0 引言

社会经济的发展增大了人类对能源的需求，但化石能源的大量消耗带来严重的环境污染。作为一种清洁的可再生能源，生物质能的开发与研究倍受世界各国政府的关注。生物质的固化、液化以及燃烧技术是生物质开发的主要技术，由于生物质的挥发分和炭活性较高，S、N 及灰分含量都很低，燃烧过程可以实现 CO2零排放等，是一种优质燃料。生物质固体成型燃料是通过专门设备将秸秆、木屑等农业废弃物压缩成特定形状来增加其密度的固体燃料，具有高效、洁净、点火容易等优点，可替代煤炭等化石燃料用于民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域。生物质燃料的应用在世界各国日益广泛，截止到 2010 年世界生物质成型颗粒燃料的产量和消费量都已经超过了 800万 t。我国是农业大国，生物质资源也非常丰富，每年的资源总量相当于 6． 5 亿 t 标媒。因此，在我国发展生物质燃烧技术可以缓解温室效应，充分利用废弃生物质资源，且对现有的燃烧设备不需作较大改动，具有很大的经济意义。

生物质成型燃料的各种燃烧方式中，层燃燃烧是比较常见的燃烧方式，对燃料的形状和尺寸要求相对悬浮燃烧和流化床燃烧来说比较宽松，因此被广泛的应用于生物质燃烧方面。生物质层燃燃烧所使用的锅炉结构很简单、操作较为方便，但是过高的炉内温度会造成灰熔点较低的生物质燃料结渣，同时在燃烧过程中需要补充大量的空气，很难保证燃料的充分燃烧，还会影响锅炉的燃烧效率。此外，由于生物质燃料的物理化学特性不同于煤等普通化石燃料，需要对其层燃燃烧特性进行详细的研究。用数值模拟的方法来研究生物质成型燃料的层燃燃烧特性，具有操作简单、效率高和投资小等优点，已经成为最主要的研究方法。但是，用现有的生物质燃烧数学模型来模拟生物质的燃烧特性与实际现象还有误差，要想深入揭示生物质燃料的燃烧特性，研究分析其燃烧模型对指导锅炉的设计和运行具有重要的意义。

1 生物质层燃燃烧数值模型

1.1燃烧模型

生物质燃料本身的组成和结构的复杂性，使得生物的燃烧反应过程变得复杂。生物质固体成型燃料燃烧的反应步骤为:首先生物质含有的水分被蒸发;然后生物质被高温加热并发生热解;接着是反应产生挥发分和焦炭;最后一步为和焦炭与氧化剂的非均相反应和挥发分的气相反应。

1.1.1挥发分析出过程模型

生物质固体成型燃料的挥发分解过程较为复杂，按照数学模型中挥发分析出速率的不同，挥发分的析出模型可分为 3 种:单步反应模型、两步竞争反应模型和常速率反应模型。其中，两步竞争反应模型认为挥发分在低温与高温下析出性能是不同的，因此常被选用来进行数值模拟。

1.1.2 挥发分燃烧模型

由生物质的热解和非均相反应释放出来的气相产物，在锅炉内部的高温作用下主要为气相燃烧，因此生物质燃料在锅炉内燃烧时主要受到化学反应动力学和湍流脉动的影响。目前，常用的挥发分燃烧模型是统计分析法的混合分数—概率密度函数模型。

1.1.3焦炭燃烧模型

针对生物质颗粒的燃烧特性所建立的焦炭燃烧模型主要有扩散控制反应速率模型、动力学和扩散控制反应速率模型、多表面反应模型和渗透模型 4 种。其中，动力学和扩散控制反应速率模型通过将不同煤种的焦炭反应参数假定为常数来预测生物质的种类和颗粒直径及过量空气系数等燃烧参数对飞灰含碳量的影响;此外，还考虑了动力学和扩散对表面反应率的影响，这样与燃烧的真实情况比较接近。

1.2辐射换热模型

辐射换热是锅炉内燃烧传热最主要的换热形式，在工业锅炉中辐射换热所占的份额可高达 95%，因此要选择合适的数学模型来对辐射传热量进行准确地计算。在常见的几种辐射换热模型中，P － I 模型是运用球谐波法来进行计算的，不仅求解辐射能量方程时所需要的时间短且考虑了辐射散射的作用，对求解锅炉中的燃烧传热问题有很大的意义。

