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行业知识

生物质颗粒燃烧机结构改进

生物质颗粒燃烧机结构改进

摘要:以某石油化工炼油厂在用的生物质颗粒燃烧机为研究对象,对生物质颗粒燃烧机中燃烧道出口结构提出了3种改进方案,并应用CFD软件Fl。UF.NT对生物质颗粒燃烧机结构改进前后的燃烧过程进行了数值模拟,得到了燃烧单元内速度、温度及组分分布等相关参数。结果表明,减小燃烧道出口截面积能有效地提高烟焰的射流影响,大幅增加燃烧单元内对流传热比例,生物质颗粒燃烧机火焰稳定、刚劲有力,加热效果良好。在3种改进方案中,使用圆台形出口时生物质颗粒燃烧机性能提升最为明显。

    陋着石油化学工业的发展,管式加热炉在石油炼制、石油化工、化肥、化纤等工业中的应用越来越广泛。它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源,加热炉管中高速流动的物料,使其在管内进行化学反应,或达到后续工艺过程所要求的温度n]。在管式加热炉中,生物质颗粒燃烧机产生热量,其性能对加热炉燃烧效率、燃烧稳定性、炉内温度分布、污染物的排放等因素具有决定性的影响。通常1个完整的生物质颗粒燃烧机包括燃烧道、配风器、喷嘴3部分。三者相互配合,保证生物质颗粒燃烧机的正常运行。燃料喷嘴是供给燃料并使其充分燃烧的部件;配风器的作用是使燃烧空气与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰形状;燃烧道也叫火道,萁耐火材料蓄积的热量为火焰根部提供了热源,有助于形成稳定的燃烧,燃烧道还能约束空气,使空气和燃料混合而不致散溢,与配风器一起使气流形成理想的流型。

    在生物质颗粒燃烧机使用过程中经常会出现燃料燃烧不完全、火焰飘散、炉膛内温度分布不均匀等现象,针对这些存在的问题,对生物质颗粒燃烧机进行结构改进,提高其燃料燃尽率,获得良好的加热效果具有较大的现实意义。在以往的生物质颗粒燃烧机结构研究中,喷嘴结构和配风方式往往是人们研究的热点、重点,对燃烧道结构的研究鲜见报道心]。

    笔者结合生产实际,选择某炼油厂在用的1台生物质颗粒燃烧机为研究对象,对燃烧道结构提出了3种改进方案,并利用CFD软件FLUENT对生物质颗粒燃烧机结构改进前后的燃烧过程进行数值模拟。通过对燃烧单元内速度、温度及组分分布等参数的对比,验证了结构改进的合理性,并选择出了最优方案,对新型燃烧器开发以及生产实践具有一定的指导意义。

1  生物质颗粒燃烧机几何模型的确定与网格划分

    根据现场测绘数据选定燃烧单元,对单台燃烧器的燃烧过程进行数值模拟。燃烧单元高16 m、直径4m,顶部为圆台形出口,出口直径2m。燃烧器位于燃烧单元底部中心位置,燃烧单元及生物质颗粒燃烧机结构如图1所示。初始结构中喷嘴位于燃烧道底部中心位置,助燃空气在燃烧道底部和侧壁分两级供入,燃烧道出口处为圆柱形腔体。改进后的燃烧道减小了出口截面积,出口处腔体形状分别为棱柱形、圆柱形和圆台形,且出口截面积相等。由于生物质颗粒燃烧机结构相对复杂,在网格划分时对燃烧器喷嘴、燃烧道及燃烧单元中下部等流动参数梯度变化较大的区域进行了网格加密。整个模型共生成200万非结构化四面体网格,网格数量满足计算精度的需要。

2  生物质颗粒燃烧机数学模型及计算条件

2.1  数学模型的设定

    基于物理模型的复杂性,为生物质颗粒燃烧机选择标准k-e两方程湍流模型。它是在一方程模型的基础上新引入1个关于湍流耗散率£的方程后形成的,是目前使用最广泛的湍流模型卧_5]。气相燃烧采用PDF模型,该模型不必求解每1个组分输运方程,而是解1个或2个守恒标量的输运方程,然后从预测的混合分数分布推导出每1个组分的浓度。辐射模型采用能够符合要求且计算量较小的P-l辐射模型

2.2  计算条件的设定

    燃料气中Cs Hs体积分数为49. 6%,C。H..,为50.4%。燃料和助燃空气温庋均为300 K,过剩空气系数为1. 05。燃料和助燃空气入口为速度入口边界条件,出口为压力出口边界条件,炉膛、火道壁面设为定温壁面,温度800 K,其他壁面简化为绝热壁面。

