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行业知识

生物质燃烧机燃烧特性的数值模拟

生物质燃烧机燃烧特性的数值模拟

    摘  要:运用Fluent软件对40 t/h锅炉用生物质燃烧机进行三维数值模拟,研究进风量对燃烧机性能及污染物NO。排放特性的影响。结果表明:合适的进风量是保证燃烧机稳定燃烧的重要条件,也是减少NO.排放的关键因素。数值模拟的计算结果为燃烧机优化设计、改造提供了参考依据。

    燃烧机是燃油气锅炉的关键部件,它决定燃料的着火及燃烧状态等,它的稳定运行是决定锅炉经济性和可靠性的主要因素,因此在设计上燃烧机必须具备组织良好空气动力场的能力。计算流体动力学是通过利用流体仿真软件来求解控制流体流动的数学方程,进而研究流体的运动规律。随着计算流体力学的发展,CFD已经成为流体仿真的主要工具。在工程设计中,首先建立数值模拟,然后用数值算法求解,并将结果可视化。经过计算结果与实验结果对比,数值模拟在时间和精度上均具有一定优势,能够比试验更全面地了解流场的变化情况03。通过数值模拟的方法来辅助燃烧机的设计将有利于保证燃烧机的性能。本文通过对40 t/h锅炉用生物质燃烧机进行三维数值模拟研究,为燃烧机优化设计、改造提供了参考依据。

1  燃烧机概述

    图1为40 t/h生物质燃烧机口型分体式结构)的局部示意图。该燃烧机有12根燃气管,包括外环8根伏口径出口和斜边小口径出口各4根)、中间4根及中间管部夹层。它们均匀地分布在燃烧机喷嘴处,与助燃空气良好混合,保证天然气稳定、高敖燃烧。该系列燃烧机助燃空气曲风机提供)由四个部分供给:第一部分从燃烧机风箱由软管引入到中心导管,用以降低火焰的中心温度曲于此处进气量非常小,故忽略不计,不进行网格化);第二部分被导入内层中心区(中心低速空气区);第三部分被分配到中间层的旋流区;第四部分速度增大并完全沿稳焰盘的轴向流动;内层中心稳定区配有一个可调节的空气进口。

2数值模拟计算

2.1  物理模型

    为了真实反映燃烧机喷嘴处燃烧情况,特意在燃烧机出口后面加入一个3 mx3 mx9 m的假想炉膛。实际流场是一个复杂的多通道区域,很难通过一种单域贴体网格来模拟,即使生成了也不能保证格质量,影响流场数值求解的效果。因此,目前常采用区域法或分区网格,基本思想是,根据外形特点把复杂的物理域或复杂的拓扑结构分成若干个网格区域,分别对每个子区域生成拓扑结构简单的网格鲒构块网格)圈。

2.2数学模型

    采用雷诺平均的N-S方程为控制方程,湍流模型采用标准k-8方程、能量方程以及连续性方程。

    使用finite - rate化学模型分析甲烷一空气燃烧系统。燃烧模型使用单步完成反应机制,同时假定燃料完全燃烧转化成CO,和H:O圈。

    涡一耗散模型Eddy - Dissipation Modal,简称EDM模型)在计算反应率时,假定化学动力学反应要比通过湍流扰动锅)对反应物的混合要快速凹。

    辐射模型采用符合要求且计算量较小的P-l辐射模型,

    NO,模型提供了一种理解NO,产生源和帮助设计NO。控制方法的工具,本文主要研究热力型NO。和快速型NO,的产生。热力型NO。主要受火焰温度的影响,其次是02的浓度;快速型NO。是由反应中间产物HCN被氧化后生成圈。

2.3  边界条件及初始条件

2.3.1  空气进口(air - inlet)的边界条件:选用燃烧机蝌格分彳Mass - Flow - inlet,其流速为13.69 kg/s鲐定天然气的热值为8 500 kcal/mi,流量为3 600 IJ13/h),湍流强度为10%。

