劉聿拯，袁益超，張明

(上海理工大學，上海200093)

　　摘要：針對生物質燃料的特性，運用相似理論建立了燃酒糟鍋爐空氣動力場冷態模化試驗系統，得到了不同一次風風速下爐內空氣動力場的變化規律，為燃生物質鍋爐設計和運行的優化提供了必要依據。

　　為了解決能源危機和環境問題，人們不斷致力于開發研究低污染、可再生的新能源。在眾多的可再生能源中，生物質能以儲量龐大、清潔方便、可再生的特點，成為最突出的一種。我國生物質資源豐富，主要是農林廢棄物、城鎮生活垃圾及人畜糞便。根據我國的基本國情，在眾多的生物質能源轉換技術中，生物質直接燃燒無疑是最為切實可行的高效利用生物質資源的方式之一。生物質直接燃燒技術不僅可以大大提高生物質的有效利用率，減少有害氣體的排放從而改善環境質量狀況，還可以逐步調整我國以化石燃料為主的能源生產和消費結構，尤其是它還能有效地解決我國城市生活垃圾的處理問題，并為農村地區因地制宜地提供清潔方便的高品位能源。

　　1生物質燃燒技術的發展現狀

　　生物質燃料與化石燃料相比，在成分和結構等方面存在著很大的差異。生物質的燃燒主要分為揮發份的析出和燃燒、殘余焦炭的燃燒和燃盡兩個獨立階段，其基本特點是：生物質水分多，產生的煙氣體積大，排煙熱損失高；密度小、結構松散，懸浮燃燒比例大；揮發份析出后，焦炭顆粒受到灰燼包裹燃盡困難。

　　目前，采用流化床技術開發生物質能在國內外已具有相當的規模和一定的運行經驗。流化燃燒燃料與高溫煙氣、空氣間混合充分，適合燃用水分大、熱值低的生物質燃料。但對于類似稻殼、木屑等比重小、流化蓄熱能力差的生物質燃料，流化床需加入石英砂等作為床料，產生的灰分也較硬，容易磨損鍋爐的受熱面。同樣，國內外采用層燃技術開發生物質能也取得了不少研究成果。層燃鍋爐結構相對簡單，爐膛空間較大利于揮發份析出后的懸浮燃燒，但由于揮發份析出的速度很快，燃燒時需要大量的空氣，如不及時將燃料與空氣充分混合，將難以保證生物質得到完全地燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。

　　上海理工大學等針對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合的新型燃燒方式，實現了節能、環保以及灰渣的綜合利用，收到了良好的經濟效益和社會效益。綜上所述，由于生物質的種類繁雜，不同種類生物質之間物理、化學性質和燃燒特性千差萬別，不可能找到一種統一的燃燒方式，以實現其資源化利用。因此，需根據不同種類生物質的特點，開發不同類型的燃燒技術，并研制相應的燃燒設備。本文將針對稻殼、樹葉、酒糟等生物質的燃燒利用，結合燃酒糟鍋爐的設計與運行經驗，在相似理論的基礎上，通過模化試驗研究燃生物質鍋爐空氣動力場的分布狀況，從而提高生物質燃燒設備的燃燒效率，為燃生物質鍋爐的設計與運行優化提供科學依據。

　　2燃生物質鍋爐空氣動力場模化試驗系統

　　由于鍋爐爐內空氣動力場模化試驗的復雜性，在冷態等溫模化過程中，爐內氣流被認為是不可壓縮粘性流體。根據相似理論，模化試驗必須遵循：

　　①模型和原型保持幾何相似；②模型和原型對應工況下，保持氣流的流動狀態進入第二自模區；③模型和原型的邊界條件相似，即保證進入爐內的各股射流動量比相等。

　　本文以參考文獻[6]中的燃酒糟鍋爐為原型，將其按1∶3的比例縮小構建爐內空氣動力場冷態等溫模化試驗系統(圖1)。

　　外界空氣由風機引入風箱，經風箱分成一次風、二次風和爐排風三路送入爐膛，三股氣流在爐內混合向上流動，最后從爐膛上部的出口通道排出。在模化試驗過程中，爐排風和二次風風速、方向都保持不變，以原型鍋爐額定負荷下對應的模型一次風風速18.95m/s為基準量，調整一次風風速大小，研究一次風風速變化對爐內空氣動力場的影響。試驗工況如表1所示。

