煙氣自循環式低氧生物質燃燒機燃燒過程的數值模擬
摘要在分析了工業中幾種低氧燃燒方式的基礎上，將收縮擴張結構用于生物質燃燒機空氣通道，開發出了煙氣自循環式低氧生物質燃燒機，同時借助FLUENT軟件對生物質燃燒機進行了大量數值模擬研．結果表明：喉部的負壓是煙氣卷吸的驅動力，煙氣卷吸量隨喉部面積的縮小而急劇增多；隨著煙氣卷吸量的增參爐膛中氧含量越來越低，火焰高溫區向生物質燃燒機偏移，火焰逐漸變短．最后，將煙氣自循環式低氧生物質燃燒機用于熔化保溫爐進行了實踐．取得了預期的效果．
詆氧燃燒是高溫空氣燃燒技術的核心內容之一，具有火焰體積成倍擴大、火焰溫度場分布均勻、低NO。排放等顯著優點‘1]．由燃燒理論可知，當采用較高溫度的助燃空氣時，穩定燃燒所需的氧濃度較低舊，因此實現低氧燃燒的前提是必須先將助燃空氣預熱到較高昀溫度，
工業中為實現低氧燃燒，常用的措施有：①低空氣過剩系數，燃燒區域的氧濃度依舊很南而且潛力有限[3]．②二次供風避免了高溫區集中，NO。的排放濃度顯著降低[ 4_a，但整個爐膛中氧濃度和常規燃燒差不多，并且這種生物質燃燒機體積龐大，成本較高，③高速射流采用高速燒嘴，使爐內大量燃燒產物回流，稀釋燃燒區的氧濃度，在保證高的噴出速度時極難兼顧煙氣的順利排出，而且卷吸的煙氣往往只是和射流邊界上的部分空氣進行混合，實際大部分燃燒區域氧濃度依然很高并不能很好地實現低氧燃燒[ 61．④煙氣再循環，即利用爐外排煙來稀釋空氣中氧濃度7]，由于風機不能承受高溫，導致蓄熱體用量增多和管路復雜，只適合在小型爐窯上利用，為了能更好地實現低氧燃燒技術，最好能開發出可以自身組織爐膛中煙氣循環來沖淡空氣中氧含量的生物質燃燒機．
1煙氣自循環式低氧生物質燃燒機的開發
為了克服以上一些低氧燃燒技術的缺點，本文考慮采用燒嘴磚來組織爐內煙氣的回流，使助燃空氣在燒嘴磚中就和煙氣充分混合，為此提出將收縮擴張結構用于生物質燃燒機的空氣通道升發出了煙夏德宏等：煙氣自循環式低氧生物質燃燒機燃燒過程的數值模擬氣自循環式低氧生物質燃燒機，
由伯努力方程可知，在位勢能不變的情況下，動能和壓力能互相轉化，所以空氣經過縮放通道的喉部時壓力能向動能轉化，在此形成負壓區，由于喉部有一個側通道與爐膛連通，因此當助燃空氣通過縮放通道喉部時能卷吸大量的煙氣，這樣可使噴嘴噴出的壓縮氣體與其誘導的氣流充分混合，保證助燃空氣在燃燒之前就被稀釋到較低的氧含量．
2 燃燒過程數值模擬
2.1物理模型及網格劃分
物理模型如圖2所示，選取爐膛大小為2000 mmX2 000m mX5 000 mm，生物質燃燒機居中布置，生物質燃燒機對面為煙氣出口，使用GAM BIT軟件對上述模型進行網格劃分，對于規則的爐膛采用結構化的六面體網格，以加快數值模擬計算的速度和精度，對于不太規則的生物質燃燒機，采用非結構化的網格，在網格導入FLUENT后需要光順網格并交換單元面，以此改善岡格的質量，
2.2數學模型及方程離散
本文模擬采用的數學模型如下．
(1)流動模型——雙方程模型，雙方程模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到，但耗散率方程是通過物理推理、數學上模擬相似原形方程得到的闡，該模型假設流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略，
