生物质振动炉排炉燃烧过程建模及动态特性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23137

生物质振动炉排炉燃烧过程建模及动态特性分析

蒋海威¹, 高明明¹, 李杰¹, 于浩洋¹, 岳光溪², 黄中²

1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市昌平区 102206

2.清华大学能源与动力工程系, 北京市海淀区 100084

Modeling and Dynamic Characteristic Analysis of Combustion Process of Biomass Vibrating Grate Furnace

JIANG Haiwei¹, GAO Mingming¹, LI Jie¹, YU Haoyang¹, YUE Guangxi², HUANG Zhong²

1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijng 102206, China

2.Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China

收稿日期: 2023-10-30

基金资助:

国家自然科学基金项目. 62276096

Received: 2023-10-30

作者简介 About authors

蒋海威(1999)，男，硕士研究生，研究方向为循环流化床燃烧发电技术，798521814@qq.com；

高明明(1979)，男，博士，副教授，研究方向为发电过程智能测控技术与应用、人工智能与应用、新能源发电综合测控技术与应用，本文通信作者，gmm1@ncepu.edu.cn；

李杰(2000)，男，硕士研究生，研究方向为热电联产机组负荷优化分配，lijie925@ncepu.edu.cn；

于浩洋(1996)，男，博士研究生，研究方向为循环流化床机组智能运行优化，yuhaoyang0426@ncepu.edu.cn；

岳光溪(1945)，男，中国工程院院士，研究方向为热能工程、循环流化床，ygx-dte@tsinghua.edu.cn；

黄中(1983)，男，博士，研究员，研究方向为循环流化床燃烧理论与技术、燃烧过程的污染物控制，huangzhong@mail.tsinghua.edu.cn。

摘要

为探究生物质振动炉排炉的炉内燃烧特性，实现机组燃烧过程的控制优化，通过对生物质燃料特性以及燃烧机理的分析，建立炉排炉燃烧过程的机理模型，研究炉排燃料量的动态变化，并预测炉膛温度、烟气含氧量等关键参数，探讨炉排的周期性振动对炉内燃烧状态的影响。结果表明：炉排燃料量与当前给料速度、燃料燃烧速度相关，且燃料在炉排上有较大的存储量，导致燃料着火燃烧与当前给料存在较大的迟延；炉膛温度与烟气含氧量的预测值能较好地跟随实测值的变化，其变化情况与燃烧特性一致；炉排的周期性振动会引起炉内燃烧状态的周期性变化，当炉排振动时，燃料燃烧速度、炉膛温度、炉膛压力都会随之升高，而烟气含氧量则有所降低，随着炉排的停振，这些参数又恢复到稳态水平。

关键词： 火力发电 ; 生物质直燃发电 ; 炉排炉 ; 燃烧特性 ; 动态特性

Abstract

In order to explore the combustion characteristics of the biomass vibrating grate furnace and realize the control and optimization of the unit combustion process, the mechanism model of the grate combustion process was established through the analysis of the biomass fuel characteristics and combustion mechanism. Moreover, the dynamic change of the grate fuel amount was studied, and the key parameters such as furnace temperature and flue gas oxygen content were predicted. The influence of periodic vibration of grate on combustion state in furnace was discussed. The results show that the amount of fuel in the grate is related to the current feed rate and fuel burning rate. The fuel has a large storage capacity on the grate, which leads to a large delay between the fuel burning and the current feeding. The predicted values of furnace temperature and flue gas oxygen content can follow the measured values well, and their changes are in accord with the combustion characteristics. The periodic vibration of the grate will cause the periodic change of the combustion state in the furnace. When the grate vibrates, the fuel combustion speed, furnace temperature, furnace pressure will increase, and the oxygen content of the flue gas will be reduced. As the vibration of the grate stops, these parameters return to the steady state level.

