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行业新闻

低氮氧化物生物质燃烧机的研究

低氮氧化物生物质燃烧机的研究

摘要:文章综述了燃生物质燃烧NO。生成理论与计算公式,利用计算流体力学(CFD)软件对浓淡式生物质燃烧机进行了燃烧模拟研究,形成温度场、各组分浓度场等状态参数,提出了设计NO。生物质燃烧机的方法,达到了降低氮氧化物排放的目的。

    氮氧化物和一氧化碳等是燃生物质排放的主要污染物,其中氮氧化物会严重影响大气环境和人体健康,因此,有效降低生物质燃烧机的NO。排放,是人们重点关注的问题之一。低氮氧化物生物质燃烧机一般采用空气分级供应、浓淡燃烧和烟气再循环等技术,其中浓淡燃烧与传统的强制鼓风式燃烧器结构基本一致,较适合于对现有生物质燃烧机的低NO。改造,因此受到各方面的重视。

    浓淡燃烧技术将主燃烧区分割为浓火焰和淡火焰,燃烧时浓火焰的助燃空气量小于理论空气量,而淡火焰的助燃空气量大于理论空气量,使两种不同火焰工作在偏离理论空气量的工况下,避开了理

论燃烧温度的高峰值,降低了燃烧区的温度,达到有效控制NO。生成量的目的;两区域燃烧产物相遇后,浓火焰的剩余可燃成分与淡火焰的剩余空气量进行二次燃烧,这时白于一次燃烧产物的存在,同样也降低了燃烧温度,最终达到控制燃烧总的NO。生成量的目的。

    利用CFD(计算流体力学)进行低NO。燃烧器研究,可充分利用现代计算技术,模拟出燃烧过程中的各种状态参数,加深对燃烧器的工作过程的理解,因此,在进行燃烧器概念设计、鉴别燃烧器运行故障,以及减少试验费用等方面具有明显的优势,从而实现降低生物质燃烧机设计成本和控制污染物排放量的目的。

2  燃生物质燃烧NO。生成量计算理论

    氮氧化物具有多种形式,但由燃烧产生并成为污染物的主要是NO和N02,这里统称为NO。。NO。是燃烧的必然产物,按照不同的生成机理,一般可分为热力型NO。,快速型NO。和燃料型NO。三种。由于燃生物质中氮的有机化合物含量极少,且燃烧烟气中的NO。有90u/o以上是NO,N02不足10010,因此,研究燃生物质燃烧NO。的生成机理,实际上就是研究热力型和快速型NO的生成机理。

    预测NO。的排放,需要通过给定的流场和燃烧结果来求解NO浓度的输运方程,显然,准确的燃烧模拟结果是NO。预测的前提。模拟计算时必须为燃烧模型提供一定的热物理参数和边界条件,并采用适当的湍流、化学反应、辐射和其他子模型,因此NO。的预测精度取泱于热物理参数、边界条件的输入数据以及所选择的物理模型的精度。因此大多数情况下,模拟计算只能预测NO。的变化趋势,而不能精确预测NO。的实际生成量。尽管如此,准确预测NOx的变化趋势可以减少实验室试验的次数,方便进行多种设计方案的比较,从而达到缩短产品设计周期、减少产品开发费用的目的。这是NO。模拟计算的真正功能,实际上也是CFD的一般功能。

3.3快速型NO。的形成机理

    碳氢化合物燃烧时,NO。的实际形成速率会超过直接由氮分子氧化而产生NO。的速率(即热力型NO。)。显然,这里存在着第二种NO。的形成机理,它由Fenimore首先提出,并被称为“快速型NO

    通常,生物质燃烧机的快速型NO。占燃烧器总的NO。的比例较小。但是在表面燃烧器、分段燃烧系统以及燃生物质轮机中,快速型NO。所占的比例就相对高一些。另外,当采用新方法(例如优化燃烧器设计或炉型)使NO。的排放降到一个非常低的水平时,考虑快速型NO。的就显得更为重要。

