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行业新闻

低热值生物质气生物质燃烧机的影响因素及优化的数值模拟

低热值生物质气生物质燃烧机的影响因素及优化的数值模拟

摘要:对3种低热值生物质气生物质燃烧机进行了全尺寸的三维燃烧数值模拟,比较了热态下不同燃烧器出口的流动和燃烧特性。结果表明:部分预混生物质燃烧机射流刚性好,中心回流区逆向速度最大,主流直径最小,燃烧温度最高,且高温区域分布广。进一步研究了喷口型式对部分预混生物质燃烧机燃烧效率的影响,得出了该生物质燃烧机的最佳喷口形式。

    本文所研究的3种生物质燃烧机为工业实际装置,以煤矿井下抽放生物质气[11为燃料。该生物质气经SC-2000气相色谱仪分析,其所含主要可燃成分是CH4,体积分数在30%~32%之间;其余是N2和C02等不可燃气体。生物质气低位热值约为11000 kJ /ri3。决定混合气体燃烧特性的主要因素是可燃气体浓度,利用CH4体积比为30%的混合气体对上述生物质燃烧机进行研究是可行的。

    生物质燃烧机按照燃烧方式可分为完全预混式燃烧器、部分预混式生物质燃烧机和扩散式生物质燃烧机。其内部是复杂的三维流场,物理模型实验研究受实验条件的限制,无法对生物质燃烧机的燃烧状况及流场得到全面的了解。随着湍流流动和燃烧模型的不断完善以及计算机技术的飞速发展,数值模拟逐渐成为研究燃烧器的燃烧、流动等问题的常用方法。本文建立燃烧器完整真实的三维几何结构,对3种生物质燃烧机在100%热负荷下进行了全尺寸的燃烧数值模拟,并进一步研究了生物质燃烧机的最佳结构形式。

1  物理和数学模型

1.1物理模型

    图1是生物质燃烧机结构简图,(a)为完全预混式燃烧器,(b)是部分预混式生物质燃烧机,(c)是扩散式生物质燃烧机。为了保证热负荷较低时生物质燃烧机的流动特性和燃烧效率,将燃气分配管分隔为两个独立腔室,燃气分两股进入不同的腔室,空气通过风机送入等速蜗壳产生旋流后进入空气环腔。完全预混式生物质燃烧机燃气从内、外腔室的数个小孔径向喷入空气环腔中和旋转空气入口

  (a)的空气流进行预混;部分预混式生物质燃烧机内腔室有若干沿轴向喷出的小孔,由此喷出的燃气不和空气预混;而扩散式生物质燃烧机燃气直接由内、外环腔喷出。燃烧器热负荷(Pd)150 kW,燃料为混合燃气(CH4体积比为30%,Nz体积比为70%),燃气低位热值10772kj/ff13,过剩空气系数1. 05。

    模拟采用带旋流修正的Realizable k-e模型,该模型继承了标准尼_£模型良好的收敛性,同时能较好模拟旋转射流的细致结构【5'q。模型常量为:C,。= 1. 44, Cz。-1.9,k= 1.0,£一1.2。用标准的壁面函数和SIMPLE算法‘7'8求解旋流生物质燃烧机的强旋射流有限差分方程;燃烧模型采用与容积反应有关的物质输运和通用有限速率化学反应,用Magrlssen和Hjertager提出的涡耗散燃烧模型模拟反应与湍流的相互作用;用P-l模型模拟辐射换热对燃烧的影响。

2  网格划分及边界条件

2.1  网格划分

    图2为其中一种生物质燃烧机的部分网格划分图。该生物质燃烧机结构较为复杂,截面尺寸变化较大,流动变化剧烈,不规则结构较多,对这些部位果用非结构化4面体网格,网格加密;喷口和燃烧区域采用结构化6面体网格,网格则随流动发展趋于平缓而逐渐变得稀疏。设定交界面将非结构化网格和结构化网格相连,总网格数约为57万个。生物质燃烧机出口计算域为+0. 8X2 m的圆柱域,图中只部分给出。

