工程边缘
生物质炉升级：模拟驱动方法
由D.哈斯沃茨Cofely Fabricom E&E&Wouter Remmere公司，帕特里克·弗拉格，沃克斯代尔
COFELY FABRICOM GDF SUEZ是一家领先的多学科工程公司，石油项目管理与施工组织，气体，电力和相关产业。全球能源集团GDF Suez的一部分，Cofey Fabricom雇佣超过5名员工，全世界有500人努力提高能源效率，可持续发展和生活质量。
咖啡豆，能源与环境部专门从事交钥匙工程，采购，可再生能源部门的建设和调试（EPC）项目，强调电厂平衡，烟气处理，以及热电厂。
2013年4月，Cofely Fabricom E&E获得了一份交钥匙改造合同，以提高Sart Tilman热电机组生物质炉的可靠性和性能。李艾格，比利时这是中央热量生产和分配的一部分，分布在李尔格大学和楚大学医院。该项目的中心是改善两个机构所经历的一些失败，明确地：
- 燃烧控制仪表不足；；
- 由于在正常运行中烟气再循环不足而导致性能下降；；
- 不完全覆盖带颗粒的网格，导致一次风旁路不均匀燃烧；；
- 由极高的局部温度造成的耐火材料损坏。
为了解决这些问题，研究了一种全新的燃烧控制原理。
图1FloEFD模拟几何
该方法将涉及：
- 50%再循环烟气的混合物进入一次和二次空气，以提高性能；；
- 优化，通过计算流体动力学（CFD）计算，遵守法定排放限值的二次空气喷射；；
- 安装新风扇，频率驱动器和电气柜；；
- 实施卓越的仪器，包括超声波流量计和红外摄像机。
Cofely Fabricom E&E首先进行了优化燃烧所需的工艺计算，计算流量，温度，含氧量和压降，它决定了初选的规模，二次风机和再循环风机以及管道直径和阀门。
下一步是确保二次空气喷射的最佳配置。由于该项目的主要目标是提高绩效，在遵守法定排放限值的同时，必须将熔炉出口处的氧气浓度从当前的13%降低。因此，二次空气喷射必须确保所有产生的CO都被重组为二氧化碳。这可以通过在炉内最窄部分获得最佳湍流水平来实现，被称为炉颈.
为了在管道出口处获得足够高的速度，二次空气喷射喷嘴分为两排：炉前和炉后各有2 x 14管的上下坡道。共112管。在较低的流速下，为了保持其余管道出口处的最小流速为20 m/s，对两个较低的排进行了隔离。
建造和测试这种尺寸的装置的不同原型既耗时又昂贵。为了了解系统的响应，达到喷嘴的最佳配置。计算流体动力学（CFD）模拟是利用Mentor图形的FloEFD由项目合作伙伴voxdale进行的。
第一步是创建现有熔炉的模型并模拟其行为。这种方法允许调整仿真参数和边界条件，以获得知名系统和仿真模型之间的良好匹配。在此阶段，建立了仿真方法的置信度，并生成了对系统的第一个洞察。
模拟中没有直接模拟燃烧过程，相反，调整空气温度和流速以获得可比较的性能。这减少了每次模拟所需的时间，而不会明显影响精度，从而使CFD能够在合理的时间内覆盖大量的设计迭代。图1说明了将木球送入系统的熔炉的原始设置，在移动网格上形成一层。在这个网格下面，五种不同的一次空气供应，提供燃烧过程所需的氧气。此外，二次空气通过前壁和侧壁上的喷嘴供应。在炉颈处，废气被注入炉内，为系统提供再循环空气。
在第二阶段，在FloEFD中建立并模拟了不同的设计方案。三维湍流图和速度图被用来评估各种配置。早期的设置之一如图2所示，其中二次风喷嘴移近炉颈，喷嘴数量大幅度增加。虽然这个解决方案提供了一些好处，导致炉颈处湍流强度不足。
图2二次空气喷嘴详图结果
基于这种模拟和分析所提供的洞察力，进一步的设计迭代可以智能地发展。例如，很明显，稍微相互抵消再循环喷嘴会在炉颈中产生所需的湍流量。
二次空气射流的位置和布局也进行了类似的优化，以确保绝热室内有足够的湍流（图3）。由于模拟是在没有燃烧的情况下进行的，可以合理地假设，更高水平的湍流，在实践中会出现更高的速度和更好的混合。结果设计如图4所示。
图3绝热室内的湍流强度
图4炉颈结果设计
旧炉解体始于2013年5月。安装工程从2013年6月至9月。启动和燃烧优化于2013年10月至11月进行。在新装置的冷调试过程中，对炉内的模拟速度分布进行了验证，并观察到了类似的流型。
图5Flefd可视化
将CFD整合到设计过程中有助于Cofely Fabricom E&E在短时间内成功交付项目。实际上，在FloEFD中对各种设计进行原型设计提供了一种可靠且廉价的方法，通过这种方法可以评估和调整不同的参数。最终，所有项目目标均已实现。
- 性能提高8.4%（实际效率89.3%）；；
- 该炉比以前的设计（见表1）有了相当大的改进，其运行大大低于法律限制。例如一氧化碳和氧化亚氮。
随后的过程证明了流体模拟在此类项目中的价值。因此，这是一种用于未来项目的方法，在适当的情况下。该装置自2013年11月以来一直处于可靠运行状态。