Keywords： thermal power ; biomass direct combustion power generation ; grate furnace ; combustion characteristics ; dynamic characteristics

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本文引用格式

蒋海威, 高明明, 李杰, 于浩洋, 岳光溪, 黄中. 生物质振动炉排炉燃烧过程建模及动态特性分析. 发电技术[J], 2024, 45(2): 250-259 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23137

JIANG Haiwei, GAO Mingming, LI Jie, YU Haoyang, YUE Guangxi, HUANG Zhong. Modeling and Dynamic Characteristic Analysis of Combustion Process of Biomass Vibrating Grate Furnace. Power Generation Technology[J], 2024, 45(2): 250-259 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23137

0 引言

近年来，我国新能源发展势头迅猛，持续快速发展的新能源电力已超出电网的承载能力，如何将新能源规模化消纳成为我国电力系统亟待解决的问题^[1-5]。火力发电在传统能源中占比最多，调峰潜力巨大^[6]。生物质直燃发电作为重要的火力发电技术，研究其动态特性可以深度挖掘生物质直燃锅炉的运行特性，为新型电力系统的灵活运行提供重要支撑。

生物质直燃发电燃料丰富且分布地域广泛，因其具有零碳排、低污染、可再生等特点^[7-10]，使得生物质直燃发电技术得到了飞速发展^[11]。根据燃烧方式的不同，生物质直燃锅炉主要分为循环流化床锅炉和炉排锅炉^[12]。炉排炉直燃发电技术因其建设成本投入率低、燃料适应性强、工艺流程简单等优势^[13-14]，得到了广泛推广和应用。然而，生物质炉排炉在运行过程中还面临着烟气飞灰含碳量高、污染物排放浓度高、燃烧效率低等挑战，同时生物质燃料的元素组成和特性也使得炉内燃烧系统容易发生积灰和腐蚀现象^[15-18]，限制了机组灵活性运行。因此，在“双碳”背景下，深入探究生物质炉排炉的燃烧特性并挖掘其内部特性具有重要意义。

由于燃料在炉排上的燃烧受到炉膛内部环境以及燃料性质等影响，因此了解炉排上燃料的燃烧过程对于机组控制和燃烧优化尤为重要。文献[19-21]通过建立生物质炉排炉计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模型，系统地模拟了生物质炉排炉的燃烧过程，并分析了炉排上颗粒运动和颗粒温度、密度、组分等参数的分布情况。针对实际运行中的生物质炉排炉燃料波动和适应性问题，贾卫卫等^[22]模拟了130 t/h往复式水冷炉排炉在燃烧不同种类生物质燃料时的燃烧状态过程及污染物的排放特性。Razmjoo等^[23]研究了4 MW炉排炉在燃料湿度突变时的燃烧特性。为保证生物质燃料锅炉的稳定燃烧，必须控制锅炉传热面的结渣和固体沉积^[24]。陆燕宁等^[25]针对生物质锅炉水冷壁腐蚀严重、屏式过热器积灰以及NO _x 排放浓度高等问题，提出了二次风与再循环烟气掺混燃烧的方法。王泽鹏^[26]提出一种轻型燃机和生物质炉排型锅炉耦合的系统，不仅提高了机组的发电效率，还有效缓解了生物质炉排炉内结焦、结渣和烟气中NO _x 排放超标等问题。Vakkilainen^[27]在60 MW锅炉中直接燃烧各尺寸生物质颗粒，研究结果表明，若固体燃料性质不变，则炉排燃烧是一种低成本的燃烧方式。

目前，国内外对生物质振动炉排炉燃烧过程的动态机理建模研究较少，大多数研究集中在燃烧过程的CFD数值模拟，入炉燃料量及其组分含量的波动、适应性，污染物的排放，以及炉膛受热面的积灰腐蚀等方面。生物质振动炉排炉的燃烧机理建模与常规燃煤锅炉有很大不同，不仅要考虑燃料成分和燃烧过程的差异，还要考虑给料系统的不稳定、燃料各组分含量的波动等因素^[28]对机组热负荷的影响。因此，为了优化生物质振动炉排炉的燃烧控制，进而提高机组发电效率，有必要对其炉内燃烧过程进行系统建模。

本文通过分析生物质燃料特性及其燃烧过程，建立了能够预测炉排燃料量、炉膛温度、烟气含氧量等关键状态参数的动态数学模型，通过与某130 t/h生物质振动炉排炉的历史运行数据进行对比，验证了模型的有效性和准确性。此外，为深入研究炉内燃烧过程的动态特性，进一步分析了炉排周期性振动对炉内燃烧状态的影响。

