| 煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬 |
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煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬 摘要在分析了工業(yè)中幾種低氧燃燒方式的基礎(chǔ)上，將收縮擴(kuò)張結(jié)構(gòu)用于生物質(zhì)燃燒機(jī)空氣通道，開發(fā)出了煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)，同時(shí)借助FLUENT軟件對生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研．結(jié)果表明：喉部的負(fù)壓是煙氣卷吸的驅(qū)動力，煙氣卷吸量隨喉部面積的縮小而急劇增多；隨著煙氣卷吸量的增參爐膛中氧含量越來越低，火焰高溫區(qū)向生物質(zhì)燃燒機(jī)偏移，火焰逐漸變短．最后，將煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)用于熔化保溫爐進(jìn)行了實(shí)踐．取得了預(yù)期的效果． 詆氧燃燒是高溫空氣燃燒技術(shù)的核心內(nèi)容之一，具有火焰體積成倍擴(kuò)大、火焰溫度場分布均勻、低NO。排放等顯著優(yōu)點(diǎn)‘1]．由燃燒理論可知，當(dāng)采用較高溫度的助燃空氣時(shí)，穩(wěn)定燃燒所需的氧濃度較低舊，因此實(shí)現(xiàn)低氧燃燒的前提是必須先將助燃空氣預(yù)熱到較高昀溫度， 工業(yè)中為實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，常用的措施有：①低空氣過剩系數(shù)，燃燒區(qū)域的氧濃度依舊很南而且潛力有限[3]．②二次供風(fēng)避免了高溫區(qū)集中，NO。的排放濃度顯著降低[ 4_a，但整個(gè)爐膛中氧濃度和常規(guī)燃燒差不多，并且這種生物質(zhì)燃燒機(jī)體積龐大，成本較高，③高速射流采用高速燒嘴，使?fàn)t內(nèi)大量燃燒產(chǎn)物回流，稀釋燃燒區(qū)的氧濃度，在保證高的噴出速度時(shí)極難兼顧煙氣的順利排出，而且卷吸的煙氣往往只是和射流邊界上的部分空氣進(jìn)行混合，實(shí)際大部分燃燒區(qū)域氧濃度依然很高并不能很好地實(shí)現(xiàn)低氧燃燒[ 61．④煙氣再循環(huán)，即利用爐外排煙來稀釋空氣中氧濃度7]，由于風(fēng)機(jī)不能承受高溫，導(dǎo)致蓄熱體用量增多和管路復(fù)雜，只適合在小型爐窯上利用，為了能更好地實(shí)現(xiàn)低氧燃燒技術(shù)，最好能開發(fā)出可以自身組織爐膛中煙氣循環(huán)來沖淡空氣中氧含量的生物質(zhì)燃燒機(jī)． 1煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的開發(fā) 為了克服以上一些低氧燃燒技術(shù)的缺點(diǎn)，本文考慮采用燒嘴磚來組織爐內(nèi)煙氣的回流，使助燃空氣在燒嘴磚中就和煙氣充分混合，為此提出將收縮擴(kuò)張結(jié)構(gòu)用于生物質(zhì)燃燒機(jī)的空氣通道升發(fā)出了煙夏德宏等：煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)， 由伯努力方程可知，在位勢能不變的情況下，動能和壓力能互相轉(zhuǎn)化，所以空氣經(jīng)過縮放通道的喉部時(shí)壓力能向動能轉(zhuǎn)化，在此形成負(fù)壓區(qū)，由于喉部有一個(gè)側(cè)通道與爐膛連通，因此當(dāng)助燃空氣通過縮放通道喉部時(shí)能卷吸大量的煙氣，這樣可使噴嘴噴出的壓縮氣體與其誘導(dǎo)的氣流充分混合，保證助燃空氣在燃燒之前就被稀釋到較低的氧含量． 2 燃燒過程數(shù)值模擬 2.1物理模型及網(wǎng)格劃分 物理模型如圖2所示，選取爐膛大小為2000 mmX2 000m mX5 000 mm，生物質(zhì)燃燒機(jī)居中布置，生物質(zhì)燃燒機(jī)對面為煙氣出口，使用GAM BIT軟件對上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于規(guī)則的爐膛采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，以加快數(shù)值模擬計(jì)算的速度和精度，對于不太規(guī)則的生物質(zhì)燃燒機(jī)，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，在網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT后需要光順網(wǎng)格并交換單元面，以此改善岡格的質(zhì)量， 