王帅超， 柳善建， 李永军， 刘亚亚， 张凯真

（山东理工大学 农业工程与食品科学学院， 山东 淄博 255000）

0 引言

农林生物质具有硫含量低、挥发分含量高、环保可再生等优点，可用于绿色电力、清洁供暖等领域，实现规模化利用农林废弃物的目的，而且农林生物质具有与煤、天然气、电力等能源相竞争的价格优势[1]，[2]。国家《生物质能发展“十三五”规划》指出： 大力推进生物质锅炉等技术在当地用户侧直接替代燃煤，实现到2020 年生物质燃料年利用量达到3 000 万t。

由于农林生物质种类繁多、燃烧特性差别大、含水率高（一般为15%～50%）、难以稳定燃烧，当农林生物质燃烧不充分时， 往往会产生较多的烟尘、CO、 挥发性有机化合物 （VOC） 和多环芳烃（PAHs），从而造成严重的环境污染[3]～[5]。 同时，农林生物质的氯元素和钾、钠、镁等碱金属元素的含量较高，当炉内燃烧温度较高时，不仅会产生较多的NOx，也容易引起积灰、结渣和受热面腐蚀等问题[6]～[8]。 随着人们对环境污染问题的重视，国家及地方《锅炉大气污染物排放标准》要求生物质燃烧设备能够实现高效、低污染物、洁净燃烧，而合理的结构设计是生物质燃烧设备能够高效、 低污染物排放运行的关键。 贾国海设计了一种生物质颗粒回转燃烧器，并基于Fluent 软件研究了燃烧器冷态内部流动和压力分布情况，研究结果表明：燃烧器内部的气体压力、 速度和湍动能随着风机引风速度的增大逐渐增大； 风机出口到回转燃烧室间的气体压力、速度和湍动能较大，并在二次风口处达到最大值[9]。 程超对现有的一种生物质压块燃料锅炉进行实验分析和数值模拟， 通过对锅炉温度场、压力场和组分浓度场的分析，提出了锅炉改造方案， 并得出改造后的锅炉后拱高度不宜过高，后拱高度增加后会导致炉内火焰中心上移，使炉膛烟气出口温度升高和容易结渣的结论[10]。

生物质燃烧机是近年出现的一种以生物质颗粒、木屑、木粉等为主要燃料的生物质燃烧设备，主要为满足冶金、化工、陶瓷、供暖等领域对于廉价热源的需求，一般与锅炉、换热器等配合使用[11]。粉体生物质燃料具有燃烧完全、 燃烧效率高等优点。作者在前期研究的基础上，提出了一种燃烧生物质粉的束腰型燃烧机，以提供高温火焰为目的，后续配合换热器或锅炉等设备使用。 本文基于Fluent 软件研究了束腰型结构倾角、 束腰口间距和过量空气系数对束腰型生物质粉燃烧机的炉内温度场、NO 浓度场、出火口的平均温度、物质平均质量浓度、O2，CO2，NO 和CO 浓度等参数的影响， 最终得到了较优的束腰型生物质粉燃烧机结构及运行工况参数。

1 束腰型生物质粉燃烧机的数学模型及边界条件

1.1 束腰型生物质粉燃烧机系统

束腰型生物质粉燃烧机由喂料系统、 送风系统、束腰型燃烧室、出火口、温度检测装置、烟气监测装置和管道等部件组成。 束腰型生物质粉燃烧机的结构原理如图1 所示。由图1 可知，喂料系统由第一级螺旋喂料和第二级送风喂料装置组成，第一级螺旋喂料在进料电机的带动下转动， 通过准确控制电机转速实现生物质粉进料量的控制，第二级送风喂料则将落入的生物质粉吹入燃烧室内燃烧。 为防止第一级螺旋喂料管内出现搭桥或返料的现象，在料仓上部加入送料风，以平衡第二级送风喂料系统的风压。

图1 束腰型生物质粉燃烧机的结构原理图Fig.1 Structural schematic diagram of thin waist type biomass powder combustion machine

