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行业新闻

生物质燃烧机内颗粒催化燃烧的数值模拟

生物质燃烧机内颗粒催化燃烧的数值模拟

摘要:联合使用CFD软件、FLUENT和化学反应动力学软件DET(H EM对颗粒  空气混合物在有逆流换热的微燃烧器内的催化燃烧进行了数值模拟。计算中只考虑了颗粒在催化表面上的反应。燃料  空气混合物的当量比为0.4燃烧器外壁面分别采用等温边界条件和与环境的对流换热边界条件,并比较了这两种边界条件对可燃混合气燃烧的影响。计算结果表明,催化燃烧可以实现常规方法无法实现的颗粒低温、高效转变。

1  引  言

    随着微机电系统(MEMS)、便携式计算机、移动通讯、隐身飞行器、微小卫星、微型火箭、微型飞机、以及其它必需的移动设备等高技术的发展,越来越迫切地需要重量轻、储能大、寿命长的新型高性能微型电源。目前,便携式动力源基本上只能依赖子化学电池,但是,化学电池的单位质量储能很小。与化学电池相比,基于燃烧的微发电系统无论在单位质量的能量储备,还是在能量转换与利用效率上都明显地优于传统的化学电池。例如,碳氢燃料提供的储能密度约为40~50 MJ/埏,而目前普遍使用的、性能最好的锂离子电池只有0.4~0.5 MJ/kgo因此,即使燃料的化学能只有10%转变为电能,碳氢燃料提供的储能密度也超过电池10倍以上。正是由于碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点,微型发电系统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国防和能源高技术研究的重点投资之一。麻省理工学院、加州大学伯克利分校、普林斯顿大学以及南加州大学等分别在美国NASA、国防部(DOD)和能源部(DOE)的支持下进行了微型火箭,微型透平机和以燃烧方式直接发电等动力微机电系统(PowerM EMS)的研究,并取得了初步的成果。日本也把动力M EMS的研究列入新能源开发机构(NEDO)的研究计划之中。

    基于燃烧的动力MEMS中,如何实现微只度条件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因素之一。在微尺度燃烧中,由于生物质燃烧机尺度的减小,吸收受颗粒大小、颗粒密实程度等多种因素的影响,要实现煤质的在线分析,还有大量工作要做。散热表面积与体积的比值变得很大,即散热速率与放热速率的比值很大,从而导致火焰传播速度减小,甚至灭火。因此,微尺度条件下,燃料燃烧所需要的化学反应特征时间并不随着尺度的变小而减小,反而会由于微型化所造成的散热面积增大而增大。因此微尺度燃烧条件下,必须采取一些特殊措施,如提高反应混合物的初始温度,或使用表面催化燃烧等,以保证得到稳定的火焰。但是,在常规燃烧条件下,当燃料空气混合物的当量比超出火焰传播的浓度极限时,火焰是不可能传播的。在这种情况下,表面催化燃烧就几乎成为惟一的选择。

    本文的目的是通过数值模拟,研究微生物质燃烧机内颗粒空气混合物在催化表面上的燃烧过程同时探讨微生物质燃烧机外壁与环境换热条件对颗粒空气混合物催化燃烧的影响。

2物理模型和数学模型

    计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换热的U形通道反应器,计算中采用均匀网络(见图1)。反应器长度为10 mm,通道宽度为2mm,催化表面为外径2 mm的外圆柱面,其上镀上一层Pt催化剂。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处,燃气在催化表面着火燃烧。本文联合使用FLUENT[ 9和DETCHEM[习数僮模拟了甲:融空气混合物在通道宽度为2 mm、长为10 mm、布置不同催化剂表面微燃烧器的燃烧过程。

由于本文模拟是微尺度下的催化燃烧生物质燃烧机的空间尺度较小,可燃混合物的流动速度很低,且甲烷浓度和反应温度相对较低,因而忽略了颗粒的气相反应,只考虑催化表面上的反应。此外,我们还忽略了体积力,流动中的耗散作用和气体辐射。因此,描述上述物理模型的数学模型包括以下控制方程:

