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行业知识

火焰长度可调式生物质燃烧机的数值模拟

火焰长度可调式生物质燃烧机的数值模拟

摘    要:对一种火焰长度可调式生物质燃烧机的燃烧过程建立了数学物理模型,以Fluent 6.3为平台,采用数值模拟的方法研究了热负荷及中心燃料流量与燃料总流量之比B对燃烧室内温度分布和火焰长度的影响.结果表明:改变外围燃气与中心燃气之间的流量比,能够在热负荷不变条件下,实现对燃烧室内温度场和火焰长度的调整.在同一热负荷条件下,燃烧室内的温度场和最高温度都依卢而变.随卢的增大,燃烧室内的前部高温区逐渐缩小,后部高温区逐渐增大并前移.当卢小于0.5时,火焰长度随卢的增大而缩短,而当卢大于0.5时,火焰长度随口的增大而增长,卢等于0.5时,火焰长度最短.

    大焰炉是一种重要的热工设备,在火焰炉内燃料的化学能通过燃烧转变为热能,并被工质所利用o -,生物质燃烧机是火焰炉最重要部件,对炉内的温度分布和产品能耗都有着决定性的影响,一直是人们研究的重点-胡.由于气体燃料相对于固体燃料和液体燃料而言,易达到完全燃烧,对环境污染小,因而在火焰炉热工领域得到广泛的应用阢.对传统的气体生物质燃烧机而言,火焰长度的控制一般是通过增减热负荷来实现,但某些工艺要求在不改变热负荷的情况下能对火焰长度进行调整,因此出现了火焰长度可调式生物质燃烧机,但目前的应用结果不尽人意;同时关于这类生物质燃烧机的理论和燃烧特性的研究也相对较少,因此,本文以Fluent 6.3软件为计算平台,对一种火焰长度可调式生物质燃烧机的燃烧过程建立数学物理计算模型,采用数值模拟的方法研究了热负荷及中心燃料流量与燃料总流量比对燃烧室内温度分布和火焰长度的影响,以期为该种生物质燃烧机的设计和应用提供

1  数学物理模型

    天然气是一种燃烧后无废渣、废水产生,具有使用安全、热值高、洁净等优势的优质高效型清洁能源o -,世界各国均把发展天然气工业作为实现环境与经济发展双赢的首选,因此本研究以天然气火焰长度可调式生物质燃烧机为研究对象,其结构如图1所示.来自于燃气管道的天然气在生物质燃烧机前被分为两路,分别通过中心燃气通道和外围燃气通道进入生物质燃烧机,而助燃空气则由两者之间的通道进入,在热负荷不变的情况下,通过调整中心燃气和外围燃气的比例,来调整火焰长度.

    计算构筑的燃烧室为圆柱形,燃烧空间尺寸为+4 000 mm×8 000 mm,生物质燃烧机安装于燃烧室的一端,且使生物质燃烧机和燃烧室的中心线重合.将坐标原点定义在生物质燃烧机中心线的端部,并以燃烧室的长度方向作为戈正方向,建立平面直角坐标系.

    为便于计算,特作如下假定:

    1)忽略气体流速变化引起的密度变化,认为气体为不可压缩理想流体;2)燃烧产物肉不存在散射,散射系数为零;3)燃气和氧气的反应为单步反应,无中间产物生成;4)炉壁绝热.

1.1  数学模型

    1)流动模型.气体流动方程采用标准厶一s双方程模型,七方程和s方程分别描述如下分别为平均速度梯度和浮力引起的湍动能增量,m-/S2;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;s为湍动能耗散率,m 2/s3;模型常数的取值分别为C,=1. 44,C:=1. 92,C3=1.O,CH=0.09,(/k=1.0,(1.=1.3.

    2)能量模型:

    3)燃烧棋型.甲烷与空气燃烧模型采用涡旋破碎模型‘阃,燃烧速率可表示为

1.2边界条件

    1)入口边界.将燃气和空气在入口处的温度都设为300 K,中心和外围燃料入口处CH。的比例均为100%,空气入口处O,占21%,N2占79%.流动采用速度边界条件,各入口处的流速根据所模拟的流量条件换算后得到,其中各入口处的湍动能厶和湍动能耗散率s按式6),式6)取值:

    2)出口边界.燃料和空气的混合物在燃烧室内发生燃烧反应,生成的燃烧产物由燃烧室的另端排出,为保证烟气的顺行,将出口边界设定为压力边界,且设为-10 Pa.

