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行业新闻

生物质颗粒燃烧机结构对气体火焰形状和炉内温度分布的影响

生物质颗粒燃烧机结构对气体火焰形状和炉内温度分布的影响

    摘要:利用数值模拟方法,选用标准的K-£湍流模型、PDF扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型、研究了燃烧器结构对气体火焰形状和炉内温度分布的影响,主要考察了不同生物质颗粒燃烧机喷孔直径、喷孔角度和旋流角度下速度、温度、火焰形状等参数的变化规律。结果表明,喷孔直径越小,喷孔出口速度越大,速度峰值也越大,射流的影响区域越大,燃料与空气的混合越好,燃烧速率越高,燃烧的火焰越短、越窄;喷孔角度和旋ff/,Hd风电呵以增强混合、强化燃烧,但其对火焰形状及长度和炉内整体的温度分布影响很小。因此,若要提高辐射传热效率、只能从配风和火道形状的优化人手,开发新结构的高效生物质颗粒燃烧机。

    管式加热炉是炼油厂和石油化工厂的重要设备之一。它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的离温火焰与烟气作为热源,加热炉管中流动的油品,使其达到工艺规定的温度,保证生产正常进行。炼油厂的生产过程要求长周期、低消耗、大处理量、高质量,管式加热炉运行状态的优劣往往是实现上述指标的关键之一。生物质颗粒燃烧机是管式加热炉的重要部件之一。其最佳结构对于保证加热炉内燃烧过程顺利进行起着决定性作用[2'31。因此,开发新型生物质颗粒燃烧机结构、优化加热炉内流动和燃烧过程、获得最佳火焰形状和取热效果都具有较高的理论意义和工程意义。

    由于加热炉系统庞大、复杂,测量手段受到较大限制,因此研究人员和操作人员对于炉内的燃烧细节了解较少,难以对炉内燃烧状况进行优化、使加热炉在最佳状态工作。近年来,随着计算流体力学和计算机技术的快速发展,研究燃烧过程的数值模拟方法迅速发展,在正确地建立了几何模型、采用了适宜的控制方程、物理模型和求解方法后,可以得到在各种工况下加热炉内部流动、燃烧和传热过程的细节情况。本文以常压加热炉为背景,利用数值模拟的方法,研究炉内燃烧过程的详细状况,并考察了生物质颗粒燃烧机结构对燃气加热炉内流动和燃烧过程的影响规律,为生物质颗粒燃烧机的设计提供指导。

l  几何模型的建立与网格划分

    生物质颗粒燃烧机位于炉膛的底部,被加热的介质在立式炉管中流动。炉膛直径为2m,高度为9m。燃气喷头上开有12个沿周向均布的小孔,喷射角度为口。由喷嘴喷出的高速燃气射流呈现中空圆锥

状进入火道,与通过生物质颗粒燃烧机底部中心进入的一次风充分混合,实现贫氧燃烧过程;燃烧产物与剩余的未燃烧燃料向上流动,与通过底部环形通道进入的二次风混合,在火道中尾部实现富氧燃烧,最终形成细长圆柱形火焰和高温烟气,并将热量以辐射和对流的方式传递给炉管内流动的原油。在这种生物质颗粒燃烧机中,燃气喷头的结构对火焰形状的形成和炉内温度分布有重要的影响。本研究主要考察燃气喷头上喷孔直径、喷孔角度、配风旋流角度变化后火焰形状和温度分布的变化规律。

2数学模型的选择与计算条件的确定

    在常压炉的计算中,采用了标准的K-L-双方程模型、PDF扩散燃烧模型和离散坐标法来分别模拟流动、燃烧和辐射传热过程。其基本方程的通式如下:

    其中等号左端第一项为非稳态项,第二项为对流项;等号右端第一项为扩散项,第二项为源项。£是时间,p是流体密度,妒是变量,Xj(j =1,2,3)是不同的生标参数,Ⅱj是不同坐标方向上流体流动速度,厂是扩散系数.S是源项‘4】。

    在计算过程中,参考实际运行的常压炉操作条件,确定单个生物质颗粒燃烧机的功率为505 kW,燃气的主要成分为CH4,温度为118℃;氧化剂采用常温无预热空气,温度约为25℃,过剩空气系数是1.1。根据上述工艺条件,在燃气人口和空气入口处施加速度入口条件,炉膛出口处设为充分发展的压力出口条件,炉管壁面设为取热壁面,其它为绝热壁面。