1 燃烧机理分析

根据生物质燃料的燃烧特性，将入炉燃料的燃烧过程分为以下3个阶段：水分蒸发、挥发分析出并燃烧、即燃碳燃烧。其中：挥发分是气相燃烧，能快速释放热量；即燃碳是固相燃烧，其燃烧比较缓慢。生物质燃料进入炉膛后，随着炉排的周期性振动在炉排上逐渐分散，按照干燥区、燃烧区、燃尽区的顺序^[29]燃烧。其中：干燥区主要是吸收热量、蒸发水分；燃烧区主要是挥发分析出和燃烧；燃尽区主要是即燃碳的完全燃烧，最后形成灰渣排出。生物质燃料燃烧过程如图1所示。

图1

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图1 生物质燃料燃烧过程

Fig. 1 Biomass fuel combustion process

相比于燃煤机组，生物质振动炉排炉机组容量较小^[30]；同时燃料中挥发分含量较高，而即燃碳含量较低，且燃料水分含量不确定，对燃料热值的分析受到燃料燃烧不稳定性的影响^[28]。另外，随着炉排的振动，炉内会出现周期性的爆燃现象，对于炉内燃烧状况以及炉膛负压的影响较大。因此，为了简化模型，不考虑将生物质燃料的燃烧分为挥发分的燃烧和即燃碳的燃烧，而将二者统称为炉内燃料的燃烧。

2 数学模型

2.1 给料模型

由于生物质燃料的密度较低且颗粒大小不均，在线监测锅炉的给料量具有一定难度，因此需要对锅炉给料量进行估算。生物质振动炉排炉采用多台螺旋给料机给料，螺旋给料机的给料量与其转速、燃料堆积密度相关。假定燃料的种类不发生改变，其给料量计算式如下：

B_{i n, i} = K_{1} N_{i} ρ_{d}

(1)

式中： $B_{i n, i}$ 为第i台给料机给料量，kg/s； $K_{1}$ 为比例系数，其由螺旋给料机型决定； $N_{i}$ 为第i台给料机转速，r/s； $ρ_{d}$ 为堆积密度，kg/m³。

所研究的机组采用4台螺旋给料机进行给料，则总给料量计算式如下：

F_{b} = \sum_{i = 1}^{4} B_{i n, i}

(2)

2.2 燃烧模型

振动炉排上有一定量的燃料储存，新加入的燃料是为了补充燃烧消耗的燃料。据此对炉排上当前的燃料量进行动态平衡分析，可以得到如下炉排燃料量模型^[29]：

\frac{d B}{d t} = F_{b} - B_{r} (1 - A_{a r}) - D

(3)

式中：B为炉排当前燃料总量，kg；B_r为炉膛燃料燃烧速度，kg/s；A_ar为生物质燃料的收到基灰分质量分数，%；D为灰渣量，kg/s，其与炉排振动信号相关，只有炉排振动时，灰渣才会随着炉排的振动掉入落渣口，其计算式为

D = f (t) A_{a r} B_{r}

(4)

式中f(t)为与炉排振动信号相关的函数，当炉排停振时，其值为0。

燃料燃烧速度B_r受到炉排上燃料总量、氧气浓度、炉膛温度的影响，具体关系式如下：

B_{r} = K_{2} C_{O_{2}} B k_{s}

(5)

式中：K₂为燃烧系数，其值与燃料颗粒粒径、密度相关； $C_{O_{2}}$ 为氧气浓度，mol/m³；k_s为燃烧的反应速率系数，其为氧气扩散速率k_g和燃料化学反应速率k_c的函数，即

k_{s} = (1 / k_{g} + 1 / k_{c})^{- 1} = [d_{c} / (s h D_{g}) + 1 / k_{c}]^{- 1}

(6)

式中：sh为舍伍德数；D_g为氧气扩散系数，m²/s；d_c为颗粒平均粒径，m。

燃料化学反应速率k_c的计算式如下：

k_{c} = A T e x p [- E / (R T)]

(7)

式中：A为频率因子；T为炉膛温度，K；E为表观活化能，kJ/mol；R为气体常数，kJ/(mol⋅K)。

炉内氧气浓度与总送风量线性相关^[31]，而机组负荷是影响入炉总送风量与炉内氧气浓度相关系数的主要因素。考虑到炉膛内部会随着炉排振动而出现爆燃现象，需要对炉内氧气浓度进行修正，其计算式如下：

