2.3鍋爐燃燒系統(tǒng)改造方案
2.3.1鍋爐初步改造方案
由附錄D可知，生物質(zhì)的燃燒特性與原設(shè)計(jì)煤種有很大的差別，鍋爐燃燒系統(tǒng)尤其是配風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)行改造。本著不改動(dòng)鍋爐受熱面、盡量保留原有鏈條爐排和爐膛結(jié)構(gòu)的原則，改造項(xiàng)目包括：給料系統(tǒng)改造、風(fēng)機(jī)改型、風(fēng)道改造和完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高的特點(diǎn)，要順利實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換，必須大幅度減少爐排風(fēng)量，同時(shí)大幅度增加直接進(jìn)入爐膛的風(fēng)量，加大二次風(fēng)量（增加二次風(fēng)噴口數(shù)目，并更換二次風(fēng)機(jī)）。該初步方案由南京理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院可再生能源利用課題組共同擬定。
2.3.1.1給料系統(tǒng)改造
拆除拋煤機(jī)和原有的原煤輸送系統(tǒng)、更換料倉(cāng)和送料裝置等，三個(gè)拋煤口改為三個(gè)一次風(fēng)（給料風(fēng)）口。
2.3.1.2送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)改型
考慮到改用生物質(zhì)后，固有風(fēng)量要增加8%左右，特別是考慮到需要將增加入爐風(fēng)量作為爐膛出口煙溫的備用調(diào)節(jié)手段，入爐風(fēng)量按爐膛出口煙溫調(diào)節(jié)幅度2000C計(jì)算，需要新增送風(fēng)量約lOOOOm3/h，因此將送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選定為60000m3/h。
新增風(fēng)量造成空氣預(yù)熱器阻力增加約1.8倍，總阻力增加約1.5倍，所以將送風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓選定為300mmH20 (2940Pa)，
根據(jù)送風(fēng)量的增加，相應(yīng)地，引風(fēng)機(jī)的流量和壓頭也需要相應(yīng)的提升。
2.3.1.3二次風(fēng)機(jī)改型
更換燃料后，二次風(fēng)的重要性進(jìn)一步增加，它承擔(dān)著兩個(gè)重要任務(wù)：一是組織爐內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化可燃?xì)怏w的燃燒，這直接關(guān)系到q3熱損失和鍋爐的燃燒效率；二是，二次風(fēng)還擔(dān)負(fù)著調(diào)整火焰中心的任務(wù)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，這是調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫的首選措施。考慮到二次風(fēng)的重要性，所以在新選型時(shí)必須給出較大的余量。考慮到二次風(fēng)機(jī)的電耗特別高，確定其壓頭維持原數(shù)值600mmH20 (5880Pa)，通過加大二次風(fēng)道的口徑來維持較低的風(fēng)道風(fēng)速，風(fēng)量提高到20000m3/h，改造前后的風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2.2。
2.3,1.4風(fēng)道改造
原鍋爐有三股風(fēng)量：爐排風(fēng)、播煤風(fēng)和二次風(fēng)。拆除拋煤機(jī)后，不再需要播煤風(fēng)，而新增了一次風(fēng)（給料風(fēng)），所以改造后還是三股風(fēng)量：爐排風(fēng)、一次風(fēng)（給料風(fēng)）和二次風(fēng)。由于入爐風(fēng)量的增加，生物質(zhì)的揮發(fā)分較高，為了強(qiáng)化爐內(nèi)可燃?xì)怏w的燃燒，保留原二次風(fēng)噴口中心點(diǎn)位置高度不變，增加二次風(fēng)噴口數(shù)量，前二次風(fēng)噴口數(shù)量由原來的7路增加到14路，并且等距離分布。后二次風(fēng)由原來的7路增加到15路。爐排風(fēng)道保留原有的系統(tǒng)不變。將原來的三個(gè)播煤口改為三個(gè)給料風(fēng)口，即三股一次風(fēng)口。各股風(fēng)的噴口數(shù)量、噴口尺寸見表2.3，入爐風(fēng)口示意圖如圖2.3和2.4所示。
2.3.2初步方案的爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬
2.3.2.1 FLUENT軟件介紹
目前應(yīng)用于模擬流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬軟件（CFD軟件）主要有：FLUENT，STAR-CD，PHOENIX，ANSYS/FLOTRAN等，而其中最為廣泛的就是FLUENT軟件，本文就利用FLUENT軟件對(duì)爐內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬的基本流程如圖2.5。
FLUENT軟件的前置處理器主要是指GAMBIT軟件，它具有強(qiáng)大的網(wǎng)格生成能力，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1)完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格能力
GAMBIT能夠針對(duì)極其復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格，且有數(shù)十種網(wǎng)格生成方法，能夠自動(dòng)生成網(wǎng)格，從而大大減少了工作量。
2)網(wǎng)格的自適應(yīng)技術(shù)
FLUENT采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，可根據(jù)計(jì)算中得到的流場(chǎng)結(jié)果反過來調(diào)整和改進(jìn)網(wǎng)格，從而使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。這是目前CFD技術(shù)中提高計(jì)算精度的最重要的技術(shù)之一，采用自適應(yīng)技術(shù)能夠有效地捕捉到流場(chǎng)中的細(xì)微的物理現(xiàn)象，大大提高計(jì)算精度。
3)混合網(wǎng)格和附面層內(nèi)的網(wǎng)格功能
GAMBIT提供了對(duì)復(fù)雜的幾何形體生成附面層內(nèi)網(wǎng)格的重要功能。而且附面層內(nèi)的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區(qū)域的網(wǎng)格自動(dòng)銜接，大大提高了網(wǎng)格的質(zhì)量。另外，GAMBIT能自動(dòng)將四面體、六面體、三角柱和金字塔形網(wǎng)格自動(dòng)混合起來，這對(duì)復(fù)雜幾何外形來說尤為重要，既能保證了壁面的精度，又可以大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)目。
FLUENT軟件包含了8種工程上常用的湍流模型（包括92年提出的一方程的S-A模型，雙方程的k-￡模型，雷諾應(yīng)力模型和最新的大渦模型等），而每一種模型又有若干子模型。其中如k-￡模型包括魯棒性較好的Standard k-e模型，針對(duì)逆壓梯度的RNGk．e模型和針對(duì)旋流的Realizable k．￡模型。
FLUENT具有強(qiáng)大的后置處理功能，能夠完成CFD計(jì)算所要求的功能，包括速度矢量圖、等值線圖、等值面圖、流動(dòng)軌跡圖、并具有積分功能，對(duì)于用戶關(guān)心的參數(shù)和計(jì)算中的誤差可以隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。
