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dag低塵生物質(zhì)燃燒機內(nèi)燃燒特性的數(shù)值模擬
摘要：介紹了一種用于中小型工業(yè)窯爐的新型低塵燃燒技術(shù)，利用計算機數(shù)值模擬考察了低塵旋流生物質(zhì)燃燒機的特性．在合理選擇氣相流動、固相流動、煤燃燒及NO的生成等模型的同時，針對旋流燃燒場中固體顆粒在壁面附近的碰撞及熔融特性，探討了在壁面處的運動模型，并以此為基礎(chǔ)考察了燃燒場的兩相流動特性，模擬了生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒過程及各物理量的分布．在與實驗比較的基礎(chǔ)上，對生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)進行了改進．結(jié)果表明，在低化學(xué)計量比下，改進后的生物質(zhì)燃燒機性能更好，顆粒在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)充分燃盡，在保證液排渣效果的同時，NO的排放遠低于常規(guī)液排渣旋風(fēng)器的NO排放量．
1 茼言
  在現(xiàn)有的燃煤技術(shù)中，燃煤直接加熱方式的火焰和煙氣中含有大量灰渣，污染嚴重，水煤漿的形態(tài)類似油，但其燃燒特性基本類似普通燃燒，火焰和煙氣的含灰量仍很高，目前在鋼鐵等大型行業(yè)中應(yīng)用較多的煤氣化技術(shù)，附屬設(shè)備較多，操作較復(fù)雜，成本較高，一般中小型工業(yè)企業(yè)難以承型1，2]．陳恩鑒等‘31在傳統(tǒng)的液排渣旋風(fēng)燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種“低塵燃燒技術(shù)”，使在一個圓柱形的燃燒室中進行欠氧燃燒，煤中的灰渣在旋轉(zhuǎn)流場作用下被燃燒室壁面捕集，在高溫下呈液態(tài)渣除去，進入爐膛的是潔凈的高溫還原性火焰，將這種燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃油工業(yè)窯爐進行以煤代油改造及對老式燃煤工業(yè)窯爐進行技術(shù)改造，具有廣闊的前景，
  圖1為低塵生物質(zhì)燃燒機示意圖，一次風(fēng)r占10%)采用壓縮空氣濃相送粉方式，在端部的葉片中與二次風(fēng)混合后送入生物質(zhì)燃燒機內(nèi)；熱風(fēng)進入生物質(zhì)燃燒機后，一路作為三次風(fēng)r占30%)進入生物質(zhì)燃燒機出口處，另一路經(jīng)過生物質(zhì)燃燒機筒壁，冷卻筒壁，然后經(jīng)過環(huán)型葉片，作為二次風(fēng)進入生物質(zhì)燃燒機內(nèi)，形成的液渣由燃燒室前部的出渣口排出，與傳統(tǒng)的液排渣生物質(zhì)燃燒機相比，這種低塵生物質(zhì)燃燒機在開發(fā)構(gòu)思上有以下特點：(1)首次提出取消燃燒室側(cè)壁上的二坎風(fēng)進口，采用端面預(yù)旋技術(shù)，在燃燒室內(nèi)部形成對稱且無阻礙的旋轉(zhuǎn)流場；(2)把噴入外層旋轉(zhuǎn)氣流，延長了的停留時間，消除了因“短路”而逸出燃燒器的機會；(3)采用分級燃燒技術(shù)，在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)進行局部欠氧燃燒，富含未燃成分的高溫燃氣在補入三次風(fēng)后進入窯爐進行二次燃燒，一方面分級燃燒在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)形成還原氣氛有利于降低渣熔點，便于排渣，另一方面可抑制氮氧化物的生成‘4]．蔣利橋等‘51對冷態(tài)流場進行了測試，林伯川等‘61進行了初步的熱態(tài)中間實驗，證實了這種液排渣低塵生物質(zhì)燃燒機具有連續(xù)排渣、灰捕集率高、低氮氧化物排放等優(yōu)點，但這種燃燒方式的燃燒強度高于普通的生物質(zhì)燃燒機，尤其是為了液態(tài)排渣，壁面附近溫度較高，對材料的耐熱性和減少熱損失都提出了很高要求，為了實現(xiàn)在液排渣前提下優(yōu)化生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)和操作條件，把握爐內(nèi)的傳熱特性、的運動和燃燒行為是十分必要的，本研究對液排渣生物質(zhì)燃燒機的燃燒特點進行了計算機模擬與解析．