C_{O_{2}} = K_{O_{2}} A_{i r} = K_{3} W^{σ} A_{i r}

(8)

式中： $K_{O_{2}}$ 为氧气浓度与总送风量的相关系数；A_ir为标准状态下总送风量，m³/s；K₃为氧气浓度修正系数；W为机组负荷，MW；σ为负荷指数。

2.3 热量模型

炉内热量主要来自入炉生物质燃料的燃烧放热，忽略炉内传热损失，炉内热量主要流向汽水吸热、排渣以及烟气，炉内的蓄热量主要集中在炉排燃料和水冷壁上，并且这2部分的蓄热量会直接影响炉膛温度。根据以上分析，入炉生物质燃料的燃烧放热量表示为

Q_{r} = B_{r} Q_{n e t}

(9)

式中Q_net为生物质燃料热值，MJ/kg。

在机组实际的运行过程中，水冷壁吸热量Q_t与机组负荷W线性相关^[32]，其计算式如下：

Q_{t} = K_{4} W

(10)

式中K₄为水冷壁吸热量与机组负荷的比例系数，考虑到生物质振动炉排炉机组负荷波动较小，可将K₄视为常数。

根据炉内能量守恒，建立炉内能量平衡方程：

C_{S} M_{S} \frac{d T}{d t} = Q_{r} - Q_{t} - Δ h_{a i r} A_{i r} - Q_{p z}

(11)

式中：C_S为床料比热容，MJ/(t⋅℃)；M_S为炉内物料质量，t；∆h_air为风量焓值变化，MJ/m³；Q_pz为排渣损失的热量，MJ。

为了简化模型，在实际的计算过程中将炉排燃料的温度变化以及水冷壁的吸热量看作一个整体，考虑两者之和是锅炉的有效利用热量，以此对式(11)进行简化，简化后的守恒方程如下：

C_{S} M_{S} \frac{d T}{d t} = Q_{r} φ - Q_{t}

(12)

式中φ为锅炉热效率，%。

2.4 烟气含氧量模型

生物质燃料主要元素包括C、H、O、N、S，其燃烧产物为CO₂、H₂O、NO _x 、SO₂及未完全燃烧的CO等。由于生物质燃料中N、S元素含量极低，其对烟气量的影响较小，故忽略烟气中N、S的氧化物，则燃料燃烧过程中的主反应简化如下：

C H_{x} O_{y} + O_{2} \to λ C O_{2} + (1 - λ) C O + H_{2} O

(13)

式中燃烧转换系数λ为CO₂与O₂反应速率之比。

从C元素守恒的角度来看，无论燃烧后全部生成CO₂，还是CO₂、CO同时存在，C元素燃烧的产物总体积是不变的，因此在烟气量的计算中可以考虑C元素全部转化为CO₂。然而不同比重的CO和CO₂会对耗氧量的计算产生影响，为了计算烟气含氧量，还需对CO和CO₂的生成量进行精确计算。C元素反应机理如下：

ϕ C + (ϕ - 1 / 2) O_{2} \to C O + (ϕ - 1) C O_{2}

(14)

式中：ϕ为燃烧转换系数，表示C元素与CO反应速率之比(r(C)/r(CO))，其与炉膛温度相关^[33]，即

ϕ = \frac{2 + 6.45 e x p (- 3_{} 390 / T)}{1 + 4.3 e x p (- 3_{} 390 / T)}

(15)

生物质燃料燃烧的产物中，CO、CO₂来自燃料中C元素燃烧，H₂O来自H元素氧化以及燃料中所含水分。假设烟气中N₂不参与炉内的氧化还原反应，只作为惰性气体存在，则可根据生物质燃料的组成和燃烧反应方程式计算燃烧产物的生成量 $V_{C O}$ 、 $V_{C O_{2}}$ 、 $V_{H_{2} O}$ 、 $V_{O_{2}}$ ，具体的计算式如下：

V_{C O} = (1 / ϕ) \cdot (C_{a r} / 100) \cdot (22.4 / 12) \cdot F_{b}

(16)

V_{C O_{2}} = (1 - 1 / ϕ) \cdot (C_{a r} / 100) \cdot (22.4 / 12) \cdot F_{b}

(17)

