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1.3.2結渣的危害
    結渣不僅可以降低鍋爐出力和熱效率，破壞爐內的空氣動力工況，使爐內燃燒惡化，而且會危及燃燒設備的安全性。這是因為結渣情況嚴重伴隨高溫腐蝕時，會造成過熱器煙道堵塞和超溫爆管，爆管造成爐膛負壓劇烈波動而熄火，還可能誘發爐膛爆炸和下部的排渣裝置的嚴重爆炸事故。由此可見結渣嚴重威脅鍋爐的安全運行。
13.3減少結渣的措施
    在鍋爐運行中應采取適當的措施防止爐內結渣，國內外許多學者根據結渣的機理采取了許多措施，對于新設計的層燃生物質鍋爐防止結渣的主要措施是降低爐內燃燒器區域溫度水平，使爐內熱負荷均勻，并保證燃料能夠均勻的沉降到爐排上；同時選用合適的燃燒器和風口布置方式，使爐內有良好的空氣動力工況，防止火焰刷墻。對于已投運的生物質鍋爐防止結渣的主要措施是組織良好的爐內空氣流場，盡量在不改動水冷壁的情況下采取各種能降低燃燒器區域溫度水平、防止空氣氣流偏斜、貼壁沖墻的措施。對于循環流化床生物質鍋爐防止結渣的主要措施有：將生物質燃料與其他燃料進行混燒可有效緩解結渣的程度；加入添加劑提高灰分的軟化溫度可抑制結渣的趨勢；選用適當的床料和循環倍率等。
    由上所述可見，直燃發電層燃生物質鍋爐內組織良好的空氣流場是防止結渣的前提條件，研究爐內的空氣流場有著非常重要的意義。
1.4爐內空氣流場的數值模擬研究
    直接在鍋爐爐膛內進行試驗研究是組織爐內空氣流場的最佳方法，但是停爐時間短，而試驗研究耗時，而且受測量手段和測量技術的制約，很難全面測量整個爐內的空氣流場結構，尤其對大型鍋爐更是困難。隨著計算機容量和計算速度的大幅度提高，計算傳熱學、計算燃燒學、計算流體力學以及計算方法的日益完善，使得人們可以在計算機上通過數值模擬的方法，結合試驗研究和理論分析，更快、更經濟、更全面地設計大型鍋爐結構以及各種新型燃燒器，并對新設計的鍋爐、改進的鍋爐以及燃燒器進行結構特性分析和各種工況下的運行特性分析，組織良好的爐內空氣流場，提高鍋爐燃燒效率和燃燒火焰的穩定性、防止爐膛壁面結渣和高溫腐蝕。
1.4.1鍋爐爐內空氣流場數值模擬研究現狀
    世界各國都非常重視爐內流場的數值模擬研究，常用的模擬工具是功能強大的FLUENT軟件，該軟件優點突出，分析結果三維可視、直觀、清晰，特別適合速度場、壓力場、溫度場以及其它代計算變量的分析研宄及新產品的開發設計。目前，國內外運用FLUENT軟件模擬爐內空氣動力場的技術已經比較成熟，越來越多的人選擇它對鍋爐爐膛以及燃燒等進行數值模擬。法國杜埃礦業研究院工業能源實驗室在FLUENT平臺上對原型為600MW四角切圓燃燒鍋爐進行爐膛內冷態空氣動力場模擬，研究了經不同燃燒器送入的空氣在爐膛內的流動情況以及爐膛內的速度分布。清華大學熱能工程系的由長福等人分別運用了FLUENT提供的不同湍流模型對四角切圓燃煤鍋爐爐內冷態氣相流動進行了數值模擬。西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室借助FLUENT軟件平臺，在三種不同工況下對200MW四角切向燃燒煤粉鍋爐爐內空氣流動、傳熱以及燃燒進行了數值模擬，得到了爐膛內的速度場、溫度場分布，模擬的結果較為準確，為鍋爐的運行和改造提供了有力的參考依據。哈爾濱工業大學的邵一鳴等對670t/h燃煤鍋爐爐內冷態空氣動力場進行了數值模擬，得到了爐內空氣動力場的速度分布、靜壓力分布等，并把數值模擬的結果和實驗的結果對比，兩者比較吻合，說明數值模擬是可靠的。
    綜上所述，利用FLUENT模擬鍋爐爐內空氣動力場的技術還是比較成熟的，但研究的對象主要是煤粉鍋爐，關于生物質燃燒設備空氣流場的研究較少。由于生物質燃料和煤粉的燃燒特性有很大的區別，必須加強生物質燃燒設備空氣動力場的理論分析和試驗研究，為生物質燃燒設備的優化設計與高效運行提供科學的參考依據。因此開展生物質電站鍋爐爐內空氣流場的研究很有必要并且意義重大。
1.4.2鍋爐爐內空氣流場的數值模擬模型
    鍋爐爐內的氣流流動是非常復雜的三維湍流流動，近幾十年的時間里國內外的學者、專家對湍流進行了深入的研究，但由于湍流過程十分復雜，目前對湍流問題的研究仍處于探索其結構、機理和描述方法的階段。
    鍋爐爐內流場的數值模擬主要分為氣相湍流流動數值模擬和氣固兩相流動數值模擬。
    1)氣相流動的數值模擬
