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行业知识

生物质在炉膛内的燃烧方式分析

生物质在炉膛内的燃烧方式分析

摘  要:  采用高温预热氧化剂或提高射流速度的方式,可将氧生物质燃烧和MII。D燃烧相结合,氧生物质燃烧可以得到较高C()z浓度的烟气,约90%,便于实现燃生物质过程的C():捕集和封存(CCS),而Mll。D燃烧模式下的氧浓度整体水平较低,从而降低了生物质的化学反应速率。利用生物质粉的反应动力学参数,建立了氧生物质燃烧炉膛的辐射传热模型,同时对不同氧浓度下生物质粉燃尽时间和炉膛温度分布进行了计算。结果表明:生物质炭颗粒的燃尽时间随着氧浓度和燃烧温度的降低而延长,且在低氧浓度下(<10%),氧浓度的变化对燃尽时间的影响程度增大,而燃烧温度的变化对燃尽率的影响不大。生物质样固定碳含量高,则炉膛介质温度整体提高,随着氧浓度的降低,燃烧峰值降低且位置稍有延后,且温度分布趋于均匀化。

0  前  言

    MILD燃烧是一种在低氧条件下的弥散燃烧方式,其特征是反应速率低,局部释放热量少,热流分布和温度分布均匀,而且污染物排放浓度低。

    氧燃料燃烧即02/C02燃烧,是一种颇具潜力的CCS技术,通过入射纯氧和循环烟气代替空气,从而有利于CO:的富集和回收,并大大减少污染物排放。实验表明,这种燃烧方式下燃烧速率和烟气温度都有显著的降低。当再循环烟气与纯氧的体积流量比为7:3时,燃烧速率及燃尽率等方面与常规空气燃烧类似心]。如果减少再循环烟气量可减少锅炉受热面,锅炉结构更紧凑,然而氧量过高,燃烧加剧,辐射量增强,燃烧器喷口处温度较高,导致其易受损。

    50%综合氧浓度生物质粉MILD燃烧,即减少再循环烟气量使其与氧化剂体积比为1:1,并结合MILD燃烧技术,利用纯氧高速射流卷吸,在炉膛中形成均匀的低氧惰性气体,并使燃料分子扩散到炉膛空间中进行弥散燃烧口]。在具备氧生物质MILD燃烧综合优势的基础上,相对于30%综合氧浓度生物质粉燃烧,降低了设备尺寸,大大提高了经济性。

    对于炉膛内生物质粉燃烧的计算模型,目前已从零维模型发展到三维模型。零维模型采用炉内传热相似理论解法,对出口温度先假定后核定,计算速度快。但是由于零维模型对炉膛的燃烧过分简化和忽略很多炉膛燃烧影响因素,因此其计算结果的准确性不高。随着现代数值计算的发展,三维模型计算快速发展,国内外学者做了很多炉膛燃烧传热的三维仿真研究一]。但由于三维模型编程复杂,同时计算量大,计算周期长,很难将其应用于工程实践。而一维模型计算较为方便,同时能够反映沿炉膛高度方向上的温度分布和组分分布,有较好的实用价值。

    张腾飞等田1建立了比较精确的炉内燃烧传热一维集总参数模型,这种模型忽略炉膛径向的参数分布,只考虑沿炉膛高度方向的参数变化。文章以辐射传热计算的假想面模型为基础,把锅炉炉膛沿高度方向分区,通过耦合计算燃烧和传热方程,获得沿炉膛高度方向上的温度分布及热流密度分布。

    本文采用一维计算模型,数学模型由质量守恒、能量守恒、燃烧方程、假想面辐射传热方程等组成,用MATI.AB软件编程计算,得到了不同氧浓度下炉膛沿轴向的一维温度分布。根据氧生物质MILD燃烧的精点,可以认为燃烧在较为均匀的低氧浓度下进行。结果表明,在氧生物质MILD燃烧状态下,炉膛温度分布均匀。

1  数学模型

1 1模型假设

    对于一维计算,需要将炉膛沿高度方向分为”个分区,每个分区由上下假想面、水冷壁和中间区域组成,并有如下假设:不相邻分区的辐射传热量可以不考虑;第1区的下表面和第”区的上表面布置有水冷壁;生物质粉中的挥发分进入炉膛后瞬时燃尽。

1 2质量平衡方程

    对于焦炭质量流量,以某分区为例,由于假定生物质粉中的挥发分进入炉膛即瞬时燃尽,

1 4辐射计算方程

    根据辐射传热理论,有效辐射‘,定义为单位时间、单位面积辐射出的总的能量,包括自身辐射E和反射辐射G,两部分。其中,自身辐射即物体的辐射力,反射辐射即单位时间、单位面积反射出的辐射能。三者关系如下