2.3.2  燃气进口~jas - inlet)的边界条件:选用Pressure - inlet,表压为14 000 Pa,湍流强度为10%。

2.3.3  燃烧出口6udet)边界条件:选用pressure -outlet,表压为3 000 Pa,由于出口属于弱湍流,其湍流强度取2%。

2. 3.4  壁面条件:为了方便研究炉膛内部燃烧情况,故设置为绝热壁面。

2.3.5  初始条件:在初始化中我们将表压定为10 000 Pa,温度定为2 000 K。

2.4  燃烧机总体性能分析研究

    以下是上述边界条件下即设计的标准工况下的模拟结果。

    从图3来看,天然气和空气在喷头附近边混合边燃烧,在火焰裉部形成一个低压回流区。由于回流区的存在,它不断将燃烧过程中产生的高温烟气卷吸到回流区,形成一个点火源,不断点燃新鲜的混合气体,维持稳定的火焰。炉膛中心为高温区,此处·研究与开发·生物质燃烧机燃烧特性的数值模拟甲烷的浓度最大,其射流很长。

2.5.2  不同的进风量对温度场的影响

    炉膛内不同轴向位置的径向温度分布不同x值下的yoz截面)如图5 6),炉膛中心火焰区域温度最高,而且中心火焰区越来越大圈3 q)中处可以看出);而炉膛内火焰区域四周外的空间,由于主要受射流火焰的辐射性能和烟气回流的影响,其温度较炉膛中心低得多,而且温度分布较均匀。在图5 b)中还看到几个低温度区域,那是由于是燃气出口,空气供应不足,燃烧反应不能完全进行。随着燃烧的进行,低温区逐渐消失,其温度和中心火焰温度趋于一致。进风量过大或者过小,炉膛内各截面处质量加权平均温度都会减小。这是因为进风量过大,排烟量也就相应地增大,排烟余热损失增大,炉膛内温度相应降低;按照常理分析进风量过小,排烟余热损失相应减少,炉膛内各截面处平均温度会比工况A下的要高,但是从图5 6)中看到进风量过小情况下江况B)炉膛内平均温度低于工况A下的炉膛平均温度,这是因为燃料燃烧不充分,产生的热值就较低。通过比较看出进风量过大情况下江况C)炉膛平均温度比工况A下和工况B下都要小,因而工程上采用增大进风量来更有效地减少炉膛内温度,又倮证燃烧充分。从图5中还发现燃烧机出口附近工况B下炉膛内平均温度高于工况C,在此处混合气体主要受到炉膛内火焰辐射传热而温度升高,进风量小的混合气体更容易受热,进风量大的混合气体受热较慢。

2.5.3  不同进风量对NOx的影响

    从模拟的结果发现热力型NO。和快速型NO。数量级相差很大彻始温度为2 000 K),因而忽略进风量对快速型NO,的影响,故降低燃烧区局部高温就成为降低NOx排放量的最佳途径。在图6 b)中沿轴向&轴)随着射流横截面扩展,燃烧生成的NO,逐渐扩散到炉膛上方的其他区域,分布趋于均匀。虽然火焰根部区域温度很高,但是低压回流区圈36)中)造成的良好混合减少了NO。的生成。从图6 6)中可以看出进风量过大或者是过小,产生的NO.都减小,这与炉膛内平均温度曲线变化相一致,工况C下的生成量要低于工况B。因而可以采用增大进风量来减少NOx的排放。从上述等值线图中可以看出,与温度分布云图相比较,在燃烧最剧烈的地方,也是温度最高的地方,NO,的浓度也是最大的。

4结论

    d)降膜反应法的脱硫效率随S0:初始浓度的增大而减小。在实际工程设计中,宜根据煤种及其燃烧状况与实测烟气中SO,浓度确定设计SO,初始浓度。

    Q)液气比的增大能够提高烟气的脱硫效率,但液气比并不是越大越好。液气比过大,引起循环等动力能耗增加,而且被烟气带走的液滴的比例也会增加,易产生烟气带水现象,容易造成设备腐蚀或损坏,从而直接影响脱硫塔运行的经济性。因此,在保证一定脱硫效果的前提下,应尽量采用较小的面地反映炉膛内甲烷和空气的流动特性,与传统试验相比,不但降低了研究费用,具有单纯试验无法比拟的优势,结果分析可以为改善试验和现场操作提供依据。

    Q)在燃烧机运行过程中,在保证燃料基本能完全燃烧的前提下,可通过增大一定量的空气进气量的办法来降低炉膛温度,消除局部火焰高温区,减少NO,生成。

    ()与燃烧机匹配的、合理的炉膛结构形式乜有助于降低炉膛温度,消除局部火焰高温区,减少NO。生成。

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点击次数:  更新时间:2017-09-03 21:26:40  【打印此页】  【关闭