V_{H_{2} O} = (\frac{H_{a r}}{100} \cdot \frac{22.4}{2} + \frac{M_{a r}}{100} \cdot \frac{22.4}{18}) \cdot F_{b}

(18)

V_{N_{2}} = 0.79 A_{i r}

(19)

\begin{array}{l} V_{O_{2}} = 0.21 A_{i r} - V_{C O_{2}} - 0.5 V_{C O} - \\ 0.5 V_{H_{2} O} + (O_{a r} / 100) \cdot (22.4 / 32) \cdot F_{b} \end{array}

(20)

式中C_ar、H_ar、O_ar、M_ar分别为生物质燃料收到基C、H、O元素和水分的质量分数，%。

综上，可计算得到烟气中氧气的体积分数：

Y_{O_{2}} = (0.21 A_{i r} - V_{O_{2}}) / (\sum V_{i})

(21)

式中V_i 为烟气中各生成物的体积，m³。

3 仿真验证

3.1 机组简介

本文以一台130 t/h生物质振动炉排高温高压蒸汽锅炉为研究对象，其结构如图2所示。该锅炉属于高温高压的自然循环锅炉，具有单锅筒、单炉膛、平衡通风、固态排渣等特点，采用“M”型结构，利用水冷振动炉排进行生物质燃料的有效燃烧，炉膛和过热器均采用全封闭的膜式壁结构，以提高换热效率和降低污染物排放。锅炉尾部竖井内设有省煤器和烟气冷却器，以回收余热和降低排放温度。空气预热器布置在锅炉外部，通过给水加热的方式提高空气温度和锅炉效率。

图2

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图2 生物质振动炉排炉结构

Fig. 2 Biomass vibrating grate furnace structure

此外，该机组采用生物质作为燃料，额定入炉燃料量为35 t/h，入炉燃料粒径小于150 mm。生物质燃料低位发热量为12 070 kJ/kg，其挥发分质量分数较高(69.32%)，而即燃碳质量分数较低(2.75%)，燃料元素分析及工业分析如表1所示。

表1 入炉燃料元素分析及工业分析 (%)

Tab. 1 Elemental analysis and industrial analysis of fuel in furnace

元素分析					工业分析
C_ar	H_ar	O_ar	N_ar	S_ar	F_Car	V_ar	M_ar	A_ar
41.52	4.12	24.60	1.70	0.13	2.75	69.32	14.20	13.73

注：N_ar、S_ar分别为生物质燃料收到基N、S元素的质量分数；F_Car、V_ar、A_ar分别为生物质燃料收到基固定碳、挥发分、灰分的质量分数。

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3.2 炉排燃料量、炉膛温度及烟气含氧量预测

根据式(1)—(21)在MATLAB软件上搭建仿真模型，取机组200 min的历史数据作为输入，采样时间为30 s。通过仿真实验得到当前机组炉排上燃料量的实时监测值，以及炉膛温度、烟气含氧量的预测值。

通过上述建模分析可知，为保证机组负荷的稳定，需控制当前入炉燃料量与炉内燃料燃烧消耗之间的平衡，即维持炉排上实时燃料量的稳定。为了验证所建模型的有效性，对机组给料速度和炉内燃烧速度进行仿真计算，结果如图3所示。

图3

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图3 给料速度与燃烧速度对比

Fig. 3 Comparison of feed speed and combustion speed

由仿真运行数据可知，给料与燃料着火燃烧存在5 min左右的延迟。实际上，燃料由螺旋给料机输送至炉膛的高侧炉排，经过炉内高温加热后，燃料内部所含水分被蒸发，随后燃料在炉排振动的作用下移动至中侧炉排并开始燃烧，燃料从进入炉膛到燃烧的过程需要一定的响应时间。由此可见，模型仿真结果与锅炉实际运行结果相符，从而验证了模型的有效性。

炉排上的燃料量是反映炉内燃烧状况的关键变量，其与炉内燃烧速度、当前给料速度密切相关，若两者不平衡，炉排上的实时燃料量就会出现波动。炉排燃料量及其影响因素如图4所示，可以看出，当给料量增大时，炉排燃料量开始积累，若积累过多，燃烧速度就会加快，炉排燃料量又开始减少。此外，当炉排振动时，炉内燃烧加剧，炉排燃料量也会减少。炉排燃料量的变化相较于给料量以及燃料着火燃烧的变化有一定时间的延迟。