    如上所述,本文只考虑颗粒在催化表面上的反应。颗粒表面催化燃烧的反应机理在文献[3~5]中有报导,本文使用的颗粒在催化剂Pt表面的详细反应机理如表1所示6]。它包括了7个反应物在表面的吸附反应,11个吸附在催化表面上的反应物之间的反应和5个反应产物的解吸反应。所有反应涉及的组分包括:CH3,CH2,CH, CO,C02,H20,C,H,0和OH。

4计算结果与讨论

    本文计算了当量比为0.4的颗粒和空气混合物,入口CH4初始质量浓度为2.077%,初始温度为298 K流速为】6 cm/s,对应的Re= 10。图2给出了等生物质燃烧机壁面温度下颗粒和C02的浓度分布。对应不同的等壁面温度条件,初始条件相同的颗粒经过催化壁面后,其转疲率有一定的差异。如生物质燃烧机壁面温度如一950K条件下,颗粒的最低质量浓度为0. 466%,出口处的颗粒质量浓度约为0.923%转变率为55. 56%。随着生物质燃烧机壁面温度的升高,颗粒的转变率也逐渐增大。当生物质燃烧机壁面温度升商到1100K时,颗粒的最低质量浓度为0.190%,颗粒转变率为65.77%。对应于催化表面附近的最低CH4质量浓度,C02的质量浓度达到最大值。

    由以上结果可以看到,在等壁面温度条件下,虽然壁温从950 K~1100 K升高了150 K,但CH4的转变率没有实质性的提高(约10%左右)。原因是由于采用等壁温条件所造成的。由图3的温度分布和等值线可以看到,颗粒在催化壁面反应后,放出的热量首先加热催化表面,使其温度升高。同时通过传热作用使燃气温度也升高,但由于等壁温条件的限制,在微尺度燃烧空间内,燃气温度升高的幅度有限,而大部分热量通过外壁面散失到环境。因此,逆向换热的思路没有得到实施。

    在图3给出的温度分布中,生物质燃烧机内的最高温度均出现在催化壁面的前驻点,并随壁面温度的升高而增大(从壁面温度950K的1159K增大到壁面温度1100 K的1222 K)。

    为了比铰不同边界条件对颗粒催化转化的影响,本文还计算了生物质燃烧机与环境对流散热条件下,颗粒在同一生物质燃烧机内的燃烧过程。图4给出了环境温度900K、颗粒空气混合气入口温度为600K、散热损失为10W] (ffl2 0K)条件下,0-14浓度分布和温度分布o

    从图4中呵以清楚看到反应后的高温产物气体在流出反应区的过程中,温度逐渐降低。这主要是我们假定壁面和环境之间是通过对流来交换热量的,这样的边界条件使得热量的散失不像等壁温条件那样剧烈。从而,高温的反应产物能通过传导壁面来预热来流。比较图4和图3的温度分布可以发现,在对流换热条件下,可燃混合气在到达催化壁面的时候已经达到较高的温度水平,远远高于等壁温条件下的可燃气预热温度。可燃气高的预热温度促进了CH4的催化转化,提高了催化表面的温度(高达大约1500 K),增大CH4的转变率。图4的结果表明,在对流换热条件下颗粒的最小质量浓度仅为0. 027%,颗粒的转变率达到90%左右,表明催化微生物质燃烧机内颗粒催化燃烧的数值模拟应进行得相当完全。由此可以看到,在这种情况下,由于有效地减少了壁面造成的散热影响,反应中放出热量的很大一部分被用来加热进入反应区的低温预混气,从而实现了部分逆流换热的效果。

5  结  论

    由不同边界条件下CH4在微尺度生物质燃烧机燃烧的初步数值计算结果可以看到,当量比为0.4的甲烷空气混合物在有催化表面的微尺度生物质燃烧机内,可以实现持续、稳定的转变。它突破了颗粒常规燃烧的火焰传播极限。计算结果表明,在等壁温度条件下,壁温越高,CH4的转变率越大,即燃烧越完全。但是,比较等壁温边界条件和等散热量边界条件下的计算结果,发现在等散热量边界条件下


,由于实现了逆流换热,使可燃预混气在到达催化剂表面前温度升蒜从而有利于颗粒的转变。由此可以看到,在微尺度燃烧条件下实现逆流换热对火焰的稳定、以及提高燃烧效率都具有非常重要的意义



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点击次数:  更新时间:2017-04-03 16:25:00  【打印此页】  【关闭