2 教學(xué)模型
  對有反應(yīng)的湍流氣一固兩相流動及的燃燒過程采用拉格朗日一歐拉混合模型，在歐拉坐標(biāo)系下求解氣相的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，顆粒運動采用拉格朗日法計算，忽略氣體密度脈動、阻力脈動及重力項，對氣一固相流動采用k-8/RNG模型和拉格朗日法顆粒隨機軌道模型；煤的燃燒考慮熱解、焦炭燃燒、氣相燃燒三部分，分別采用雙平行競爭反應(yīng)模型、擴散一動力燃燒模型、EBU-Arrhenius模型；熱力型NO的生成采用Zeldovich模型，燃料型和快速型NO的生成采用DeSoete模型；輻射模型采用離散傳播法(DT)．孫學(xué)信‘71對上述模型的機理進行了詳細介紹，燃燒場視為穩(wěn)態(tài)軸對稱，在二維柱坐標(biāo)系下，各物理量的控制方程可表示為以下通用形式：式中妒代表速度、溫度、濃度等不同的物理量，/表示廣義擴散系數(shù)，S(p是氣相湍流引入的源項，S(pp是考慮顆粒影響的源項，其具體含義及k-8/RNG湍流模型參數(shù)見文獻[8]．
3 數(shù)值解法及計算條件
3.1數(shù)值解法
  由于低塵生物質(zhì)燃燒機的出口條件較復(fù)雜，為便于給出出口邊界條件，在生物質(zhì)燃燒機后部加上了爐膛的簡化模型，二者同場求解，圖2為整場的計算網(wǎng)格，其中燃燒器部分設(shè)置r方向網(wǎng)格數(shù)為56，z方向網(wǎng)格數(shù)為60，在近壁面物理量變化急刷的地方采用加密網(wǎng)格，由于爐膛不是重點考察對象，所以計算網(wǎng)格較稀，計算平臺用通用CFD軟件Star-CD3.10，對氣相控制方程組用有限體積數(shù)值解法穩(wěn)態(tài)求解，應(yīng)用MARS二階差分格式，在計算域的各控制微元體內(nèi)積分各控制方程，得到變量在節(jié)點處的差分方程，差分方程的求解采用p-v修正的SIMPLE算法，用代數(shù)多重網(wǎng)格法(AlgebraicMulti-gridMethod)加速收斂‘9]，考慮顆粒和氣流間的相互作用，兩相耦合循環(huán)迭代，
3.2進出口邊界條件
  在實際運行中，的進料點在環(huán)形葉柵附近r圖1)，且一次風(fēng)量較小(占總風(fēng)量10%)，因此計算中將一次風(fēng)和二次風(fēng)合并在一起考慮，本研究重點考察生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒情況，所以暫時未考慮窯爐爐膛內(nèi)引入的三次風(fēng)，二次風(fēng)進風(fēng)通道為口徑20mm的環(huán)形葉柵通道r圖2)，葉片偏轉(zhuǎn)角約85.5。，z=0的其他區(qū)域為壁面，空氣和的其他進口條件如表1所示，爐膛出口取定壓邊界條件，絕對壓力設(shè)為0.1MPa．
3.3壁面邊界條件
  熱態(tài)下這種生物質(zhì)燃燒機“壁面”處的邊界祭件較復(fù)雜，在燃燒過程中，在靠近生物質(zhì)燃燒機側(cè)壁附近投入，壁面附近的燃燒強度高，在壁面處形成高粘度、高粗糙度的渣層，對于氣相，粗糙度的提高增加了流動的阻力，對于顆粒運動而言，顆粒運動到壁面時，會由于熔渣層的粘附作用而被捕集難以再回到氣相，沒有燃盡的將附在渣層上燃燒，現(xiàn)階段的計算還沒有考慮渣層的運動特性，對這種復(fù)雜的氣固壁面流動和燃燒現(xiàn)象，本計算針對實際熔渣的表面特性假設(shè)計算中的“壁面”條件，采用改變近壁處的壁面函數(shù)和顆粒碰撞條件的方法來進行合理的模擬．
  (1)氣相流動采用無滑移的壁面邊界條件，近壁面區(qū)域采用以下完全粗糙條件下的壁面函數(shù)‘101：
  Launder等[10]將特征厚度D定義為：當(dāng)與壁面的距離降到y(tǒng)o+D時，氣流的速度減為0（如圖3所示）．考慮到與顆粒直接作用的表面是粗糙的熔渣表面，參數(shù)的取值如表2所示，增加壁面粗糙度的目的在于模擬氣流由于熔渣層的粘滯造成的減速，顆粒進入這個“滯止區(qū)”以后速度將大幅度降低，