图4

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图4 炉排燃料量及其影响因素

Fig. 4 Grate fuel quantity and its influencing factors

炉膛温度是生物质振动炉排炉运行过程中的一个重要控制参数。与常规燃煤机组相比，生物质燃料中水分含量较高，导致生物质振动炉排炉的炉膛温度较低，基本在800 ℃以下。此外，由于入炉燃料各组分含量的变化、入炉燃料量的波动，以及炉排的振动，炉膛内会周期性地出现爆燃现象，导致生物质振动炉排炉的燃烧过程不太稳定，因此炉膛温度有较大的波动。

炉膛温度模型预测值和实测值对比如图5所示，可以看出，二者的变化趋势较为相似，预测值能够在较长时间内反映炉膛温度的实际变化。预测值和实测值的平均相对误差为2.17%，最大相对误差为7.00%，误差在可接受范围内，从而验证了模型的准确性。为了降低炉膛温度的测量误差，将当前时刻温度及其前后各5个点的算术平均值当作滤波后的炉膛温度，从而消除燃料瞬时变化对炉膛温度的干扰，使得滤波后的炉膛温度更符合模型的预测。

图5

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图5 炉膛温度预测值与实测值对比

Fig. 5 Comparison of predicted and measured values of furnace temperature

烟气含氧量的模型预测值和实测值对比如图6所示，可以看出，模型预测值能够较好地反映实测值的变化规律，并且与实测值基本保持在一个相近的水平，二者的平均相对误差为0.78%，最大相对误差为5.03%，误差较小，从而验证了上述燃烧机理的合理性。此外，烟气含氧量受到总风量和入炉燃料量的影响，当入炉燃料量波动较大以及炉内燃烧不稳定时，燃烧所需的氧量也会随之变化，而总风量不能及时调节以适应这种变化，导致过量空气系数的快速变化，进而影响了烟气含氧量的稳定性。

图6

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图6 烟气含氧量预测值与实测值对比

Fig. 6 Comparison of predicted and measured values of oxygen content in flue gas

3.3 炉排振动对炉内燃烧的影响

在生物质振动炉排炉运行过程中，为了提高机组燃烧效率，需要根据生物质燃料的种类以及炉内燃烧状况调整炉排的振动参数，使炉排能够均匀地输送燃料，避免堵塞或空隙。当燃料少时，应该减少炉排的振动时间和振动幅度；当燃料多时，应该增加炉排的振动时间和振动幅度。但炉排振动时间、振动幅度与燃料燃烧速度、炉膛温度、炉膛压力、烟气含氧量的升降幅度关系不明确。为深入研究生物质燃料在炉内的燃烧过程，从而对炉排振动周期、停振时间等参数做出精准调整，需要具体分析炉排振动对炉内燃烧的影响。

本文仿真分析的历史运行数据中，炉排振动周期为225 s，其中振动时间为30 s，停振时间为195 s。炉排的周期性振动会导致其炉内燃料的燃烧速度、炉膛温度、炉膛压力以及烟气含氧量等燃烧状态参数发生周期性变化。

3.3.1 炉排振动对燃烧速度的影响

炉排振动使生物质燃料在炉排上不停翻滚，增大了灰层扩散阻力系数和燃料燃烧的反应速率系数，因此燃料的燃烧速度会周期性地增大。此外，根据上述建模分析，燃料燃烧速度与炉排上实时燃料量也密切相关。随着炉排振动，进入炉膛的燃料逐渐分布在炉排上，增加了当前炉排燃料量，同时增大了燃料孔隙率，使其与空气接触面积增大，进而加快了炉内燃烧速度。由于炉排振动前一次风阀门开度会提前减小以保证炉膛负压，使得炉排风量较小，不能及时供氧助燃，导致燃料燃烧速度的增大有十几秒的延迟。炉排振动对燃烧速度的影响如图7所示，可以看出，当炉排振动后，燃烧速度明显增大，之后随着燃料的逐渐燃尽，炉排上灰渣的堆积阻碍了燃料燃烧，燃烧速度逐渐下降。