1.3离散相模型

在生物质固体成型燃料的燃烧过程是典型的气固两相流，描述多相流动常见的模型有 3 种:连续介质模型、颗粒轨道模型和颗粒拟流体模型。颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标系下对各组颗粒群沿各自轨道运动的过程进行分析，在欧拉坐标系下来处理气相场;然后将颗粒群的尺寸、温度、速度变化作为质量、能量及动量加入气相场来进行颗粒相与气相的耦合。因此，颗粒轨道模型常被选用来对生物质燃料的层燃燃烧模拟过程进行模拟。

2 国外生物质层燃燃烧模型的研究现状

2.1生物质层燃技术的应用现状

生物质直接燃烧技术在国外已得到了很大的发展和应用，被广泛地应用在农林废弃物的开发利用方面。美国自20 世纪30 年代起研究生物质成型燃料技术和相应的燃烧技术，目前已经建立了很多专业的燃烧设备和成型燃料加工厂。日本大约在 1983 年从美国引进了颗粒成型燃料技术及相应的燃烧设备，起步比较晚，但是已经迅速发展成了燃烧及压缩成型的工业体系。

丹麦早在1970 年就将生物质作为主要能源进行开发，到 2002 年已经生产了 50 台燃用木屑、75 台燃用秸秆和 25 台燃用生物质成型燃料的电站锅炉。ELSAM 公司还出资改造了 Bensen 型锅炉，改造后的锅炉采用两段式的方式进行加热，由 4 个并行的供料器同时供给锅炉物料;管道和炉膛内设置的纤维过滤器可以减轻烟气中的有害成分腐蚀和磨损设备，这种生物质锅炉运行稳定，取得了良好的经济效益。2008 年末，欧洲地区拥有 797 家生物质颗粒燃料生产企业和314 家燃烧设备生产企业，生物质颗粒燃料产量已经达到厂 757 万 t。目前，国外的燃烧器生产厂商具有代表性的是 ULMAAB、PE 和 LTECH LTD 等，生产的木质颗粒直径范围是 6 ～8mm，输出功率大约为12． 80kW，平均燃烧效率也都高于 85% 。

2.2生物质层燃燃烧模型的研究现状

R． P． Van der lans［13］建立了一个二维数学模型来对稻草在链条炉上的层燃燃烧特性进行研究，由模型得到的火焰锋面的传播速度等参数大体上与实验值相符。Thunman将燃料模化为均匀堆积的圆球并在此基础上开发出了生物质固定床的燃烧模型，该模型假设圆球为固相部分，圆球中间存在的空隙为气相部分，固相和气相的控制方程也不相同;运用模型计算得到的结果与实验数据相差不大，对研究燃烧过程中燃料干燥、热解、焦炭燃烧等不同阶段的反应情况具有很大的意义。Y． B． Yang等人对木材及芦苇、水稻秸秆等生物质的层燃燃烧特性进行了一系列的研究并取得了较好的成果:首先运用实验研究的方法测量出床层上部烟气成分、床层温度以及燃料质量的损失，以此计算出火焰传播速率和燃料的燃尽速率;然后改变风量和燃料的类型、大小，以此分析燃料特性和操作条件对燃烧参数的影响，据此建立相应的一维数学模型;为了判断燃料的结渣积灰是否严重，在实验过程中测定了 Na2O 和 K2O 的含量来对灰分进行分析，最后在一维模型的基础上开发出了固体废弃物和二维生物质燃烧模型 Flic，可以用来模拟床层的燃烧以预测燃烧的气体产物成分和温度。