2.2數(shù)學(xué)模型及方程離散 本文模擬采用的數(shù)學(xué)模型如下． (1)流動模型——雙方程模型，雙方程模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理、數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的闡，該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略， (2)燃燒模型-PDF模型，守恒標(biāo)量的PDF模型僅適用于擴(kuò)散燃燒問題，該方法假定了反應(yīng)是受混合速率控制，即反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，每個(gè)單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強(qiáng)度所控制，該方法通過求解混合物分?jǐn)?shù)及其方差的輸運(yùn)方程獲得組分和溫度場，而不是直接求解組分和能量的輸運(yùn)方程． (3)輻射換熱模型- P-1模型．P-l輻射模型是P-N模型中最筒單的類型，其出發(fā)點(diǎn)是把輻射強(qiáng)度展開為正交的球諧函數(shù)， 對于控制方程的離散采用有限體積法，該方法使用三種不同的空間離散格式，即冪律格式、二階迎風(fēng)格式和Q UICK格式，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法，該算法的初始的壓力場和速度場是協(xié)調(diào)的，并且對壓力場作欠松弛處理，迭代計(jì)算時(shí)比較容易得到收斂解[ 91． 2.3邊界條件及計(jì)算工況 生物質(zhì)燃燒機(jī)空氣和煤氣進(jìn)口都采用第1類邊界條件，即給定速度與溫度；爐膛出口邊界采用壓力出口條件；固體壁面設(shè)為絕熱邊界，沒有熱通量和質(zhì)量通量，壁面無滑移條件假定，壁面上速度為零， 本文模擬采用的計(jì)算工況如下：燃料為發(fā)生爐煤氣，熱值為5 500kJ。m_。，預(yù)熱到300 0C,空氣預(yù)熱到700℃煤氣和空氣的流量分別為100 ffl3 011-1和1850 ffl3。h_1．在不改變邊界條件和計(jì)算工況的前提下，本文模擬了四個(gè)喉部面積不同的生物質(zhì)燃燒機(jī)，其具體的計(jì)算參數(shù)如表1所示．模擬計(jì)算，著重分析了氧含量、壓力變化和溫度分布幾方面的燃燒特性． 3燃燒狀況對比分析 3.1 氧含量及壓力的變化 本文通過FLUENT可以計(jì)算整個(gè)計(jì)算區(qū)域的平均氧含量，四個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)的卷吸量和平均氧含量如表2所示，由表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著喉部面積的縮小，煙氣的卷吸量越來越大，爐膛中氧的平均體積分?jǐn)?shù)從4.14%降到1.67%．在實(shí)際的生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)過程中，可以通過設(shè)計(jì)合理的喉部面積來控制卷吸量，獲得具有理想氧含量的助燃空氣，實(shí)現(xiàn)氧含量可控的低氧燃燒 四個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)都在喉部形成了負(fù)壓，爐膛中的相對壓力為0，通過該生物質(zhì)燃燒機(jī)后四個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力損失和喉部負(fù)壓如表2所示，可以看出：隨著喉部面積的變小，最低負(fù)壓急劇降低，從這點(diǎn)可以看出，煙氣的卷吸量和喉部的負(fù)壓成對應(yīng)關(guān)系，喉部的負(fù)壓是煙氣卷吸的驅(qū)動力；同時(shí)生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力損失也顯著增大，在生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)過程中需要注意生物質(zhì)燃燒機(jī)的壓力損失要與嘴前空氣壓力合理配置，否則難以達(dá)到合理的流動與燃嬈． 