    目前氣相湍流模擬主要有直接數值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)、離散渦模擬
  (DVS)和雷諾時均方程出發的統觀模擬四種模型。
    直接數值模擬(DNS)：是在湍流尺度網格內不引入任何封閉模型前提下對Navier-Stokes (N-S)方程直接求解，這種方法能對湍流流動中最小尺度渦進行求解，要求大量的網格點和時間步長以達到統計的穩定狀態，因此，DNS僅用于雷諾數相對較低的湍流流動模擬。
    大渦模擬(LES)：基于網格尺度封閉模型及對大尺度渦進行直接求解N．S方程的大渦模擬方法可以模擬湍流發展過程中的一些細節，但由于其計算量仍很大，也僅僅用于比較簡單的剪切流動和管流。
    離散渦模擬(DVS)：DVS目前用來模擬湍流中大尺度粘附結構，可最直接運用于粘性效應可忽略的高雷諾數情況，能獲得混合層和尾渦中大尺度渦旋機理的本質，目前也得到了一定程度的運用。
    雷諾時均方程出發的統觀模擬：以上三種方法由于計算技術和自身的發展不夠成熟等因素的限制，運用到具有實際意義的工程中仍有相當困難。現在及未來一段時間內可用于工程上的模擬方法仍然是由雷諾時均方程出發的統觀模擬方法。這類模型是將雷諾時均方程及湍流特征量輸運方程中的高階未知關聯項用時均量來表達，從而使雷諾時均方程封閉，目前運用最廣的是k-E雙方程模型。
    2)氣固兩相流動數值模擬
    氣相流場中加入顆粒相，描寫兩相流動的運動參量與單相流動相比幾乎增加一倍，另外各相的體積濃度、分散相顆粒的大小、各相的物理性質和流動形態都有很大的變化，氣固兩相流模擬中顆粒相的模擬成為關鍵。目前兩相流的數值模擬主要有兩種方法：一種是把流體當作連續介質而把顆粒相作為離散體系，在拉格朗日坐標系下描述顆粒運動的軌道模型；另一種則是把流體作為連續介質，把顆粒相作為擬流體介質在歐拉坐標系下描述顆粒群運動的雙流體模型。氣固兩相模型又可具體分為：無滑移模型、軌道模型和雙流體模型。
    無滑移模型：這種模型不考慮相間的溫度和速度滑移，直接把單相流體的概念推廣到懸浮流中，把整個懸浮流看成一種單一流體，不需要顆粒的動量和能量方程，只需解顆粒群的質量方程，這種模擬方法的最大優點是簡單，但離實際情況相差較大，因而不適宜工程運用[27J。
    軌道模型：考慮了顆粒相與流體相的相互作用，易于描述單顆粒的復雜經歷，又可分為：確定軌道模型和隨機軌道模型。確定軌道模型不考慮顆粒的湍流擴散，通過引入隨機軌道或漂移速度修正軌道位置來反映顆粒擴散；隨機軌道法直接在拉格朗日坐標系下求解瞬態顆粒運動方程，考慮流體脈動對顆粒的作用，計算顆粒的隨機軌道和其變化經歷，一般認為流體湍流局部各向同性、脈動速度符合當地的高斯分布。
    雙流體模型把顆粒相看成與流體相占據同一空間而且相互滲透的擬流體，空間各點流體與顆粒都有各自不同的速度、溫度、體積分數和相對滑移。顆粒群有自身的質量、動量和能量的湍流輸運，顆粒相可按初始和當地尺寸分組，顆粒相的模擬是雙流體模型發展的核心。
1.5本文的主要工作
    1)計算原設計煤種和生物質燃燒特性參數，提出鍋爐燃燒系統初步改造方案。
    2)借助FLUENT軟件模擬鍋爐初步改造方案爐內冷態流場。
    3)提出初步改造方案的改進，并借助FLUENT軟件模擬改進方案后的爐內冷態流場，找到前后各噴口合理的角度，確定鍋爐改進方案。
    4)借助FLUENT軟件模擬不同風量配比條件下的爐內流場，找到優選的風量配比條件，最終確定鍋爐改造方案。
    5)借助FLUENT軟件提出鍋爐改造預備方案。
    6)完成配風系統改造后，對新系統的爐內冷態流場進行調試與實爐測試試驗研究，實際測量3個平面上的速度分布。通過火花示蹤顯示爐內實際流場，并進行生物質冷態噴吹試驗研究燃料粒子在爐排上的沉降均勻性。
1.6本章小結
     本章介紹了當前世界和我國的能源情況，生物質在能源中的地位、生物質發電的主要形式以及研究爐內流場的意義；介紹了課題來源，生物質直燃發電鍋爐面臨的主要問題，生物質燃燒過程中結渣的機理、危害和減少結渣的措施；強調了研究爐內空氣流場對于減少結渣的重要性，介紹了目前國內外爐內空氣流場數值模擬研究現狀和爐內空氣流場數值模擬的湍流模型。最后闡述了本文的主要工作和研究方法。
    三門峽富通新能源生產銷售生物質鍋爐，同時我們也銷售生產生物質顆粒燃料的顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質燃料成型機械設備。