巴威公司的 W．R． Livingston等人用小型桶状实验台通过分时间段给风来研究链条炉分仓给风和空气分级燃烧时的燃烧特性及 NOX的生成情况。其结论是:在不改变锅炉负荷和保持合理的过剩空气系数(≥20%)的情况下，使二次风占总风量的 20% 左右;通过调整一次风的流量(实际链条炉中的分仓送风)可以使实际链条炉的 NOX排放值在 400 ～450mg/Nm ( dry，at 6% O2)。Zhou H运用数值模拟的方法模拟固定床秸秆的燃烧以对 NO 的生成和减少的原因进行了重点研究。Kaer S． K通过建立床层数学模型并采用商业软件 CFX 对 33MW 秸秆炉排锅炉来进行数值模拟，结果表明，飞灰含碳量的增加是由炉内燃料的混合不好造成的。斯图加特大学过程与电站技术研究所在研究木材等生物质燃料的层燃燃烧特性时运用单元体炉的方法:首先测量炉内火焰锋面的传播速度、失重曲线和燃烧速率来研究生物质燃料着火和燃烧的主要影响因素;然后将数值模拟结果与实际层燃炉进行比较，设计出适合于生物质燃烧的锅炉。由于锅炉采用完全燃烧与空气分级燃烧相结合的方式，不仅可以使燃料充分燃烧以降低 CO、NO 的排放，还可提高锅炉的效率。

3 国内生物质层燃燃烧模型的研究现状

3.1生物质层燃技术的应用现状

在生物质层燃燃烧技术方面，我国的翟学民根据甘蔗渣的燃烧特点，研制出一种将燃烧室与辐射受热面分开布置的闭式炉膛结构的锅炉，甘蔗渣在炉内进行半悬浮半层燃燃烧，解决了甘蔗渣难着火的问题;反 L 型的炉膛形状和人字形布置的前后拱加强了高温烟气对甘蔗渣的辐射，可以降低锅炉的机械不完全燃烧损失以提高锅炉的效率。何育恒开发设计了一种可以完全燃烧木粉的层燃锅炉，该锅炉采取水火管倾斜炉排或固定炉排组装式锅炉。这种锅炉的优点是燃烧室独立在外，锅炉本体在上部，容易组装，炉膛内布置有防爆门，可以防止木粉爆燃;锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时不向炉外喷火，效果很好。马孝琴等人研制出了适合于生物质秸秆成型燃料燃烧的双胆反烧锅炉，也是以层燃的方式进行燃烧。采用这种结构不仅可使秸秆成型燃料连续稳定燃烧，还可以解决燃料燃烧的结渣和飘尘问题。燃烧实验结果表明，该锅炉具有较高的热效率，同时烟气中的污染物含量与国家锅炉的污染物排放标准相比也很低。田宜水等根据秸秆本身的燃烧特性，设计了采用下饲式进料方式和双燃烧室结构的秸秆直燃热水锅炉，可以确保燃料的起燃顺利和燃烧充分，还能延缓挥发分的集中析出，使燃烧稳定，实现清洁燃烧。

3.2生物质层燃燃烧模型的研究现状

在我国，生物质燃料的流化床燃烧技术已经得到广泛的研究应用，但是与生物质层燃燃烧技术相关的研究较少，因此需要加强相关方面的详细研究。曾帅以一台 10t/h 的层燃炉为研究对象，对果木枝条、花生壳、小麦秸秆在层燃炉中的燃烧过程进行了模拟计算。在3 种生物质中，小麦秸秆的燃烧温度最低，在700 ～1 700K 之间;果木枝条的燃烧温度最高，保持在800 ～2 000K 之间;而花生壳的燃烧温度则在750 ～ 1 900K 之间。对于同一种生物质，随着过量空气系数的增大，燃烧温度升高，燃烧压力变小，辐射热流密度升高;并对不同的一、二次进风条件下的生物质燃烧过程进行数值模拟，分析其对生物质燃烧性能的影响。杨威选用合适的燃烧数学模型，对生物质成型燃料在回转窑内的燃烧过程进行了全面的数值模拟。对燃烧器在不同内外风量比的条件下模拟得到的窑内温度场分布进行比较可以得出:当内外风量比为4 时，窑内的温度场分布比较符合实际工业的需求。此外，余昭胜采用共享软件 Flic 和商业软件Fluent 对 200t / d 的生物质直燃炉排锅炉不同工况的燃烧过程进行了数值模拟，得出的结果与实际吻合较好。模拟结果显示，当一次进风量为二次进风量的 1．86 倍时，炉膛出口处 CO 浓度值最小为 0． 29mol / m3，此时出口处的 O2浓度值为 2． 18mol /m3，平均温度为1 180K。