3  生物质颗粒燃烧机模拟结果分析

3.1  流线图与速度场

    图3为燃烧道结构改进前后燃烧单元内流线图。燃料通过燃烧将化学能转化成高温烟气的内能,内能又转化成动能使烟气高速喷入辐射室,产生射流作用,在喷口处较大范围内形成1个负压区,拉动燃烧单元中部的烟气向底部回流。烟气的回流速度和机械扰动强度随着生物质颗粒燃烧机结构的不同而有所差异。

    图4为燃烧道结构改进前后燃烧单元内的速度分布。从图4可以更清晰地看出燃烧道结构变化对燃烧单元内速度分布的影响。燃烧道结构改进前,基于LFI)计算的生物质燃烧机结构改进研究气以15 m/s的速度喷入燃烧单元中,在射流作用影响下,燃烧单元中下部靠近壁面处烟气发生回流,此处的速度比回流中心区域要偏高。采用四棱柱形出口、圆柱形出口和圆台形出口对燃烧道进行结构改进后,由于燃烧道出口截面积缩小,烟气喷出速度有所增大,其射流影响也更为强烈,燃烧单元内烟气回流速度和机械扰动强度都有了显著的提高。其中,使用圆台形出口时,烟焰的射流影响最为强烈,这主要是因为圆台形缩口所导致的烟气动能损失最小。随着射流作用的减弱,这几种燃烧道结构下的燃烧单元内速度逐渐衰减,燃烧单元内的径向速度趋向均匀;到达燃烧单元出口时,由于截面积突然缩小,速度有一定程度的增大。

3.2  燃料燃烧情况

    由于CO是烃类燃料在燃烧过程中的中间产物,因此可以用它来近似表征燃烧过程中火焰的大致形状,如图5所示。从图5可蚁看出,燃烧道结构改进前后燃料都能够燃烧完全,但CO分布范围差异较大。燃烧道结构改进前,燃烧过程要延伸到燃烧单元中部才能完成;减小燃烧道出口截面积后,燃烧在一个较小的区域中即可完成,其中使用圆台形出口时燃烧过程最为迅速、彻底。

    燃烧道结构改进前在燃烧单元中下游区域由于氧气与可燃组分混合不够充分,燃料未能充分燃烧;随着烟气向上游移动,燃烧过程持续的距离较长,这种情况下火焰疲软无力,高温烟气的射流作用较低,不利于燃烧单元内的温度均匀分布。减小燃烧道出口截面积后,3种结构下燃烧过程都能在较短的时间、较小的区域内完成,燃烧产生的高温烟气的射流影响大大增强。

3.3  温度场

    对燃烧道结构改进的最终目的是获得更好的加热效果,图6直观地表示出了燃烧道结构改进前后加热效果的差异。通过对燃烧单元内速度场及CO质量分数分布的分析可以看出,燃烧道结构改进前烟气射流作用较弱,燃烧单元内对流循环强度不高,这导致了燃烧核心区存在较大面积的局部高温区,燃烧单元内温度不均匀系数增高。这种情况一方面容易导致加热炉内炉管受热不均匀,产生结焦;另一方面还助长了氮氧化物的生成,严重危害环境及人休健康。

    减小燃烧道出口截面积后随着烟气射流作用的增强,燃烧单元内烟气回流和机械扰动强度越来越高,高温区和低温区的烟气相互混合,大幅度提高了燃烧单元上部低热强度区域的热强度,降低了下部局部高温高热强度区域的温度和热强度,有效降低了燃烧单元内温度分布不均匀系数。改进后的燃烧器结构中,由于圆台形出口阻力损失最小,其射流作用最为强烈,燃烧单元内温度梯度最小,温度分布最为均匀。

4  生物质燃烧机模拟结果与现场数据对比

    图7为生物质燃烧机结构改进前模拟得到的火焰形状与加热炉现场火焰的对比。从图7(a)可以看出,在燃烧核心区域上方仍存在部介未燃尽的CO,燃烧不够彻底,火焰收敛性较差。从图7(b)可以看出,火焰飘散、疲软无力,燃烧过程延伸的距离较长,火焰收敛性差。图8为使用圆台形出口燃烧道时数值模拟得到的火焰形状与加热炉现场火焰的对比。可以看出,模拟得到的火焰呈瘦长形,火焰收敛性很好,燃烧彻底;现场火焰刚劲有力,燃烧稳定、彻底,火焰收敛性很好。通过对比可以看出模拟结与现场火焰吻合较好。

5  结  论

在原有生物质燃烧机结构基础上减小燃烧道出口截面积,能有效地提高烟焰的射流作用,燃烧单元内回流速度及机械扰动强度有了显著的提高,大大降低了温度不均匀系数。在3种改进方案中,燃烧道出口腔体为圆台形时生物质燃烧机性能提升最为明显。


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点击次数:  更新时间:2017-04-05 20:15:52  【打印此页】  【关闭