3.2溫度的變化 由圖3的沿爐膛中心線的溫度變化曲線可以看出，隨著卷吸量的增加，燃料能在溫度更高和氧含量更低的情況下燃燒，燃料進(jìn)入爐膛后的燃燒速度加快，火焰的高溫區(qū)域逐漸靠近生物質(zhì)燃燒機(jī)，整個(gè)火焰的高溫區(qū)域越來越大，有利于整個(gè)爐膛的爐溫均勻[ 10]．爐膛中的最高溫度隨著卷吸量的增大逐漸增大，爐膛中的平均溫度也得到大幅度提高，在燃料供給不變的情況下，爐溫升高，說明卷吸的煙氣起到了高溫余熱的直接回收作用，本計(jì)算模型由于爐膛較小，因此爐溫的變化比較明顯；在實(shí)際應(yīng)用中，由于爐膛較大，效果可能沒有這么明顯，但是從模擬計(jì)算的結(jié)果可以進(jìn)一步證明煙氣再循環(huán)起到了節(jié)約燃料、提高爐膛溫度和燃燒穩(wěn)定性等多方面的作用， 3.3火焰長度 圖4為CO體積分?jǐn)?shù)分布圖，由于發(fā)生爐煤氣中的主要成分為CO，CO燃盡的區(qū)域即為火焰的邊緣，因此可以由CO的體積分?jǐn)?shù)分布來確定火焰的長度，由上文可知，生物質(zhì)燃燒機(jī)A、B、C和D的卷吸量逐漸增多，所以由圖4可以看出，隨著卷吸的煙氣量增多，火焰長度逐漸變短，而文獻(xiàn)的結(jié)論是詆氧燃燒會使火焰體積膨脹、火焰加長，出現(xiàn)這種差異的最主要原因是變壓卷吸式的低氧燃燒方式在沖淡氧含量的同時(shí)還預(yù)熱了空氣，助燃空氣中氧含量雖然降低，但由于其溫度升高，燃燒速度不但沒有降低，反而加快燃料的燃燒，因此隨著煙氣卷吸量的增多火焰長度會逐漸變短， 4煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的應(yīng)用 浙江某輪轂廠已對該煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，應(yīng)用現(xiàn)場布置如圖5所示，根據(jù)廠方的條件，燃料為冷凈發(fā)生爐煤氣，物料需要2. 52X l06 kJ。h-l的熱量，由兩個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)提供，保溫區(qū)爐溫為900 0C,提溫區(qū)為850℃火焰的長度控制在Im以內(nèi)，但要求能靈活調(diào)節(jié)熱負(fù)荷和火焰的長度，生物質(zhì)燃燒機(jī) 由于現(xiàn)場空氣的預(yù)熱溫度為500℃因此為了保證燃燒的穩(wěn)定性，通過控制喉部面積使卷吸的煙氣量將空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)從22%降到17%左右，該生物質(zhì)燃燒機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)，采用該低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的保溫爐和常規(guī)燃燒的保溫爐的具體技術(shù)指標(biāo)對比見表3． 由表3可以看出，采用煙氣自循環(huán)式低氧燃燒器的保溫爐燃燒條件得到改善，可以采用較小的空氣過剩系數(shù)以維持穩(wěn)定的完全燃燒減少了煙氣量，減少了爐子排煙帶走的熱損失，爐子燃料消耗量相應(yīng)也有所降低，熱效率得到提高，同時(shí)由于低氧燃燒的實(shí)現(xiàn)爐溫的均勻性提高，局部高溫區(qū)減少，氧含量降低，使得氧化燒損大幅減少，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，該低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐證明了其合理性，值得深入研究并進(jìn)一步推廣， 5結(jié)論 低氧燃燒的實(shí)現(xiàn)財(cái)于工業(yè)爐窯至關(guān)重要，目前采用的低氧燃燒技術(shù)都有較大的局限性，煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的開發(fā)較好地克服了幾種傳統(tǒng)低氧燃燒方式的缺點(diǎn)，科學(xué)的分析和巧妙的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了煙氣自循環(huán)的低氧燃燒方式，同時(shí)，本文通過大量的數(shù)值模擬，分析了喉部面積對低氧燃燒的影響規(guī)律，為煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)， 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
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