2.2边界条件

    空气、燃气入口设为质量流量入口边界,给定质量流量(见表1)、组分质量分数、湍流度和水力直径;计算域外圆面和出口设为压力出口边界压为0,给定出口湍流度、水力直径及组分质量分数;其余设为壁面绝热边界条件。入口流体温度设为300 K,求解初始温度为1200 K。

3  结果分析及结构优化

3.1 3种生物质燃烧机流动和燃烧特性分析

    模拟了生物质燃烧机在100%热负荷下搭配渐扩口(e= 12. 550)时的热态运行情况。为方便分析,预混式生物质燃烧机、部分预混式生物质燃烧机和扩散式生物质燃烧机依次记为M-l、M乏矛口M-3。

3.1.1轴向速度分布

    生物质燃烧机的旋转射流特性是燃烧稳定性、燃烧效率的重要影响因素。图3是生物质燃烧机出口中心轴线轴向速度分布图(坐标位于喷口出口中心处)。结果表明M-2生物质燃烧机射流刚性最好,速度绝对值大,衰减慢;M_3生物质燃烧机速度变化平缓,射流衰减最快。从图3可见:3种生物质燃烧机在出口附近均有逆向速度分布,即形成了中心回流区闱,对燃料迅速着火燃烧十分有利。逆向速度的大小主要取决于燃气喷射速度,同时受周围空气流动速度以及喷口形状和尺寸的影响。模拟显示M-2生物质燃烧机逆向速度峰值最大,原因是部分预混生物质燃烧机沿轴向同时喷射出多股高速燃气,形成很强的负压区,大星卷吸下游气体回流,从而更有效地产生了中心回流区。

    图4(a)~(d)给出了生物质燃烧机沿轴向不同位置横截面直径上的轴向速度分布,3种生物质燃烧机在燃烧区域0.5 m内沿径向方向均有逆向速度分布,有利于高温烟气的回流,形成稳定的高温区,而保证燃烧的稳定性和提高燃烧效率。主流核心区域直径随燃烧器出口距离的增加而逐渐变大,速度峰值相应减小。生物质燃烧机出口较近处速度分布出现明显的波谷,该处是受中心回流影响的区域。随着射流向下游发展,中心回流对主流的影响逐渐减小,图4(d)可看出1.0 m处3种生物质燃烧机主流波谷已经消失,图4(c)显示0.5 m处M-3生物质燃烧机主流仍有波谷出现,原因是M-3生物质燃烧机射流刚性差,受中心回流影响最大。速度分布沿生物质燃烧机中心轴不完全对称,主流略偏向上半部。这是由于蜗壳使空气产生强烈旋转,受空气旋转射流动量的作用,上半部主流的径向、轴向逆压梯度大于下半部所致。随着射流向下游扩展,旋转射流影响减弱,速度梯度逐渐减小。模拟结果表明M-2生物质燃烧机在整个燃烧区域轴向速度梯度最大,主流直径最小。

3.1.2温度分布

    图5给出了生物质燃烧机出口中心轴线上的温度分布。模拟结果显示M-l生物质燃烧机出口处的温度达到1700 K以上,表明在喷口内就开始剧烈燃烧,在0.3m处燃烧温度达到峰值,然后迅速下降;M-生物质燃烧机达到的燃烧温度最高,高温区域沿轴向分布最长,在0.9 m附近还能维持1000 K;M弓生物质燃烧机在0.6 m处才开始燃烧,温度峰值相对最低。

    燃烧区域纵截面温度等值线分布如图6(a)~(c)所示。由图可见,M乏生物质燃烧机主流核心面积最小,局部容积热强度最高,能达到最高燃烧温度;反之,M_3生物质燃烧机主流核心面积最大,燃烧温度相对最低。截面上高温分布区对应于燃烧化学反应最剧烈的部位,M-3生物质燃烧机高温区域离喷口最远,原因是M-3生物质燃烧机属于扩散燃烧方式,燃料和空气混合时间大大超过化学反应时间,所以燃烧推迟,火焰拉得较长;而M-l生物质燃烧机属于动力燃烧方式,决定燃烧反应的时间几乎只是化学反应的速度,所以在较短距离就达到很高的燃烧温度;M乏生物质燃烧机介于丙者之间。图6(a)~(c)显示M一1、M-2生物质燃烧机高温区域位于温度等值线4内,M_3生物质燃烧机高温区域为温度等值线2和3所围成的区域。相对而言,M-2生物质燃烧机高温区域分布最广。