随晶侠主要研究了生物质成型燃料在链条炉炉膛内的受热燃烧情况，结合 Fluent 软件的特点和燃料的特性提出了适合块状生物质成型燃料的新的数值模拟方法。其采用有限差分法，对燃料在炉排上方的受热燃烧建立离散化方程，通过 C 语言进行求解计算得到气体的温度分布、各组分浓度分布等;将所得到的结果通过 Fluent 的 UDF 作为挥发气体在炉膛内燃烧的边界条件，可以得到模拟结果;根据结果对炉膛结构进行改进，最终得到适合生物质成型燃料燃烧的链条炉炉膛结构。李永华利用 Fluent 分别对小麦秸秆、棉花秸秆、果木枝条和玉米秸秆 4 种生物质燃料在相同给料量和一、二次风风速比的情况下炉内燃烧情况进行了模拟。分析模拟结果表明:一次风量过小会使炉排结渣严重;而在高负荷时二次风量的增大有助于燃料的燃烧;燃烧排放 NOX的浓度与煤相比也较小，更为环保。

4 燃料层燃燃烧模型存在的问题

4.1 生物质成型燃料层燃燃烧特性的

当前我国的生物质燃烧设备大都是直接引进国外先进技术，但是国外大部分都是采用林业残余物如木材等压制成型燃料，而我国的生物质燃料以农作物废弃物为主，包括麦秆、棉秆、玉米秸秆等，与欧洲的木质燃料有很大的不同。研究发现，不同的生物质燃料中的元素的含量有一定的差异，所以单纯地研究国外的木质燃料的燃烧特性无法满足我国生物质燃料的燃烧特性。虽然国外有学者以稻草为研究对象，将计算床层燃烧的 Flic 模型与 CFD 模拟耦合起来研究生物质炉排炉的燃烧特性，但只是简单地研究了温度场、CO 和 NO 浓度场的分布，且模拟结果与实验结果相差较大。我国关于生物质层燃燃烧的模拟主要集中在通风方式对燃烧的影响方面，而实际上影响成型燃料燃烧速度的因素除了通风方式外和过量空气系数外，还有料层厚度、料层高度、颗粒直径等，在以后的研究中可以进行这些工况的模拟，从而确定有利的组织燃烧方式，保证燃料的燃烧速度和状态均衡，提高燃烧设备的效率。

4.2 基于仿真软件的模拟研究不足

在用仿真软件对生物质固体成型燃料燃烧特性进行模拟时，现有的研究大都集中在用煤的燃烧模型来代替，对于生物质成型颗粒燃料的燃烧的直接模拟十分有限。对生物质固体成型燃料层燃燃烧过程中炉内流场的模拟也大都是采用气相流场的数学模型，对气固两相的燃烧过程进行数值模拟的算例很少，而且能够将计算结果与热态试验进行对比的研究更少。在建立生物质燃烧过程的数学模型时，仍然按照以实验数据作为边界条件的方法，改变燃料就需要重新进行试验，不能充分发挥数值模拟的经济性。此外，由于计算机的计算能力及计算时间，一般建立的燃烧器的几何模型相对试验模型也做了简化，并不能完全反应燃烧的真实情况。建立何种类型的燃烧模型来研究生物质成型燃料的层燃燃烧特性，如何对燃烧过程进行模拟，以提高锅炉的燃烧效率来指导实际锅炉设计和运行，是需要进一步探讨、研究的课题。

5 结束语

1) 阐述了生物质固体成型燃料层燃燃烧技术的发展、燃烧模型的研究状况。

2) 国外关于生物质层燃燃烧模型的研究主要集中在对实验条件合理的假设下建立试验台的数学模型，并且采用的生物质燃料也比较广泛，如木质、秸秆、树皮、垃圾废弃物等。

3) 我国关于生物质层燃燃烧特性的数值模拟研究集中在对燃烧过程中炉内空气流动场分布、炉膛温度场和浓度场分布的模拟，而对燃烧产生的 NOX和CO 等污染物的模拟则较少。

4) 由于生物质的组成及结构的复杂性，今后的研究要进一步根据生物质燃料的元素分析书写燃烧的化学反应方程式，并指定标量代表相应的反应物、产物浓度，通过数值模拟计算结果与颗粒的试验研究结果比较并验证所采用的燃烧过程的化学反应是否正确。只有先建立了符合生物质燃烧特性的数学模型，才能准确地对锅炉进行变工况分析，从而改善燃料的燃烧状况和锅炉内的空气动力学特性，最终对所设计的锅炉进行结构优化。

参考文献（略）