束腰型生物质粉燃烧机的束腰型结构通过连接部件连接，可方便更换。燃烧机的出火口处安装WRP-230S 型热电偶， 采用抽风方式利用红外烟气分析仪对尾气中的CO，CO2，O2和NO 含量进行检测。为保证生物质粉在燃烧室内更好地燃烧，引入尾部烟气对配风进行预热。 束腰型生物质粉燃烧机的基本参数见表1。

表1 束腰型生物质粉燃烧机的基本参数Table 1 The parameters of thin waist type biomass powder combustion machine

1.2 束腰型生物质粉燃烧机数学模型的建立

生物质粉在燃烧室内的燃烧过程十分复杂，包含多种物理化学反应， 涉及气固两相传热传质问题[12]～[14]。 为简化分析，假设：

①一次风将生物质粉从入口均匀吹入束腰型燃烧机的燃烧室；

②炉壁绝热保温，为简化模型，只对炉排以上的束腰型燃烧机的燃烧室进行模拟；

③不考虑生物质粉在炉底因积存而产生的燃烧带来的影响。

采用标准k-ε 两方程模型描述燃烧室内的湍流气相流动，采用P-1 辐射模型模拟生物质粉燃烧时的内部辐射情况。 颗粒运动采用随机轨道模型，挥发分析出采用两步竞争反应模型，焦炭燃烧选择动力-扩散控制燃烧模型。 建模过程中涉及的一些控制方程包括：

（1）质量守恒方程

式中：t 为时间，s；ρ 为物质密度，kg/m3；u，v，w 分别为速度矢量在坐标轴x，y，z 方向上的分量，m/s。

（2）能量守恒方程

（3）两步竞争反应模型

式中：av为挥发分析出的质量，kg；a1，a2分别为挥发分在两个反应中所占的当量百分比，%；ac为生物质粉的质量，kg；k1，k2均为挥发分竞争析出速率常数。

（4）k-ε 两方程模型

式中：μt为湍流粘性系数，Pa·s；μ 为动力粘度系数，Pa·s；Ck为由于平均速度梯度引起的湍流动能的产生项；Gb为由于浮力引起的湍动能的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献；Sk，Sε均为源项；C1ε，C2ε和C3ε均为经验常数；σk，σε分别为k和ε 对应的Prandtl 数，通常σk取1.0，σε取1.3；k为湍流动能；ε 为湍流耗散率。

（5）P-1 辐射模型

式中：εw为壁面发射率；ρw为壁面反射率；Tw和Gw均为壁面处的物理量。

（6）动力-扩散控制燃烧模型

式中：mp为颗粒质量，kg；dp为颗粒直径，m；pox为颗粒周围的气相氧化剂分压，Pa；D0为模型扩散速率常数；R 为考虑焦炭的内表面反应及其扩散的动力学反应速率常数。

1.3 生物质原料的物化分析

选择杨木为原料，经FY600 型木材切片机和93ZRG-680 型多功能粉碎机处理后， 筛选150～200 目的杨木粉备用， 杨木粉的平均粒径为0.15 mm，堆积密度为700 kg/m3。 杨木粉的工业分析和元素分析见表2。

表2 杨木粉的工业分析和元素分析Table 2 Industrial analysis and elemental analysis of poplar power

1.4 风速修正计算

空气干燥基和收到基之间的换算系数为

式中：Mar为杨木粉收到基的含水量，%；Mad为杨木粉空气干燥基的含水量，%。

1 kg 空气干燥后杨木粉完全燃烧所需氧气量为

由于对配风进行预热，因此，根据克拉伯龙方程[15]，应对风速进行修正：

式中：V0为理论 空气量，m3/kg；α 为过量 空气系数；Vk为实际空气量，m3/kg； m˙为燃料的质量流量，kg/s；βi为配风所占份额；Ai为各风口的面积，m2；Vi0为理论空气量下未修正的风速，m/s；T0为标准状态温度，K；Ti为各入口的实际温度，K；Vi为修正后的实际风速，m/s。