图7

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图7 炉排振动对燃烧速度的影响

Fig. 7 Influence of grate vibration on combustion rate

3.3.2 炉排振动对炉膛温度的影响

炉排振动引起炉膛温度的变化情况如图8所示，可以看出，每次炉排振动都会使炉膛温度升高，这是由于炉内燃料的燃烧速度随着炉排振动而周期性增大，从而导致炉内燃料放热量骤增，而炉内水冷壁的吸热过程则较为缓慢，使得炉膛温度显著升高。之后随着炉排的停振，燃料燃烧速度减缓，炉内燃料放热量随之减小，同时伴随着水冷壁吸收热量，炉膛温度逐渐下降。当炉内燃料放热量和汽水吸热量达到新的平衡时，炉膛温度也恢复到稳定的状态，直到炉排再次振动，炉膛温度又进入下一个波动周期。

图8

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图8 炉排振动对炉膛温度的影响

Fig. 8 Influence of grate vibration on furnace temperature

3.3.3 炉排振动对炉膛压力的影响

炉膛压力是反映锅炉燃烧状态的一个重要参数，炉排振动引起炉膛压力的变化情况如图9所示。当炉排停振时，炉膛内燃料的燃烧状况相对稳定，炉膛压力也比较稳定。当炉排振动时，炉排上的燃料被抛到空中，与空气充分混合后剧烈燃烧，生成大量的气体，但风烟系统来不及调节，使得炉膛压力瞬间增大。同时，炉排振动也会改变炉排风阻，进而影响炉排风量的大小，使炉排压力发生周期性波动，炉膛压力也随之变化。

图9

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图9 炉排振动对炉膛压力的影响

Fig. 9 Influence of grate vibration on furnace pressure

3.3.4 炉排振动对烟气含氧量的影响

炉排振动引起烟气含氧量的变化情况如图10所示，保证一定的烟气含氧量是保证炉内高效燃烧的关键，而燃料的充分燃烧可以保证一定的烟气含氧量。为提高燃料的燃烧效率，需要在炉排振动时增加炉排风量，使炉排上的燃料能够与空气充分混合。由于炉排上有未完全燃烧的燃料和灰渣，会影响炉排风的流动。当炉排振动时，这些物质会被抛离炉排，从而减小对炉排风的阻碍，因此在实际运行中，需要在炉排振动之前降低一次风阀门的开度，以维持炉膛压力的稳定，此时进入到炉内的炉排风量降低；同时，炉排振动导致炉排燃料孔隙率增大，使燃料与空气接触面积增大，燃烧加剧，从而降低了烟气含氧量。反之，随着炉排的停振，生物质燃料以及灰渣再次落到炉排上，对炉排风产生的阻力增大，一次风阀门开度提前增大，炉排风量增加，同时燃烧速度降低，耗氧量减少，烟气含氧量又有所升高。

图10

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图10 炉排振动对烟气含氧量的影响

Fig. 10 Influence of grate vibration on oxygen content in flue gas

4 结论

建立了生物质振动炉排炉燃烧过程模型，包括炉排燃料量、炉膛温度、烟气含氧量等预测模型，并对炉排振动引起的炉内燃烧状态参数的周期性变化进行了分析，得到以下结论：

1）炉排上燃料的动态变化过程、实时存量与当前给料速度、燃料燃烧速度相关，当两者不平衡时，炉排上的实时燃料量会出现波动。同时，通过模型仿真分析可知，给料与燃料着火燃烧存在5 min左右的延迟。此外，炉膛温度、烟气含氧量模型的预测值和实测值变化趋势基本一致，平均相对误差分别为2.17%和0.78%，误差较小，表明所建模型的预测值能较好地反映实测值的变化规律。

2）炉排的振动会周期性地增加炉内燃料的反应速率以及炉排燃料量，使炉膛温度和压力呈现周期性波动；同时，炉排的振动降低了炉排风阻，为保证炉膛负压稳定，需降低炉排风量，从而降低烟气含氧量。当炉排停止振动时，燃料的反应速率以及炉排燃料量减小，炉膛温度和压力逐渐恢复稳定，烟气含氧量也回到正常水平。

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黄畅，颜逸贤，白尧，等．

促进风电消纳的太阳能-燃煤热电联产系统性能研究

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