一、锅炉初步改造方案
生物质的燃烧特性与原设计煤种有很大的差别，锅炉燃烧系统尤其是配风系统需要进行改造。本着不改动锅炉受热面、尽量保留原有链条炉排和炉膛结构的原则，改造项目包括：给料系统改造、风机改型、风道改造和完善监测系统。根据生物质燃料挥发分高的特点，要顺利实现燃料转换，必须大幅度减少炉排风量，同时大幅度增加直接进入炉膛的风量，加大二次风量（增加二次风喷口数目，并更换二次风机）。该初步方案由南京理工大学动力学院可再生能源利用课题组共同拟定。
（1）给料系统改造
拆除抛煤机和原有的原煤输送机系统、更换料仓和送料装置等，三个抛煤口改为三个一次风（给料风）口。
（2）送风机、引风机改型
考虑到改用生物质后，固有风量要增加8%左右，特别是考虑到需要将增加入炉风量作为炉膛出口烟温的备用调节手段，入炉风量按炉膛出口烟温调节幅度200℃计算，需要新增送风量约10000m
3/h，因此将送风机的风量选定为60000 m
3/h。
新增风量造成空气预热器阻力增加约1.8倍，总阻力增加约1.5倍，所以将送风机的风压选定为300mmH
20 (2940Pa)，
根据送风量的增加，相应地，引风机的流量和压头也需要相应的提升。
（3）二次风机改型
更换燃料后，二次风的重要性进一步增加，它承担着两个重要任务：一是组织炉内流场强化可燃气体的燃烧，这直接关系到q
3热损失和锅炉的燃烧效率；二是，二次风还担负着调整火焰中心的任务，从经济性考虑，这是调节炉膛出口烟温的首选措施。考虑到二次风的重要性，所以在新选型时必须给出较大的余量。考虑到二次风机的电耗特别高，确定其压头维持原数值600mmH
20 (5880Pa)，通过加大二次风道的口径来维持较低的风道风速，风量提高到20000 m
3/h，改造前后的风机参数见下表：
|
项目 |
名称 |
改造前参数 |
搞糟后参数 |
|
送风机 |
流量 |
50000 m3/h |
60000m3/h |
|
压头 |
1960Pa |
2940 Pa |
|
引风机 |
流量 |
80000m3/h |
95000m3/h |
|
压头 |
1960 Pa |
2940 Pa |
|
二次风机 |
流量 |
15000m3/h |
20000m3/h |
|
压头 |
5880 Pa |
5880 Pa |
（4）风道改造
原锅炉有三股风量：炉排风、播煤风和二次风。拆除抛煤机后，不再需要播煤风，而新增了一次风（给料风），所以改造后还是三股风量：炉排风、一次风（给料风）和二次风。由于入炉风量的增加，生物质的挥发分较高，为了强化炉内可燃气体的燃烧，保留原二次风喷口中心点位置高度不变，增加二次风喷口数量，前二次风喷口数量由原来的7路增加到14路，并且等距离分布。后二次风由原来的7路增加到15路。炉排风道保留原有的系统不变。将原来的三个播煤口改为三个给料风口，即三股一次风口。各股风的喷口数量、喷口尺寸见下表，入炉风口示意图如图2.3和2.4所示。
|
名称 |
喷口数量（个） |
布置位置 |
喷口截面尺寸（mm） |
距炉排高度（mm） |
|
前二次风 |
14 |
前墙 |
Ø54 |
1900 |
|
一次风 |
3 |
前墙 |
600×150 |
1150 |
|
后二次风 |
15 |
后墙 |
Ø54 |
800 |
|
炉排风 |
8（风室数） |
炉排面 |
4000×4000 |
0 |
二、初步方案的炉内冷态流场数值模拟
（1） FLUENT软件介绍
目前应用于模拟流体运动的数值模拟软件（CFD软件）主要有：FLUENT，STAR-CD，PHOENIX，ANSYS/FLOTRAN等，而其中最为广泛的就是FLUENT软件，本文就利用FLUENT软件对炉内空气流场进行数值模拟，其数值模拟的基本流程如下
采用GAHBIT软件建立所研究对囊的三维模型→对三维模型进行网格划分→将网格文件导入FLUENT分析软件，选择适当模型，设定边界条件，初始化并进行跌选计算→改变各边界条件的初始值，重新进行迭代计算，结果分析
FLUENT软件的前置处理器主要是指GAMBIT软件，它具有强大的网格生成能力，主要体现在以下几个方面：
1）完全非结构化的网格能力
GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，能够自动生成网格，从而大大减少了工作量。
2）网格的自适应技术
FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和改进网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前CFD技术中提高计算精度的最重要的技术之一，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。
3）混合网格和附面层内的网格功能
GAMBIT提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。而且附面层内的贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，GAMBIT能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要，既能保证了壁面的精度，又可以大大节省网格数目。
FLUENT软件包含了8种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，双方程的k-￡模型，雷诺应力模型和最新的大涡模型等），而每一种模型又有若干子模型。其中如k-￡模型包括鲁棒性较好的Standard k-e模型，针对逆压梯度的RNGk．e模型和针对旋流的Realizable k模型。
FLUENT具有强大的后置处理功能，能够完成CFD诗算所要求的功能，包括速度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图、并具有积分功能，对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。
（2）FLUENT模型及其求解
1）锅炉模型
由于本文计算的某电厂2#机组35t/h锅炉结构比较复杂，本文对锅炉炉膛及风道进行了以下合理的简化和设定：
①忽略了风道内因实际施工需要时增加的不规则墙壁；
②风道内气体低速流动，可视为不可压缩流体，同时忽略由流体粘性力做功所引
起的耗散热；
③炉膛内的流动为稳态湍流：
④取炉膛水冷壁中心线所在平面为计算固体壁面；
⑤炉膛底部简化为平底炉结构：
⑥满足Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响：
所建立的模型如图2.6。
2）网格划分
本文采用专用网格划分软件GAMBIT对炉膛三维实体进行网格划分。对三维实体进行网格划分是一项非常繁琐的工作。网格划分从总体上看有三种：结构化网格、非结构化网格和半结构化网格。采用结构化网格对实体模型进行网格划分时，可以人工控制任意方向的加密要求，但它却无法适应炉膛和风口复杂的结构，其生成网格为六面体网格。这时GAMBIT提供了解决这一难题的方法，那就是采用非结构化网格，即四面体网格，采用非结构化网格对三维实体进行网格划分，它有很强的适应性，能对任何具有复杂外形的实体进行四面体网格划分，但采用这种网格，由于其三个方向尺度基本一致，很难像结构化网格那样可以人工控制任意方向的加密程度，所以当某些地方需要加密网格时，将会导致整个区域的网格数量巨增，从而需要计算机有更大的内存，而且计算时间大幅度增加。对计算区域进行网格划分是计算机数值模拟计算中最为重要的一环，而且也是最难处理的一环。而网格划分质量的好坏将直接影响到模拟结果的精度、模拟的可靠性以及模拟过程中的稳定性和收敛性。对于具有复杂外形的三维实体，要想划分出理想的网格是非常困难的。为了克服结构化网格自适应困难和非结构化网格导致不毖要的网格数巨增，本文采用半结构化网格对所计算区域进行网格划分，将系统分割成几块，再对每块进行网格划分，对复杂且需要加密网格的地方采用非结构化网格，提高网格的自适应性，而对流场内流动参数梯度变化较小的地方就采用结构化网格，减少网格数量，节省计算时间。
为了提高CFD对计算区域流体流动参数模拟的精度，在进行网格划分时需遵循以下几点：
①量采用结构化网格；
②网格节点的走向尽量与计算区域流场流线一致：
③在流场中流动参数急剧变化的地方，网格尽量密集。
根据网格划分的基本原则，在炉排至炉膛中间的区域用非结构化网格划分，在炉膛中间至炉膛顶部区域用结构化网格划分，所有风口区域采用结构化网格划分，最终生成网格数在100万左右，在内存为2G的计算机上可以进行计算处理。网格纵截面如图2.7所示。
3）基本物理模型
对于三维、不可压缩和稳态的炉内气相流动，标准的鬈一占湍流模型的通用微分方程式包括连续方程、动量方程、湍动能方程、湍动能耗散率方程和能量方程，为便于求解可在三维直角坐标系下写成如下统一形式：
三门峡富通新能源销售生物质锅炉，生物质颗粒燃料。