  (2)對生物質(zhì)燃燒機部分，氣相壁面?zhèn)鳠岵捎玫谌愡吔鐥l件，外壁面的冷卻風(fēng)溫580K，冷卻介質(zhì)、金屬管壁、生物質(zhì)燃燒機襯料層、渣層的總熱阻根據(jù)實驗選取0.021112．K/W；對爐膛部分，壁面?zhèn)鳠岵捎玫谝活愡吔鐥l件，根據(jù)設(shè)計溫度，取1500K．
  (3)固相顆粒和壁面間碰撞采用完全非彈性碰撞條件，即顆粒與壁面發(fā)生碰撞后速度變?yōu)?，但可被氣流再次攜帶，再次碰壁，如此循環(huán)，直至顆粒燃盡，以此近似模擬在壁面附近的運動情況．
3.4煤種特性
  現(xiàn)場實驗中采用的大同混煤屬于煙煤，參照普通煙煤在高溫及低溫下的熱解動力學(xué)參數(shù)，煤中揮發(fā)分的析出采用雙平行一級反應(yīng)模型‘7]．在焦炭燃燒中，假定炭表面以生咸CO為主；在氣相燃燒中，考慮了揮發(fā)分的兩步燃燒過程，揮發(fā)分的元素組成可由元素分析結(jié)果求出，本計算中將其描述為C。Hf，其中e=0.6758，f=0.6483.反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)見文獻[11]．煤樣的元素和工業(yè)分析如表3所示，煤樣的粒度分布如表4所示，煤顆粒密度1200kg/m3．本計算根據(jù)實際的粒度分布，設(shè)置了0.025，0.05，0.075，0.125，0.175mm等5個粒徑，每個粒徑根據(jù)投入位置的不同平均分為8組，
4 結(jié)果與討論
4.1計算值與實驗值的比較
  為了檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)置的準確性，圖4給出了a=0.77，聊。。。i=0.051kg/s條件下實測溫度和計算溫度的比較（測圖5生物質(zhì)燃燒機尾都NO濃度隨化學(xué)計量比的變化Fig.5NOconcentrationattherearofcombustor點位于生物質(zhì)燃燒機內(nèi)壁面約25mm，即r=175mm處，沿軸向設(shè)置5個測量熱電偶）．圖5給出了不同化學(xué)計量比下生物質(zhì)燃燒機尾部NO標(biāo)態(tài)濃度的變化
  從比較結(jié)果可以看出，計算值和實驗值吻合較好，最大相對誤差在10%以內(nèi)，說明關(guān)于顆粒近壁條件的設(shè)置是比較合理的，數(shù)值模擬結(jié)果也能夠反映生物質(zhì)燃燒機內(nèi)部的燃燒特性，以此為基礎(chǔ)，對生物質(zhì)燃燒機進行設(shè)計優(yōu)化是可行的．
4.2燃燒特性分析
4.2.1流場分布
  圖6為a=l.0時生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的縱截面速度矢量分布，圖7是生物質(zhì)燃燒機的截面流線圖，不同化學(xué)計量比下的流場形態(tài)相似，大小有所差異，與冷態(tài)測試結(jié)果‘51不同，在燃燒條件下，中心氣流受熱膨脹，中心回流區(qū)消失，環(huán)室回流區(qū)發(fā)生阻斷，主氣流區(qū)擴張，在生物質(zhì)燃燒機的中后部和中心氣流區(qū)合并，環(huán)室回流區(qū)大大減小，因此在實際燃燒過程中，“環(huán)室回流區(qū)”將不足以使顆粒產(chǎn)生往復(fù)運動，絕大部分顆粒受強旋流作用集中在壁面附近，壁面附近局部氧濃度很低，顆粒很快運動到“無氧區(qū)”f圖8)，炭粒的燃燒效果不好，在化學(xué)計量比較低∞=0.7，0.8)時，燃燒率僅為70.1%和80.7%．本燃燒系統(tǒng)若采取分級燃燒、而生物質(zhì)燃燒機內(nèi)采用低化學(xué)計量比的燃燒方式，如何最大程度地提高炭粒的燃燒率是一個很重要的問題．
4.2.2濕度場分布
  圖9為a=0.7～1.1時生物質(zhì)燃燒機內(nèi)溫度場的分布，隨著燃燒的進行，溫度沿軸向先升高后略有降低，比較不同的化學(xué)計量比下的溫度場分布，低a(0.7，0.8)比高a(l.0，1.1)時的高溫區(qū)更靠前，在生物質(zhì)燃燒機端面觀察孔處的肉眼觀測結(jié)果也證明了這一點，從總體來看，燃燒區(qū)過分靠后，出口截面溫度都很高(1866～2032K)，對NO的控制很不利，在實際設(shè)計過程中，希望主燃燒區(qū)能提前，以利于降低出口截面的溫度，這樣當(dāng)爐膛內(nèi)三次風(fēng)補入，NO的總生成量不會再次