    快速型NO。在富燃火焰中最为普遍。实际的形成过程包括一系列复杂的反应和许多可能的中间组份。

    快速型NO。与单位体积里碳原子的数量成比例,而与碳氢化合物本身的形式无关。形成HCN的数量随着碳氢基的浓度增加而增加,而碳氢基的浓度随着燃料/空气当量比的增加而增加。在当量比不断增加的过程中,快速型NO。产量先增加,随后达到一个高峰值,最终由于氧的不足而降低。

    通过比较NO。峰值位置的概率密度分布与CH峰值位置的概率密度分布,研究发现它们有紧密的一致性,表明火焰基部的NO。主要是快速型NO。,且是通过CH反应而形成的。因此可以假定由反应式

(11)控制快速型NO。

    从反应(11—15)看,火焰中快速型NO。的预测需要结合NO。动力学和实际碳氢化合物燃烧机制。由于碳氢化合物燃烧机制包括许多步.机制极其复杂而且所需计算量很大,因此在目前的NO。计算模型中,通常采用De Soete提出的通用动力学参数。DeSoete把总的NO。形成速率的实验值与通过对NO。和N2形成的全部经验反应速率的数值积分得到的形成速率进行了比较。他提出总的快速NO。形成速率可通过下式来预测:

    在火焰的初始形成阶段,快速型NO。是在富燃条件下形成的,这里0浓度很高而N基几乎全部形成了NO。而不是氮气。因此,快速型NO。

    其中以是氧气反应指数,R是通用气体常数,p是压力(都用国际单位)。在这里,快速型NO。形成速率是针对氮气和燃料浓度的一级反应,而氧气反应指数口取决于实际工况。

    对于不同的混合浓度和燃料类型,方程式(18)与Backmier等人验证的实验数据有矛盾,预测计算结果表明在富燃条件和燃烧高碳氢燃料时,模型预测得很不准。为了使所有条件下减少误差并有效地预测快速型NO。,通过利用已有的实验数据对DeSoete模型进行修改,提出一个综合不同燃料种类和空气燃料比的修正因子。

    对于碳氢燃料,,z是每个分子中碳原子数,矿是当量比。修正因子,是实验数据的拟合函数,对脂肪族烷烃燃料(C。H2n+2)有效,适用于当量比在0.6—1.6范围内。kpr和Ea的值可根据参考文献进行选择。

    需要指出的是,这里的当量比是指火焰的全局当量比,而不是指在流场中随空间变化的值。尽管分级燃烧等燃烧器的复杂几何形状会给确定妒带来一定的难度,但由于快速型N0。占总的NO。排放比例通常很小,可以认为不会偏差很大。

    上述NO的形成机理适用于分子扩散条件被完全确定的层流预混火焰或激波管。在实际的燃烧系统中,燃烧大部分是高度紊流的。而紊流混合过程导致的温度和组分瞬时脉动会影响火焰的性能。

    由于NO。的生成速率、温度和组分浓度之间的关系是高度非线性的,如果直接在上述计算模型中使用时均组分和温度来预测平均NO。生成速率,会产生明显的误差。因此,考虑温度和组分的脉动必须引入描述随时间变化的概率密度函数。

    在紊流燃烧计算中,一般通过求解密度加权、时均N-S方程来获得温度、速度、组分浓度和脉动值。因此,计算NO浓度必须在流场区域中的每一点上使用平均流场信息来计算时均的NO生成速率。

    由于随机密度函数(PDF)方法在紊流的理论描述方面已被证明非常有效,因此NO。的平均紊流反应速率计算可以根据PDF技术来进行。实陈计算时,可以用输运方程的解中获得温度、组分的平均值来构建PDF。

    PDF用于衡量NO生成瞬时速率的权重,只要在一定范围内进行积分,就可获得NO。的平均紊流反应速率。

3 NO。模拟计算的CFD实现

    由于燃烧模拟计算过程极其复杂,一般多采用商业CFD软件来完成。FLUENT是目前国际上比较流行的适合燃烧计算的商用CFD软件包。本研究通过FLUENT对浓淡式燃烧器的头部进行模拟研究,计算相应的向量场,分析燃生物质和空气的混合均匀性以及污染物的生成情况。