2.3.2.2 FLUENT模型及其求解
1)鍋爐模型
由于本文計(jì)算的某電廠2#機(jī)組35t/h鍋爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文對(duì)鍋爐爐膛及風(fēng)道進(jìn)行了以下合理的簡(jiǎn)化和設(shè)定：
①忽略了風(fēng)道內(nèi)因?qū)嶋H施工需要時(shí)增加的不規(guī)則墻壁；
②風(fēng)道內(nèi)氣體低速流動(dòng)，可視為不可壓縮流體，同時(shí)忽略由流體粘性力做功所引
起的耗散熱；
⑧爐膛內(nèi)的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流：
④取爐膛水冷壁中心線所在平面為計(jì)算固體壁面；
⑤爐膛底部簡(jiǎn)化為平底爐結(jié)構(gòu)：
⑥滿足Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度的變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響：
所建立的模型如圖2.6。
2)網(wǎng)格劃分
本文采用專用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT對(duì)爐膛三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分是一項(xiàng)非常繁瑣的工作。網(wǎng)格劃分從總體上看有三種：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，可以人工控制任意方向的加密要求，但它卻無法適應(yīng)爐膛和風(fēng)口復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其生成網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。這時(shí)GAMBIT提供了解決這一難題的方法，那就是采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，它有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能對(duì)任何具有復(fù)雜外形的實(shí)體進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，但采用這種網(wǎng)格，由于其三個(gè)方向尺度基本一致，很難像結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格那樣可以人工控制任意方向的加密程度，所以當(dāng)某些地方需要加密網(wǎng)格時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量巨增，從而需要計(jì)算機(jī)有更大的內(nèi)存，而且計(jì)算時(shí)間大幅度增加。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算中最為重要的一環(huán)，而且也是最難處理的一環(huán)。而網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將直接影響到模擬結(jié)果的精度、模擬的可靠性以及模擬過程中的穩(wěn)定性和收斂性。對(duì)于具有復(fù)雜外形的三維實(shí)體，要想劃分出理想的網(wǎng)格是非常困難的。為了克服結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自適應(yīng)困難和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導(dǎo)致不必要的網(wǎng)格數(shù)巨增，本文采用半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)所計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將系統(tǒng)分割成幾塊，再對(duì)每塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)復(fù)雜且需要加密網(wǎng)格的地方采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，提高網(wǎng)格的自適應(yīng)性，而對(duì)流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)參數(shù)梯度變化較小的地方就采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
為了提高CFD對(duì)計(jì)算區(qū)域流體流動(dòng)參數(shù)模擬的精度，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需遵循以下幾點(diǎn)：
①量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；
②網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的走向盡量與計(jì)算區(qū)域流場(chǎng)流線一致：
③在流場(chǎng)中流動(dòng)參數(shù)急劇變化的地方，網(wǎng)格盡量密集。
根據(jù)網(wǎng)格劃分的基本原則，在爐排至爐膛中間的區(qū)域用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在爐膛中間至爐膛頂部區(qū)域用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，所有風(fēng)口區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最終生成網(wǎng)格數(shù)在100萬左右，在內(nèi)存為2G的計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行計(jì)算處理。網(wǎng)格縱截面如圖2.7所示。
3)基本物理模型
對(duì)于三維、不可壓縮和穩(wěn)態(tài)的爐內(nèi)氣相流動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)的k一a湍流模型的通用微分方程式包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程、湍動(dòng)能耗散率方程和能量方程，為便于求解可在三維直角坐標(biāo)系下寫成如下統(tǒng)一形式：
固體壁面上采用無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件，在爐膛壁面附近，由于流體湍流輸運(yùn)的減弱和層流輸運(yùn)的增強(qiáng)對(duì)流體輸運(yùn)性質(zhì)的影響，為了保證計(jì)算的精度，同時(shí)又避免附近的網(wǎng)格劃分，本文采用與k-￡模型相配的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。
4)解算器與算法
本文采用分離隱式求解器，保證解的穩(wěn)定性。FLUENT采用有限體積法來離散方程。由于同時(shí)存在有四面體和六面體兩種網(wǎng)格，采用二階迎風(fēng)格式不僅比較適合四面體網(wǎng)格，而且對(duì)六面體網(wǎng)格能獲得更精確的結(jié)果。另外考慮到二階格式不易收斂，因此本文在離散方程時(shí)先采用一階迎風(fēng)格式得到收斂結(jié)果后再用二階迎風(fēng)格式繼續(xù)運(yùn)算，獲得收斂結(jié)果：壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法。
5)邊界條件
三門峽富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，同時(shí)也銷售生產(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)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。
