一、鍋爐初步改造方案
生物質的燃燒特性與原設計煤種有很大的差別，鍋爐燃燒系統(tǒng)尤其是配風系統(tǒng)需要進行改造。本著不改動鍋爐受熱面、盡量保留原有鏈條爐排和爐膛結構的原則，改造項目包括：給料系統(tǒng)改造、風機改型、風道改造和完善監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)生物質燃料揮發(fā)分高的特點，要順利實現(xiàn)燃料轉換，必須大幅度減少爐排風量，同時大幅度增加直接進入爐膛的風量，加大二次風量（增加二次風噴口數(shù)目，并更換二次風機）。該初步方案由南京理工大學動力學院可再生能源利用課題組共同擬定。
（1）給料系統(tǒng)改造
拆除拋煤機和原有的原煤輸送機系統(tǒng)、更換料倉和送料裝置等，三個拋煤口改為三個一次風（給料風）口。
（2）送風機、引風機改型
考慮到改用生物質后，固有風量要增加8%左右，特別是考慮到需要將增加入爐風量作為爐膛出口煙溫的備用調節(jié)手段，入爐風量按爐膛出口煙溫調節(jié)幅度200℃計算，需要新增送風量約10000m
3/h，因此將送風機的風量選定為60000 m
3/h。
新增風量造成空氣預熱器阻力增加約1.8倍，總阻力增加約1.5倍，所以將送風機的風壓選定為300mmH
20 (2940Pa)，
根據(jù)送風量的增加，相應地，引風機的流量和壓頭也需要相應的提升。
（3）二次風機改型
更換燃料后，二次風的重要性進一步增加，它承擔著兩個重要任務：一是組織爐內流場強化可燃氣體的燃燒，這直接關系到q
3熱損失和鍋爐的燃燒效率；二是，二次風還擔負著調整火焰中心的任務，從經(jīng)濟性考慮，這是調節(jié)爐膛出口煙溫的首選措施。考慮到二次風的重要性，所以在新選型時必須給出較大的余量。考慮到二次風機的電耗特別高，確定其壓頭維持原數(shù)值600mmH
20 (5880Pa)，通過加大二次風道的口徑來維持較低的風道風速，風量提高到20000 m
3/h，改造前后的風機參數(shù)見下表：
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項目 |
名稱 |
改造前參數(shù) |
搞糟后參數(shù) |
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送風機 |
流量 |
50000 m3/h |
60000m3/h |
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壓頭 |
1960Pa |
2940 Pa |
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引風機 |
流量 |
80000m3/h |
95000m3/h |
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壓頭 |
1960 Pa |
2940 Pa |
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二次風機 |
流量 |
15000m3/h |
20000m3/h |
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壓頭 |
5880 Pa |
5880 Pa |
（4）風道改造
原鍋爐有三股風量：爐排風、播煤風和二次風。拆除拋煤機后，不再需要播煤風，而新增了一次風（給料風），所以改造后還是三股風量：爐排風、一次風（給料風）和二次風。由于入爐風量的增加，生物質的揮發(fā)分較高，為了強化爐內可燃氣體的燃燒，保留原二次風噴口中心點位置高度不變，增加二次風噴口數(shù)量，前二次風噴口數(shù)量由原來的7路增加到14路，并且等距離分布。后二次風由原來的7路增加到15路。爐排風道保留原有的系統(tǒng)不變。將原來的三個播煤口改為三個給料風口，即三股一次風口。各股風的噴口數(shù)量、噴口尺寸見下表，入爐風口示意圖如圖2.3和2.4所示。
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名稱 |
噴口數(shù)量（個） |
布置位置 |
噴口截面尺寸（mm） |
距爐排高度（mm） |
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前二次風 |
14 |
前墻 |
Ø54 |
1900 |
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一次風 |
3 |
前墻 |
600×150 |
1150 |
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后二次風 |
15 |
后墻 |
Ø54 |
800 |
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爐排風 |
8（風室數(shù)） |
爐排面 |
4000×4000 |
0 |
二、初步方案的爐內冷態(tài)流場數(shù)值模擬
（1） FLUENT軟件介紹
目前應用于模擬流體運動的數(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軟件對爐內空氣流場進行數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬的基本流程如下
采用GAHBIT軟件建立所研究對囊的三維模型→對三維模型進行網(wǎng)格劃分→將網(wǎng)格文件導入FLUENT分析軟件，選擇適當模型，設定邊界條件，初始化并進行跌選計算→改變各邊界條件的初始值，重新進行迭代計算，結果分析
FLUENT軟件的前置處理器主要是指GAMBIT軟件，它具有強大的網(wǎng)格生成能力，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1）完全非結構化的網(wǎng)格能力
