【CAE案例】code_saturne — 橄榄废料燃烧锅炉飞灰沉积的仿真模拟

01 研究背景

西班牙作为世界上最大的橄榄油生产国之一，每年都需要处理其因橄榄油生产而产生的大量油渣。橄榄油渣可用于生物质锅炉的燃烧发电，功率可达2 MWe 至 25 MWe，是优秀的可再生能源。但由于橄榄油渣在燃烧时会产生大量灰烬，这些生物质锅炉在工作一定时间后需要熄火停工，以清除管道上的污垢沉积物以及炉排拱顶上沉积的飞灰，防止沉积物影响传热和流动，降低锅炉效率，避免引起事故造成危险。

目前对于生物质锅炉中的飞灰沉积问题，解决方法以定期清理维护为主，但飞灰沉积对锅炉内的传热特性和工作稳定性的影响却很难评估。因此，海斯坦普通过使用Code Saturne计算流体力学软件，将流体力学仿真与其正在开发的生物质锅炉项目结合起来，运用CFD分析的方法，模拟其内部流体的流动状态以及传热特性，根据仿真结果在设计阶段优化生物质锅炉设计，预测飞灰的产生和飞灰对于锅炉性能的影响，以最大限度地提高锅炉的工作效率，并且根据仿真模拟的结果相应地调整运维策略，使得经济效益最大化。

02 模型建立

海斯坦普公司使用code_saturne 对现有投入使用的50MWt 生物质锅炉进行了CFD数值模拟，模拟中考虑了燃烧反应、辐射传热、湍流的效应，并使用拉格朗日粒子方法模拟飞灰的沉积。数值模拟过程中，对实际物理模型进行了一定的简化，并将整个橄榄油渣锅炉划分为两个不同的计算域：

• 炉排区域：在此区域中焚烧橄榄油渣，考虑橄榄油渣的燃烧反应；
• 熔炉区域：在此区域中不计算橄榄油渣的燃烧反应，但会计算气体之间的燃烧反应。

在整个橄榄油渣燃烧炉计算域中都将考虑不同组分的气体因密度差异而产生的浮力驱动流。

对于整个橄榄油渣燃烧炉的模拟通过以下步骤实现：

1. 基于橄榄油渣的燃料特性，首先对炉排区域进行求解，以获得此区域的初始温度、速度、气体组分和粒子组成；
2. 将炉排区域的计算结果作为熔炉区域的一部分入口条件，在熔炉区域计算由橄榄油渣产生的可燃气体的燃烧反应；
3. 使用熔炉区域计算的结果重新计算步骤1，经过反复迭代，直到炉排区域的传出辐射热通量和熔炉区域的传入辐射热通量之间差距可以忽略为止；
4. 通过步骤3获取整个生物质燃烧炉的流场，根据橄榄油渣的燃料特性，在冻结的流场中注入一定量的具有相应体积和重量的拉格朗日粒子，模拟飞灰，在燃烧炉壁面上设置对飞灰的吸附沉积效果，实现对于橄榄油渣燃烧炉中的飞灰沉积过程。

03 仿真模拟

下图展示了code_saturne仿真计算得出的在橄榄油渣锅炉当中温度场和速度场的云图。

采用拉格朗日粒子跟踪方法模拟飞灰的沉积，如下图所示：

根据模拟结果，可以发现飞灰在炉排区域产生之后，在流场的作用下被携带至熔炉区域，并沉积在熔炉底部。模拟结果与海斯坦普公司所进行的实验和运维记录十分吻合。通过数值模拟，相关的运维人员可以对飞灰沉积的位置和量有清晰的把控，根据数值模拟的结果相应地调整的日常的维护策略，针对性对锅炉进行清理，提高生产效率和经济效益。

04 结论

使用code_saturne对橄榄废料燃烧锅炉的飞灰沉积问题进行模拟，与实验和实际数据进行对比，模拟结果展现出良好近似。code_saturne可以较为准确地模拟生物质橄榄油渣飞灰沉积的现象，并可以作出预测。在设计阶段可以使用CFD数值模拟优化相关的工程设计，改善燃烧炉相关的工作效率；在日常的运维当中，采用CFD数值模拟可以指导相关的运维策略，使得企业生产更加可管可控，进一步提高生产效率和经济效益。

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