測(cè)點(diǎn)；在5、6、7、8平面上，沿爐膛深度X軸方向等間距布置5排測(cè)點(diǎn)。分別針對(duì)4個(gè)工況進(jìn)行冷態(tài)模化試驗(yàn)研究，可以得到爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。

　　3模化試驗(yàn)結(jié)果及其分析

　　在不同試驗(yàn)工況下，爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)模化試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖9所示。仔細(xì)觀察工況1至工況4可以發(fā)現(xiàn)：沿爐膛深度方向貼近前、后墻的氣流流速較高，而隨著氣流不斷接近爐膛中心，流速逐步衰減，并且在爐膛中心位置附近出現(xiàn)流速的最低值。同樣，沿爐膛寬度方向的氣流流速變化趨勢(shì)與沿爐膛深度方向相似，貼近左、右兩側(cè)的氣流流速較高，在爐膛中心處的氣流流速較低。說明在一次風(fēng)、二次風(fēng)和爐排風(fēng)三股氣流相互混合的作用下，爐膛中心附近產(chǎn)生了相應(yīng)的渦旋回流區(qū)，各股氣流之間發(fā)生強(qiáng)烈地混合，從而造成強(qiáng)烈的動(dòng)量、質(zhì)量和熱量交換。這將有助于生物質(zhì)燃料在鍋爐內(nèi)的及時(shí)著火和高效、穩(wěn)定燃燒。

　　從不同試驗(yàn)工況的試驗(yàn)結(jié)果還可以看出：沿爐膛高度方向，水平截面5、7相對(duì)水平截面1、3而言，爐膛中心附近形成的回流區(qū)和回流量較大，這說明由于爐膛下部截面5、7靠近一次風(fēng)、二次風(fēng)和爐排風(fēng)射流噴口，3股氣流之間交匯、混合的效果更為顯著，爐內(nèi)氣流流速衰減更加劇烈，有助于生物質(zhì)的燃燒和燃盡。進(jìn)一步比較分析4個(gè)工況的試驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)：工況1時(shí)爐膛中心位置雖然產(chǎn)生了回流區(qū)，但回流區(qū)范圍較小且回流量不大；隨著一次風(fēng)風(fēng)量的增大，在工況2和工況3時(shí)，爐膛中心回流區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大且回流量明顯增加，由此可以看出提高一次風(fēng)風(fēng)速能夠促進(jìn)一次風(fēng)與二次風(fēng)、爐排風(fēng)之間互相交匯、擾動(dòng)，有利于組織良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)；而當(dāng)再增大一次風(fēng)送風(fēng)量時(shí)，比較工況3和工況4，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)風(fēng)速過大反而會(huì)削弱爐內(nèi)氣流的混合程度，使得回流區(qū)縮小，回流量下降，流速呈現(xiàn)波動(dòng)起伏，氣流混合的穩(wěn)定性較差，對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生不利的影響。

　　綜合上述比較分析可以看出：冷態(tài)模型在工況3時(shí)(即原型鍋爐額定負(fù)荷時(shí))，爐內(nèi)氣流的混合程度較為理想。

　　4結(jié)論

　　通過對(duì)燃酒糟鍋爐爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)冷態(tài)模化試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

　　(1)沿爐膛深度和寬度方向，氣流在爐膛中心位置的流速衰減較為顯著，說明在一次風(fēng)與二次風(fēng)、爐排風(fēng)三股氣流相互交匯作用下，爐膛中心形成了回流區(qū)，有利于生物質(zhì)燃料與空氣的充分混合，從而保證生物質(zhì)燃料的及時(shí)著火和完全燃燒。

　　(2)不同試驗(yàn)工況下爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的模化試驗(yàn)結(jié)果表明，在額定負(fù)荷時(shí)原型鍋爐具有良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)特性，運(yùn)行情況較為理想。

　　(3)一次風(fēng)風(fēng)速大小影響著爐內(nèi)氣流的分布狀況。在一定的范圍內(nèi)，提高一次風(fēng)風(fēng)速，可以促進(jìn)一次風(fēng)與二次風(fēng)、爐排風(fēng)之間的相互混合，氣流流速衰減越加劇烈，形成的回流區(qū)范圍也越大，有利于燃燒、燃盡；但一次風(fēng)風(fēng)速過大反而會(huì)削弱一次風(fēng)與二次風(fēng)、爐排風(fēng)的相互混合，導(dǎo)致流速衰減波動(dòng)較大，回流區(qū)縮小、回流量下降，從而縮短燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，降低鍋爐的燃燒效率。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)因?qū)Ω鞴娠L(fēng)的風(fēng)量進(jìn)行合理的分配，以滿足生物質(zhì)燃料燃燒的特殊需求。