    由于一般商业CFD软件已经把被证明成功的算法捆绑在其中,运用CFD软件进行模拟计算,实际上就是如何准确、合理使用CFD软件的问题。

    本研究的燃烧器目标是适应小型燃生物质锅炉等中温炉,采用浓淡火焰燃烧技术。浓火焰过剩空气系数为0.6—0.8,淡火焰的过剩空气系数取1.2~1.8,两种火焰总的过剩空气系数控制在1.05—1.1。为了改善浓淡火焰低NO。燃烧技术,采用浓淡两种火焰对冲的技术方案,加强燃烧产物的混合,促进完全燃烧、降低烟气中CO含量。本研究的生物质燃烧机,燃生物质种类为天然气,低热值日=35.800 MJ/m3,燃气压力为2 kPa,燃烧器输出最大功率为425 kW。

    模拟计算具体的工作分为以下工作。

3.1对燃烧器进行CAD建模,合理划分计算网格

    计算网格的稀疏及网格单元的形状将会对以后的计算产生很大的影响。为保证计算的稳定性和效率,不同的算法对网格的要求也不同。建模的范围是燃烧器的头部及头部外的半无限大空间,网格种类采用四面体网格。建模和网格划分由GAMBIT软件完成,图1和图2分别为计算区城的网格划分及燃烧器头部的放大图。

3.2设定计算的边界条件

    为了进行准确计算,需要加入几何壁面的边界条件。对本研究的燃烧器来说,可将燃生物质入口设为压力或速度进口,空气入口设为速度进口,速度由风机送风量经计算得到,而烟气出口设为压力出口,数值为大气压力。

3.3计算

    建模及计算网格生成后,就可以用FLUENT软件读入。由于CFD软件为通用软件,因此计算前必须进行必要的设置。选择的模拟如下:

    1)紊流模型设为标准K-e双方程紊流模型;

    2)组分输运模型,设为甲烷一空气混合物;

    3)燃烧模型设为化学反应流容积模型;

    4) NO。模型采用热力型、快速型和紊流交互模型,其中热力型NO。模型中O和OH分别采用局部平衡法,紊流采用温度PDF模型。

    5)设定边界条件,燃生物质入口的物质组分为甲烷1,入口为速度进口,流速为9.54 m/s,而空气入口的氧气质量组分为0.23,流速为6.02 m/s,燃烧器出口压力设为0压。

    6)进行计算初始化,给出计算起点。

    经过迭代计算,得出结果,图3和图4分别是燃料和氧气的摩尔浓度分布情况。

    通过对温度场和NO。摩尔浓度场进行分析,浓淡燃烧器的温度场更加趋于一致,消除了局部火焰的高温区,消除了生成NO;的条件,很大程度上限制了NO。的生成。从数值上来看,温度峰值为2 080K,超过1 770 K的高温区域仅占总研究区域的3.37%,出口NO;质量浓度为1.296xl0-7 kg/1113,换算成过剩空气系数为1的体积浓度为10.6×10-6,达到了我国气体污染物排放的一级要求。由于燃生物质燃烧过程中所产生的氮氧化物绝大部分都是温度型NO。,因此,降低燃烧局部高温就成为降低NO。排放量的最有效途径。

4结论

    建立燃烧器的流体力学模型,并用CFD软件对燃烧器头部的流场进行三维稳态燃烧反应数值模拟,可以获得燃烧温度分布及NO。等大量的相关数据,从而对燃烧器的燃烧特性及污染物的排放量有一个全面的认识。通过对不同结构的模拟分析与比较,可以找出相对优化的燃烧器设计方案,与传实验研究相比,不但降低了研究费用,而且可大幅度提高效率,具有单纯实验研究无法比拟的优势。


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点击次数:  更新时间:2017-07-31 20:44:16  【打印此页】  【关闭