2 燃烧过程的模拟结果与分析

2.1 束腰型结构倾角对燃烧效果的影响

为得到生物质粉燃烧机较优的束腰型结构，研究不同的束腰型结构倾角对于燃烧效果的影响， 并与相应的直筒型燃烧机的燃烧性能进行对比。所谓直筒型生物质粉燃烧机，是指与束腰型生物质粉燃烧机相比， 仅在是否存在束腰型结构上存在差别，其喂料量、风量、出火口位置等参数均相同。

根据式（10）～（13）计算得出，当系统的实际空气量为理论空气量的1.1 倍时， 修正后的一次风速度V1=12.3 m/s，此时不同倾角束腰型生物质粉燃烧机与直筒型生物质粉燃烧机炉内温度场的对比如图2 所示。

图2 倾角不同的束腰型生物质粉燃烧机与直筒型生物质粉燃烧机炉内温度场的对比Fig.2 The comparison of temperature field in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and the straight cylinder type combustion machine

从图2 可以看出： 由于直筒型生物质粉燃烧机在炉内没有结构阻碍， 且杨木粉的入口风速较高，杨木粉进入炉膛后会形成细窄的弧形分布燃烧火焰，并吹向对向的炉膛壁，容易从出火口喷出；束腰型生物质粉燃烧机由于增加了束腰型结构，杨木粉火焰气流在行程中受到阻碍，增加了炉内扰动，使得部分未燃尽的燃料返回炉膛下部继续燃烧，杨木粉在炉内的行程变长，释放出更多的反应热，可以达到充分燃烧的效果，降低了出火口未燃尽可燃物的浓度；在束腰型生物质粉燃烧机内， 火焰中心未到达对向的炉膛壁即上升，火焰的高温带分布较宽，炉内温度分布相对较均匀。

NO 排放是评价锅炉等燃烧设备性能的重要指标，其生成途径可分为燃料型、热力型和快速型[16]。 NO 的生成与生物质燃料的种类、进口氧气浓度、燃烧温度、过量空气系数等诸多因素相关[17]，[18]。 通过Fluent 软件对生物质粉燃烧机的炉内NO 浓度分布进行模拟分析， 生物质粉燃烧机炉内NO 浓度场的分布云图如图3 所示。 从图3可以看出，燃烧火焰中心附近的NO 浓度最高，这是由于生物质燃料的燃烧火焰中心温度较高，燃料型NO 和热力型NO 迅速大量产生[19]。在温度较低的区域，NO 的生成量较少。

图3 倾角不同的束腰型生物质粉燃烧机与直筒型生物质粉燃烧机炉内NO 浓度场分布云图Fig.3 NO concentration distribution of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and straight cylinder type combustion machine

表3 列出了倾角不同的束腰型生物质粉燃烧机、 直筒型生物质粉燃烧机出火口的平均温度（T1）、物质平均质量浓度（D）以及CO，CO2，NO 和O2浓度（占烟气的摩尔分数）。

表3 相同入口条件下束腰型、直筒型生物质粉燃烧机的出火口参数Table 3 The parameters of the outlet of thin waist type and straight cylinder type biomass combustion machine under the same inlet conditions

由表3 可知，在相同入口条件下，直筒型生物质粉燃烧机出火口的CO 浓度和D 均远高于束腰型生物质粉燃烧机，出火口的T1低于束腰型生物质粉燃烧机， 两种类型生物质粉燃烧机出火口的O2浓度相差不大。 考虑到设计本燃烧机的主要目的是提供高温火焰，因此，束腰型生物质粉燃烧机的炉内燃烧效果较好。当θ 分别为15，30，45，60°时， 束腰型生物质粉燃烧机出火口的NO 浓度呈现先增加后降低的趋势； 当θ 分别为30，45°时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的T1和NO 浓度均高于直筒型生物质粉燃烧机； 当θ 分别为15，60°时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的T1和NO 浓度与直筒型生物质粉燃烧机相差不大。 由此可知，当θ 分别为30，45°时，束腰型结构对炉内燃烧的影响较为明显，造成炉内燃烧温度较高，从而产生较多的NO。