GAMBIT能夠針對極其復雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結構化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格，且有數(shù)十種網(wǎng)格生成方法，能夠自動生成網(wǎng)格，從而大大減少了工作量。
2）網(wǎng)格的自適應技術
FLUENT采用網(wǎng)格自適應技術，可根據(jù)計算中得到的流場結果反過來調整和改進網(wǎng)格，從而使得計算結果更加準確。這是目前CFD技術中提高計算精度的最重要的技術之一，采用自適應技術能夠有效地捕捉到流場中的細微的物理現(xiàn)象，大大提高計算精度。
3）混合網(wǎng)格和附面層內的網(wǎng)格功能
GAMBIT提供了對復雜的幾何形體生成附面層內網(wǎng)格的重要功能。而且附面層內的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區(qū)域的網(wǎng)格自動銜接，大大提高了網(wǎng)格的質量。另外，GAMBIT能自動將四面體、六面體、三角柱和金字塔形網(wǎng)格自動混合起來，這對復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，針對逆壓梯度的RNGk．e模型和針對旋流的Realizable k模型。
FLUENT具有強大的后置處理功能，能夠完成CFD詩算所要求的功能，包括速度矢量圖、等值線圖、等值面圖、流動軌跡圖、并具有積分功能，對于用戶關心的參數(shù)和計算中的誤差可以隨時進行動態(tài)跟蹤顯示。
（2）FLUENT模型及其求解
1）鍋爐模型
由于本文計算的某電廠2#機組35t/h鍋爐結構比較復雜，本文對鍋爐爐膛及風道進行了以下合理的簡化和設定：
①忽略了風道內因實際施工需要時增加的不規(guī)則墻壁；
②風道內氣體低速流動，可視為不可壓縮流體，同時忽略由流體粘性力做功所引
起的耗散熱；
③爐膛內的流動為穩(wěn)態(tài)湍流：
④取爐膛水冷壁中心線所在平面為計算固體壁面；
⑤爐膛底部簡化為平底爐結構：
⑥滿足Boussinesq假設，認為流體密度的變化僅對浮升力產生影響：
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對爐膛三維實體進行網(wǎng)格劃分。對三維實體進行網(wǎng)格劃分是一項非常繁瑣的工作。網(wǎng)格劃分從總體上看有三種：結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格和半結構化網(wǎng)格。采用結構化網(wǎng)格對實體模型進行網(wǎng)格劃分時，可以人工控制任意方向的加密要求，但它卻無法適應爐膛和風口復雜的結構，其生成網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。這時GAMBIT提供了解決這一難題的方法，那就是采用非結構化網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格，采用非結構化網(wǎng)格對三維實體進行網(wǎng)格劃分，它有很強的適應性，能對任何具有復雜外形的實體進行四面體網(wǎng)格劃分，但采用這種網(wǎng)格，由于其三個方向尺度基本一致，很難像結構化網(wǎng)格那樣可以人工控制任意方向的加密程度，所以當某些地方需要加密網(wǎng)格時，將會導致整個區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量巨增，從而需要計算機有更大的內存，而且計算時間大幅度增加。對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分是計算機數(shù)值模擬計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)格劃分質量的好壞將直接影響到模擬結果的精度、模擬的可靠性以及模擬過程中的穩(wěn)定性和收斂性。對于具有復雜外形的三維實體，要想劃分出理想的網(wǎng)格是非常困難的。為了克服結構化網(wǎng)格自適應困難和非結構化網(wǎng)格導致不毖要的網(wǎng)格數(shù)巨增，本文采用半結構化網(wǎng)格對所計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，將系統(tǒng)分割成幾塊，再對每塊進行網(wǎng)格劃分，對復雜且需要加密網(wǎng)格的地方采用非結構化網(wǎng)格，提高網(wǎng)格的自適應性，而對流場內流動參數(shù)梯度變化較小的地方就采用結構化網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計算時間。
為了提高CFD對計算區(qū)域流體流動參數(shù)模擬的精度，在進行網(wǎng)格劃分時需遵循以下幾點：
①量采用結構化網(wǎng)格；
②網(wǎng)格節(jié)點的走向盡量與計算區(qū)域流場流線一致：
③在流場中流動參數(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)域用非結構化網(wǎng)格劃分，在爐膛中間至爐膛頂部區(qū)域用結構化網(wǎng)格劃分，所有風口區(qū)域采用結構化網(wǎng)格劃分，最終生成網(wǎng)格數(shù)在100萬左右，在內存為2G的計算機上可以進行計算處理。網(wǎng)格縱截面如圖2.7所示。
3）基本物理模型
對于三維、不可壓縮和穩(wěn)態(tài)的爐內氣相流動，標準的鬈一占湍流模型的通用微分方程式包括連續(xù)方程、動量方程、湍動能方程、湍動能耗散率方程和能量方程，為便于求解可在三維直角坐標系下寫成如下統(tǒng)一形式：
三門峽富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質顆粒燃料。