　　試驗采用畢托管測量爐排風風速。由于一次風、二次風風道直徑較小，若使用畢托管測速會影響管內流場分布，故采用噴管測量一次風、二次風風速。噴管進出口壓差用DT4020C型電子微壓計測量。爐膛內氣流分布采用球型五孔探針和DT4020C型電子微壓計進行測量。

　　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個水平平面，沿爐膛寬度Y軸方向等間距布置5排測孔。在1、2、3、4平面上，沿爐膛深度X軸方向等間距布置4排測點；在5、6、7、8平面上，沿爐膛深度X軸方向等間距布置5排測點。分別針對4個工況進行冷態模化試驗研究，可以得到爐內空氣動力場的變化規律。

　　3模化試驗結果及其分析

　　在不同試驗工況下，爐內空氣動力場模化試驗結果如圖2～圖9所示。仔細觀察工況1至工況4可以發現：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流速的最低值。同樣，沿爐膛寬度方向的氣流流速變化趨勢與沿爐膛深度方向相似，貼近左、右兩側的氣流流速較高，在爐膛中心處的氣流流速較低。說明在一次風、二次風和爐排風三股氣流相互混合的作用下，爐膛中心附近產生了相應的渦旋回流區，各股氣流之間發生強烈地混合，從而造成強烈的動量、質量和熱量交換。這將有助于生物質燃料在鍋爐內的及時著火和高效、穩定燃燒。

　　從不同試驗工況的試驗結果還可以看出：沿爐膛高度方向，水平截面5、7相對水平截面1、3而言，爐膛中心附近形成的回流區和回流量較大，這說明由于爐膛下部截面5、7靠近一次風、二次風和爐排風射流噴口，3股氣流之間交匯、混合的效果更為顯著，爐內氣流流速衰減更加劇烈，有助于生物質的燃燒和燃盡。進一步比較分析4個工況的試驗結果還可以發現：工況1時爐膛中心位置雖然產生了回流區，但回流區范圍較小且回流量不大；隨著一次風風量的增大，在工況2和工況3時，爐膛中心回流區范圍逐漸擴大且回流量明顯增加，由此可以看出提高一次風風速能夠促進一次風與二次風、爐排風之間互相交匯、擾動，有利于組織良好的爐內空氣動力場；而當再增大一次風送風量時，比較工況3和工況4，發現一次風風速過大反而會削弱爐內氣流的混合程度，使得回流區縮小，回流量下降，流速呈現波動起伏，氣流混合的穩定性較差，對爐內流場產生不利的影響。

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

　　4結論

　　通過對燃酒糟鍋爐爐內空氣動力場冷態模化試驗結果的分析，可以得出以下結論：

　　(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，說明在一次風與二次風、爐排風三股氣流相互交匯作用下，爐膛中心形成了回流區，有利于生物質燃料與空氣的充分混合，從而保證生物質燃料的及時著火和完全燃燒。

　　(2)不同試驗工況下爐內空氣動力場的模化試驗結果表明，在額定負荷時原型鍋爐具有良好的空氣動力場特性，運行情況較為理想。

　　(3)一次風風速大小影響著爐內氣流的分布狀況。在一定的范圍內，提高一次風風速，可以促進一次風與二次風、爐排風之間的相互混合，氣流流速衰減越加劇烈，形成的回流區范圍也越大，有利于燃燒、燃盡；但一次風風速過大反而會削弱一次風與二次風、爐排風的相互混合，導致流速衰減波動較大，回流區縮小、回流量下降，從而縮短燃料在爐內的停留時間，降低鍋爐的燃燒效率。因此，在設計和運行時因對各股風的風量進行合理的分配，以滿足生物質燃料燃燒的特殊需求。