3  喷孔直径对火焰形状和温度分布的影响

    在以上计算条件相同的前提下,分别研究了喷孔直径d为3.5 ,3. 0,2.5 ,2.0 mm四种不同结构的燃烧过程,燃料人口的流量和热值相同。因此在保证其它条件相同的情况下,燃料人口的速度与喷孔直径的平方成反比。

    图2是不同的喷孔直径下炉膛中心线上的速度和温度分布。由于喷孔直径逐渐减小,喷孔出口速度逐渐增大,因此中心截面上总体速度逐渐增大。速度越大,射流的影响区域越大;喷孔直径小时,速度峰值最大。这也是由于燃料人口速度和射流的影响。但是,到炉膛出口附近,射流影响所造成的这种差异则逐渐消失了,烟气出口速度基本一致。由于在所研究的生物质颗粒燃烧机结构中,燃料从多个周向均布的小孔中高速喷出,霉个中心截面上的两个小孔的夹角为400,因此生物质颗粒燃烧机上部的中心处都产生了较大的低温回流区。随着喷孔直径的减小,这个低温区域的范围也逐渐减小并消失。随着喷孔直径的减小,喷射速度提高,加剧了燃料与空气的混合和燃烧速率,燃烧在较短的区域内完成,且燃烧强度增大,峰值温度增大。

    不同的喷孔直径下火焰形状的变化如图4所示。随着喷孔直径的减小,喷射速度增大,燃烧速率增大,火焰宽度和长度都是逐渐减小的。这与火焰形状随燃料组分中碳原子个数变化的趋势相同。这两种情况下具有相同的变化趋势,说明火焰长度在很大程度上为动量交换所控制。

4  喷孔角度对火焰形状和温度分布的影响

    在喷嘴的结构设计中,喷孔的喷射角度对火焰基本形状的形成非常关键。研究了喷孔角度口分别为300,400,500三种不同结构下生物质颗粒燃烧机火焰形状和温度分市情况。

    图5是不同喷孔角度下生物质颗粒燃烧机附近速度矢量分布。由于燃料喷孔是沿周向均布的,射流特点为中空圆锥形,故在燃料喷口的上方形成了回流区。随着喷孔角度的增大,回流区的范围逐渐增大。

    图6是不同的喷孔角度下炉膛中心线上的速度和温度分布。随着喷孔角度的增大,沿炉膛高度方向的速度分量逐渐减小,因此中心轴线上出现了不同的速度峰值和温度峰值。由于喷嘴角度不同并未影响喷射速度,因此喷孔射流对半径方向速度和温度分布的影响较小。

5  旋流角度对火焰形状和温度分布的影响

    当空气或燃料的供给采用旋流的方式时,这种旋流必然引起炉膛内涡旋和回流的产生,这将化燃烧和传热的效率。如图8所示,一、二次风在进入炉膛参与燃烧时与炉膛的轴线呈一定的旋流角度。对于空气和燃料实施了四种不同的旋流组合方案,一次风、二次风和燃料入口分别施加了旋流条件,如表l所示。在方式Ⅳ中,燃料和空气的人口都具有旋流特性,但是二者的旋流方向刚好相反:这是为了加强燃料和空气之间的混合效果,强化燃烧。

    图9是炉膛内的温度分布。由图可见,在火焰根部区域星,由于旋流可以强化混合和燃烧过程,温度分布比较均匀,但对于炉内整体温度分布的影响较小,火焰形状和长度的变化不大。

6结论

    (1)由于中空圆锥形射流的影响,火焰根部呈现“双峰”结构,但随着轴向高度的增大,射流影响逐渐消失,“双峰”也逐渐消失。

    (2)喷孑L直径越小,喷孔喷射速度提高,速度峰值也越大,射流的影响区域越大。这加剧了燃料与空气的混合和燃烧速率,燃烧在较短的区域内完成,燃烧的火焰逐渐变短、变窄。

    (3)喷孔喷射角度和旋流配风对火焰根部的速度分布和温度分布有一定影响,但对于炉膛内的整体分布和火焰形状及长度的影响较小。

    (4)从优化炉内流动和燃烧过程角度来看,较小的喷孔直径、较大的喷射角度和旋流配风均有助于燃料与空气的混合,强化燃烧的完全性;从传热的角度来看,较长的火焰有利于炉管内的油品均匀吸收热量,保证生产的顺利进行。若要提高辐射传热效率,还必须打破现有的常规生物质颗粒燃烧机设计的模式,从优化配风和火道形状人手,开发新结构的高效生物质颗粒燃烧机。


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点击次数:  更新时间:2017-08-19 21:14:31  【打印此页】  【关闭