    3)壁面边界。为了研究方便,将生物质燃烧机和燃烧器的壁面都设为绝热壁面,即该处的热流q=0;流动计算采用无滑移壁面条件,并采用增强壁面函数进行处理,1282高温度随口的变化规律对这种生物质燃烧机的设计和应用都具有重要的现实意义.图3示出了不同热负荷条件下,流量比口对燃烧室内所能达到的最高温度T的影响.从图中可以看出,除了热负荷对燃烧室内的最高温度有影响外,在同一热负荷条件下,口对燃烧室内的最高温度有着更大的影响.总的来看,随着p的增加,燃烧室内所能达到的最高温度先快速升高而后逐渐变缓.Q。= 50 IJ13/h时,口由0.3增大到0.5,燃烧室内的最高温度由2 075. 15 K升高到了2 287. 30 K;而当口由0.5增大到0.7时,燃烧室内的最高温度仅由2 287. 30 K升高到了2 304. 10 K.热负荷对燃烧室内的最高温度影响相对较小,当热负荷由40 IJ13/h增大到70 IT13/h,燃烧室内的最高温度最大升高量不超过15 K.

3.3  火焰长度

    火焰长度可调生物质燃烧机的最大特点就是在热负荷不变的条件下,通过改变两股燃气流量的比倒来调整火焰的长度以满足工艺的要求,图4示出了不同热负荷条件下,流量比口对燃烧室内火焰长度的影响.从图中可以看出,热负荷一定,当卢<0.5时,火焰随p的增大而缩短;而当卢>0.5时,火焰随启的增大而增长;当8=0.5时,火焰最短.在Q。= 60 IJ13/h的条件下,当启由0.3增大到0.5时,火焰长度相应由2. 29 m缩短到1.77 m,而当8由0.5增大到0.7时,火焰长度又由1. 77 m增长到2. 58 m.总的来看,中心燃气流量大于外围燃气流量对火焰长度的影响.从图中还可以看出,热负荷对火焰长度也有影响,当8一定时,随着热负荷的增大,火焰长度逐渐增长,但增长的数值相对较小.与温度场相对应,火焰长度也主要是受燃气与空气混合条件的影响,这是因为,当8较小时,火焰长度主要受外围燃气流的影响,中心流对其影响很小,而外围燃气流与助燃空气之间呈现的是交叉流,气体扰动很大,有利于流股内部燃气与空气的混合,燃烧速度很快;但由于流量较大,燃尽也需要足够的时间和空间,故火焰较长.随着口的增大,外围燃气流量逐渐减小,而流股内部燃气与空气的混合条件变化不大,因而燃尽需要的时间变短和空间变小,因而火焰变短.另外,随若8的增大,中心燃气流的影响也逐渐增强,但相对于外围燃料流,仍处于劣势.当8=0.5,中心燃料和外围燃料流对火焰长度的影响大致相当,此时,无论是外围燃料还是中心燃料都能与空气实现很好的混合,燃烧在短时间内就能完成,因而火焰最短.当8进一步增大时,中心燃料流取代外围燃料流而处于主导地位,中心燃料流与助燃空气是以平行流的方式进入燃烧室的,在这种流动中,流股外部靠卷吸周围的空气而发生燃烧反应,而流股内部主要靠湍流脉动和气体的扩散作用而实现与空气的混合,因而混合较慢,火焰相应拉长,并且随着流量的增大,流股内部的燃气流动更长的距离后才能与空气相接触,因而火焰也会变得更长.中心流量与总流量之比口

4  结    论

    1)在火焰长度可调生物质燃烧机中,改变外围燃气与中心燃气之间的流量比可以改变燃气与空气的混合条件,因而能够在热负荷不变条件下,实现对燃烧室温度场和火焰长度的调整.

    2)在同一热负荷条件下,当口较小时,燃烧室内存在前后两个明显的高温区,前部高温区呈中空的圜筒状,位于火焰的外部;后部高温区呈近似纺锤状靠近燃烧室的后部,区域也相对较小.随着口的增大,前部高温区逐渐缩小,而后部高温区逐渐增大并前移.

    3)在同一热负荷条件下,随着口的增加,燃烧室内所能达到的最高温度先快速升高而后逐渐第9期冯明杰等:火焰长度可调式生物质燃烧机的数值模拟变缓,且口对燃烧室内最高温度的影响大于热负荷的影响.

    4)热负荷一定,当口小于0.5时,火焰长度随卢的增大而缩短,而当卢大于0.5时,火焰长度随卢的增大而增长,当8等于0.5时,火焰长度最短.

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点击次数:  更新时间:2018-08-24 18:31:17  【打印此页】  【关闭