01 研究背景

西班牙作為世界上最大的橄欖油生產國之一，每年都需要處理其因橄欖油生產而產生的大量油渣。橄欖油渣可用于生物質鍋爐的燃燒發電，功率可達2 MWe 至 25 MWe，是優秀的可再生能源。但由于橄欖油渣在燃燒時會產生大量灰燼，這些生物質鍋爐在工作一定時間后需要熄火停工，以清除管道上的污垢沉積物以及爐排拱頂上沉積的飛灰，防止沉積物影響傳熱和流動，降低鍋爐效率，避免引起事故造成危險。

目前對于生物質鍋爐中的飛灰沉積問題，解決方法以定期清理維護為主，但飛灰沉積對鍋爐內的傳熱特性和工作穩定性的影響卻很難評估。因此，海斯坦普通過使用Code Saturne計算流體力學軟件，將流體力學仿真與其正在開發的生物質鍋爐項目結合起來，運用CFD分析的方法，模擬其內部流體的流動狀態以及傳熱特性，根據仿真結果在設計階段優化生物質鍋爐設計，預測飛灰的產生和飛灰對于鍋爐性能的影響，以最大限度地提高鍋爐的工作效率，并且根據仿真模擬的結果相應地調整運維策略，使得經濟效益最大化。

02 模型建立

海斯坦普公司使用code_saturne 對現有投入使用的50MWt 生物質鍋爐進行了CFD數值模擬，模擬中考慮了燃燒反應、輻射傳熱、湍流的效應，并使用拉格朗日粒子方法模擬飛灰的沉積。數值模擬過程中，對實際物理模型進行了一定的簡化，并將整個橄欖油渣鍋爐劃分為兩個不同的計算域：

• 爐排區域：在此區域中焚燒橄欖油渣，考慮橄欖油渣的燃燒反應；
• 熔爐區域：在此區域中不計算橄欖油渣的燃燒反應，但會計算氣體之間的燃燒反應。

在整個橄欖油渣燃燒爐計算域中都將考慮不同組分的氣體因密度差異而產生的浮力驅動流。

對于整個橄欖油渣燃燒爐的模擬通過以下步驟實現：

1. 基于橄欖油渣的燃料特性，首先對爐排區域進行求解，以獲得此區域的初始溫度、速度、氣體組分和粒子組成；
2. 將爐排區域的計算結果作為熔爐區域的一部分入口條件，在熔爐區域計算由橄欖油渣產生的可燃氣體的燃燒反應；
3. 使用熔爐區域計算的結果重新計算步驟1，經過反復迭代，直到爐排區域的傳出輻射熱通量和熔爐區域的傳入輻射熱通量之間差距可以忽略為止；
4. 通過步驟3獲取整個生物質燃燒爐的流場，根據橄欖油渣的燃料特性，在凍結的流場中注入一定量的具有相應體積和重量的拉格朗日粒子，模擬飛灰，在燃燒爐壁面上設置對飛灰的吸附沉積效果，實現對于橄欖油渣燃燒爐中的飛灰沉積過程。

03 仿真模擬

下圖展示了code_saturne仿真計算得出的在橄欖油渣鍋爐當中溫度場和速度場的云圖。

采用拉格朗日粒子跟蹤方法模擬飛灰的沉積，如下圖所示：

根據模擬結果，可以發現飛灰在爐排區域產生之后，在流場的作用下被攜帶至熔爐區域，并沉積在熔爐底部。模擬結果與海斯坦普公司所進行的實驗和運維記錄十分吻合。通過數值模擬，相關的運維人員可以對飛灰沉積的位置和量有清晰的把控，根據數值模擬的結果相應地調整的日常的維護策略，針對性對鍋爐進行清理，提高生產效率和經濟效益。

04 結論

使用code_saturne對橄欖廢料燃燒鍋爐的飛灰沉積問題進行模擬，與實驗和實際數據進行對比，模擬結果展現出良好近似。code_saturne可以較為準確地模擬生物質橄欖油渣飛灰沉積的現象，并可以作出預測。在設計階段可以使用CFD數值模擬優化相關的工程設計，改善燃燒爐相關的工作效率；在日常的運維當中，采用CFD數值模擬可以指導相關的運維策略，使得企業生產更加可管可控，進一步提高生產效率和經濟效益。

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