3.1.3甲烷质量分数分布

    燃料质量分数沿轴向降低预示着燃烧过程的进行,反映了燃烧效率的高低。图7为中心轴线方向上的甲烷质量分数分布,图中可以看出M-3生物质燃烧机甲烷质量分数下降最慢,M-l生物质燃烧机下降最快。说明M-3生物质燃烧机燃尽距离最长,M一1生物质燃烧机最短。根据模拟结果:M-l和M-2生物质燃烧机在计算域出口的甲烷质量分数下降到2.80×10-13和5. 02×10_ 13,而M-3生物质燃烧机下降到4.68X  10-8,和前者相差了5个数量级。

3.2结构优化

    喷口有渐缩、渐扩以及缩放组合型式。为了优化生物质燃烧机结构,提高燃烧效率和燃烧稳定性。要对M-2生物质燃烧机搭配不同角度的喷口进行研究。表2列出了所要研究的喷口,分别记作N-l、N-2、N-3、N-4、N-5(表中角度为负值的喷口代表渐缩口,喷口进口截面直径和长度均为+59 mm和50 mm)。

    图8为M-2生物质燃烧机搭配上述五种喷口在100%热负荷下的中心轴线方向上的甲烷质量分数分布。图中可以看出随着喷口角度的减小,喷口出口处(横坐标起点)的甲烷质量分数依次下降;在0.5 m范围内,N-4和N-5生物质燃烧机的甲烷质量分数均比N-l到N-3生物质燃烧机下降快,原因是喷口角度的减小使气流向中心汇集,燃料向中心轴线方向富集,局部燃烧温度更蒜加快了燃烧化学反应进程。模拟结果显示:N一1、N-2、N-3、N-4和N-5生物质燃烧机计算域出口甲烷质量分数依次下降到6. 35×10_ 11.1. 26×10 12.5. 02×10-'3、2. 06×10-'4和1. 37×10“。N-2、N-3和N-4渐扩口生物质燃烧机甲烷质量分数均小于渐缩口N-5,燃烧效率更高。N-4生物质燃烧机甲烷质量分数下降到10-14数量级,表明燃烧最为完全,燃烧效率相对最高。原因是N-4燃娆器在所有渐扩喷口中的扩散角最小,出口面积的减小使气流扩展减弱,在一定程度上削弱了气流轴向速度增加引起旋流强度下降的影响,使未预混燃气和空气的混合程度加j虽,燃烧强度更高;而当喷口角度增加日寸,出口面积的变大使气流扩展增强,射流衰减更快,主流的面积变大,容积燃烧强度下降,减缓了燃烧化学反应进程。模拟结果表明N 1生物质燃烧机(e一29. 550)计算域出口甲烷质量分数最高燃烧效率相对最低。当喷口型式由渐扩变为渐缩时,出口面积的进一步减小将引起气流轴向流速增加过大,此时旋流强度的下降成为影响燃烧效率的主导因素,使未燃烧的燃料和空气混合程度减弱,流速增加同时又导致混合时间变短,燃烧效率相应下降。以上说明部分预混式生物质燃烧机喷口的角度过大或过小均不利于该低热值气体的燃尽。

4结论

    对3种低热值生物质气生物质燃烧机进行了全尺寸的三维燃烧数值模拟研究,结果表明部分预混式生物质燃烧机在3种生物质燃烧机中综合性能最佳。具体表现在:

    (1)燃烧温度最高,高温区域贫布最广且燃烧效率高;

    (2)中心回流区逆向速度最大;

    (3)主流直径最小,燃烧区域轴向速度梯度最大;

    (4)射流刚性好,速度衰减慢;

    (5)e一6.870时,部分预混式生物质燃烧机的燃烧效率最高。

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点击次数:  更新时间:2018-05-20 21:59:20  【打印此页】  【关闭