    计算方法:先假定各分区内的介质温度,计算各分区的水冷壁吸收热量和上下区介质的辐射传热量,同时计算各分区的生物质粉颗粒燃尽率和化学反应释热,进而根据能量守恒方程计算得到新的一组各分区内的温度分布,使用MATLAB软件循环迭代计算,烟气温度的迭代步长为1℃,水冷壁温度的送代步长为1℃,直至迭代误差控制在10℃以内,可以求得炉膛内最终的温度分布。

2  计算实例及结果分析

    本文所采用的炉膛结构如表1所示,计算中燃烧器区域等分成4个分区,燃烧器以上区域等分成8个分区,每个区域高度为1.5 m。燃烧器区域每个区新鲜燃料量为3 kg/s,水冷壁面发射率为0.8,由于02/C02燃烧烟气的整体辐射能力较强,其发射率取0.9。计算中烟气温度和水冷壁壁温的迭代步长取为1℃。

    本文以平朔生物质和神府生物质为例,其元素分析和工业分析如表2所示。计算化学反应速率所使用的动力学参数来自参考文献[6],该参数是在生物质粉02/C02燃烧条件下测得,因此适用于本文的研究,如表3所示。

2 1生物质粉颗粒燃尽率分析

    以神府生物质为例研究生物质粉颗粒燃尽特性,颗粒粒径取均一值50 lum,焦炭密度为1 600 kglm3,过量系数为1.2,气流温度分别取1 500 K相1 700 K,对不同氧浓度下生物质粉颗粒燃尽率进行分析,

    由图(3~4)可见,在同一燃烧温度下,生物质炭颗粒的燃尽时间随着氧浓度的降低而延长,且当氧气体积分数降至10%以下时,氧浓度的变化对燃尽时间的影响程度增大;在同一氧浓度下,生物质炭颗粒的燃尽时间随着燃烧温度的降低而延长,在低氧浓度下(<10%),改变燃烧温度对燃尽率的影响不大,这是由于化学反应速率在低氧浓度下对温度变化不敏感。由于生物质焦的动力燃烧速率与生物质焦表面的氧浓度和燃烧温度成正比,因此生物质炭颗粒的燃尽时间随着氧浓度和燃烧温度降低而延长。

2 2炉膛内温度分布

    在常规02/C02燃烧方式下,燃烧器入口表观氧浓度一般为30%,且炉膛反应区的氧浓度较氧生物质在炉膛内的燃烧方式分析高。若采用MILD燃烧模式,氧化剂通常会被高温预热或被提高射流速度,以增强炉膛内部回流烟气对氧化剂进一步的稀释作用,因此在该模式下,反应区的氧浓度相对较低,且在炉膛内分布较为均匀。本文以神府生物质和平朔生物质为例,分别计算氧气体积分数为7.5%、10%、1 2.5%、15%、

    由图(5~6)可见,不论何种生物质,改变氧浓度对炉膛燃烧温度分布的影响具有相似的规律,由于神府生物质固定碳含量较高,发热热值高,使得其炉膛温度分布整体高于平朔生物质。对于神府生物质,当氧气体积分数高于12 5%时,燃烧区域温度较高,峰值约1 900 K;随着氧浓度的降低,燃烧峰降低且位置稍有延后当氧气体积分数降至7.5%时,炉内燃烧温度低,约在1 350 K~l 500K,且分布较为均匀。这主要是因为随着氧浓度的降低,生物质粉颗粒燃烧速率降低,使得燃烧峰值低,燃烧时间延长,燃烧区域扩展且以动力学燃烧机制为主导。

3  结  语

    为研究氧生物质MILD燃烧条件下的辐射传热特性.建立生物质粉锅炉热力计算一维模型,将质量、能量守恒方程、燃烧方程、假想面辐射传热方程的相互耦合,利用MATLAB软件编程迭代计算,得到不同氧浓度下生物质粉燃尽时间和炉膛温度一维分布。

    (1)生物质炭颗粒的燃尽时间随着氧浓度和燃烧度的降低而延长,且在低氧浓度下(<10%),氧浓度的变化对燃尽时间的影响程度增大,而燃烧温度的变化对燃尽率的影响不大。

    (2)生物质样固定碳含量高,则炉膛介质温度整体提高,随着氧气体积分数的降低,燃烧峰值降低且位置稍有延后,以神府生物质为例,当氧气体积分数降至7.5%时,炉内燃烧温度低,约在1350 K~1500 K,且分布较为均匀。

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点击次数:  更新时间:2018-08-26 21:26:50  【打印此页】  【关闭