对比图2 和表3 可知：当θ=30°时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的D 以及CO 和NO 的浓度均低于θ=45°时， 而出火口的T1高于θ=45°时；当θ=30，45°时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的CO2和O2的浓度相当。 因此可以认为，当θ=30°时，束腰型生物质粉燃烧机的燃烧效果更好。这是因为与θ=45°时相比，当θ=30°时，燃料经束腰型结构的阻碍而返回炉膛下部燃烧的现象更为明显，延长了炉内燃料燃烧的停留时间，炉内温度分布更为均匀，燃烧更加充分，这一点也可以从图2（b），（c）看出。

2.2 燃烧机模拟结果可靠性验证

为检验上述生物质粉燃烧机燃烧模拟结果的可靠性， 将模拟结果与直筒型农林生物质燃烧机的实际测量结果进行对比。 在杨木粉喂料量为150 kg/h，实际空气量为理论空气量1.1 倍的工况下进行燃烧试验， 并将直筒型生物质粉燃烧机出火口的T1以及CO，CO2和O2浓度的试验结果与模拟结果相对比，结果如表4 所示。由表4 可以看出，对于直筒型生物质粉燃烧机而言，其出火口的T1以及CO，CO2和O2浓度的模拟结果与试验结果吻合较好，相对误差均在17%以内，说明仿真结果可以接受。

表4 直筒型生物质粉燃烧机的试验结果与模拟结果的对比Table 4 Comparison of test results and simulation results of straight cylinder type biomass combustion machine

2.3 束腰口间距对燃烧效果的影响

束腰型燃烧机的束腰口尺寸会对炉内燃烧产生较大的影响，为确定较优的束腰型结构，在一次风速为12.3 m/s，未加入二次风的工况下，研究束腰口间距（L）对束腰型生物质粉燃烧机炉内温度场、NO 浓度场、出火口的T1，D 以及CO，CO2，NO，O2的浓度等参数的影响。 当θ=30 °，L 分别为0.4，0.5，0.6，0.7 m 时， 束腰型生物质粉燃烧机的炉内温度场云图如图4 所示。从图4 可以看出，当L=0.4，0.5，0.6 m 时，束腰型生物质粉燃烧机炉内的高温区域分布较宽，当L=0.7 m 时，右侧的高温区域相对较窄，这是因为L 越大，炉内燃烧、流动传热情况越接近于直筒型燃烧机， 火焰受束腰型结构的影响越小， 杨木粉火焰易吹向右侧炉壁且吹出炉膛外，因此，在炉膛左侧区域形成较大低温区域。 同时，与L=0.5，0.6 m 时相比，当L=0.4 m时，炉膛中下部也会形成较大的低温区，这是因为一次风速较高且温度较低， 在束腰型结构的影响下，一次风回流会导致左侧区域温度变低。

图4 束腰口间距不同的束腰型生物质粉燃烧机炉内温度场云图Fig.4 The distribution of temperature in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine under different thin waist mouth diameter

当θ=30°，L 分别为0.4，0.5，0.6，0.7 m 时，束腰型生物质粉燃烧机炉内NO 浓度场云图如图5所示。 当θ=30°，L 分别为0.4，0.5，0.6，0.7 m 时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的T1和D 以及CO，CO2，NO 和O2浓度见表5。

图5 束腰口间距不同的束腰型生物质粉燃烧机的炉内NO 浓度场云图Fig.5 NO concentration field of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter

结合图5 和表5 可知，当L=0.4，0.5，0.6，0.7 m时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的CO2和O2浓度及D 相差不大。 但是，随着L 的增大，T1呈现出先升高后降低的变化趋势， 并在L=0.6 m 时达到最大， 最大值为1 197 K；CO 浓度呈现出不断增大的变化趋势，NO 浓度呈现出先降低后升高再降低的变化趋势。 这是因为，当L=0.7 m 时，束腰型结构对于炉内的燃烧影响较小， 趋于直筒型燃烧机的燃烧方式，因此出现出火口的T1和NO 浓度变低，CO 浓度变高的现象。 另外，值得注意的是，当束腰口间距（L=0.4 m）较小时，出火口的CO浓度较低，但NO 浓度较高。 因此，经过综合考虑可知，当L=0.5 m 时，束腰型生物质粉燃烧机的燃烧特性较优。

表5 束腰口间距不同的束腰型生物质粉燃烧机出火口参数的对比Table 5 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter

2.4 不同过量空气系数对燃烧效果的影响

为研究不同空气过量系数对束腰型生物质粉燃烧机燃烧效果的影响，在θ=30°，L=0.5 m，喂料量为150 kg/h，未加入二次风的工况下，研究过量空气系数（分别为1.1，1.2 和1.3）对束腰型生物质粉燃烧机燃烧效果的影响。 在不同过量空气系数下束腰型生物质粉燃烧机炉内温度场云图如图6所示。

图6 不同空气系数下束腰型生物质粉燃烧机炉内温度场云图Fig.6 Temperature field of thin waist type biomass powder combustion machine under different air coefficients

图7 为不同过量空气系数下束腰型生物质粉燃烧机炉内NO 浓度场云图。 表6 列出了不同过量空气系数下束腰型生物质粉燃烧机出火口的T1和D 以及CO，CO2，NO 和O2浓度。

图7 不同空气系数下束腰型生物质粉燃烧机炉内NO 浓度场云图Fig.7 NO concentration of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients

表6 不同过量空气系数下束腰型生物质粉燃烧机的出火口参数对比Table 6 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients

结合图6，7 和表6 可知， 随着过量空气系数的增大，束腰型生物质粉燃烧机出火口的T1以及CO，CO2和NO 浓度显著减小，D 和O2浓度有所增大。 这是因为进口带入大量空气导致入口风速增加，燃料在炉膛内停留时间减少，从而导致出火口的T1以及CO，CO2和NO 浓度的显著减小。 对比图6 和表6 可知，当过量空气系数为1.2 时，尽管出火口的T1略低于过量空气系数为1.1 时，但出火口的CO，CO2和NO 浓度较低， 更符合环保要求。当过量空气系数为1.3 时，由于进风量的进一步提高， 会使得出火口的CO，CO2和NO 浓度达到一个较低值，但出火口的T1较低，会限制后续换热器及锅炉等设备对高温热源的要求， 使得束腰型生物质粉燃烧机的应用场合变窄；此外，在试验过程中发现，当过量空气系数为1.3 时，由于风速较高会造成燃烧不稳定现象， 过量空气系数越高，由此产生的风速越高，导致大量灰分及未燃尽生物质被吹出炉膛，造成出火口的D 增大。 因此，当过量空气系数为1.2 时，束腰型生物质粉燃烧机的各项性能指标均较好。

3 结论

①与直筒型生物质粉燃烧机相比， 束腰型生物质粉燃烧机出火口的D 和CO 浓度均较低；当θ 分别为15，30，45，60°时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的CO 浓度仅为直筒型生物质粉燃烧机的5%，2.6%，2.8%，1.6%；当θ=30，45°时，束腰型结构对炉内燃烧的影响较为明显， 造成炉内燃烧温度较高。

②当L=0.4，0.5，0.6，0.7 m 时，束腰型生物质粉燃烧机出火口的CO2和O2浓度及D 相差不大，但是，随着L 的增大，T1呈现出先升高后降低的变化趋势。

③随着过量空气系数的增大，出火口的T1以及CO，CO2和NO 浓度显著减小，D 和O2浓度有所增大。

④通过对比θ，L 和过量空气系数对束腰型生物质粉燃烧机燃烧效果的影响，发现当θ=30°，L=0.5 m，过量空气系数为1.2 时，束腰型生物质粉燃烧机的燃烧效果较好。