(2)燃燒模型-PDF模型，守恒標量的PDF模型僅適用于擴散燃燒問題，該方法假定了反應是受混合速率控制，即反應已達到化學平衡狀態，每個單元內的組分及其性質由燃料和氧化劑的湍流混合強度所控制，該方法通過求解混合物分數及其方差的輸運方程獲得組分和溫度場，而不是直接求解組分和能量的輸運方程．
(3)輻射換熱模型- P-1模型．P-l輻射模型是P-N模型中最筒單的類型，其出發點是把輻射強度展開為正交的球諧函數，
對于控制方程的離散采用有限體積法，該方法使用三種不同的空間離散格式，即冪律格式、二階迎風格式和Q UICK格式，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法，該算法的初始的壓力場和速度場是協調的，并且對壓力場作欠松弛處理，迭代計算時比較容易得到收斂解[ 91．
2.3邊界條件及計算工況
生物質燃燒機空氣和煤氣進口都采用第1類邊界條件，即給定速度與溫度；爐膛出口邊界采用壓力出口條件；固體壁面設為絕熱邊界，沒有熱通量和質量通量，壁面無滑移條件假定，壁面上速度為零，
本文模擬采用的計算工況如下：燃料為發生爐煤氣，熱值為5 500kJ。m_。，預熱到300 0C,空氣預熱到700℃煤氣和空氣的流量分別為100 ffl3 011-1和1850 ffl3。h_1．在不改變邊界條件和計算工況的前提下，本文模擬了四個喉部面積不同的生物質燃燒機，其具體的計算參數如表1所示．模擬計算，著重分析了氧含量、壓力變化和溫度分布幾方面的燃燒特性．
3燃燒狀況對比分析
3.1 氧含量及壓力的變化
本文通過FLUENT可以計算整個計算區域的平均氧含量，四個生物質燃燒機的卷吸量和平均氧含量如表2所示，由表2中數據可以看出，隨著喉部面積的縮小，煙氣的卷吸量越來越大，爐膛中氧的平均體積分數從4.14%降到1.67%．在實際的生物質燃燒機設計過程中，可以通過設計合理的喉部面積來控制卷吸量，獲得具有理想氧含量的助燃空氣，實現氧含量可控的低氧燃燒
四個生物質燃燒機都在喉部形成了負壓，爐膛中的相對壓力為0，通過該生物質燃燒機后四個生物質燃燒機的阻力損失和喉部負壓如表2所示，可以看出：隨著喉部面積的變小，最低負壓急劇降低，從這點可以看出，煙氣的卷吸量和喉部的負壓成對應關系，喉部的負壓是煙氣卷吸的驅動力；同時生物質燃燒機的阻力損失也顯著增大，在生物質燃燒機的設計過程中需要注意生物質燃燒機的壓力損失要與嘴前空氣壓力合理配置，否則難以達到合理的流動與燃嬈．
3.2溫度的變化
由圖3的沿爐膛中心線的溫度變化曲線可以看出，隨著卷吸量的增加，燃料能在溫度更高和氧含量更低的情況下燃燒，燃料進入爐膛后的燃燒速度加快，火焰的高溫區域逐漸靠近生物質燃燒機，整個火焰的高溫區域越來越大，有利于整個爐膛的爐溫均勻[ 10]．爐膛中的最高溫度隨著卷吸量的增大逐漸增大，爐膛中的平均溫度也得到大幅度提高，在燃料供給不變的情況下，爐溫升高，說明卷吸的煙氣起到了高溫余熱的直接回收作用，本計算模型由于爐膛較小，因此爐溫的變化比較明顯；在實際應用中，由于爐膛較大，效果可能沒有這么明顯，但是從模擬計算的結果可以進一步證明煙氣再循環起到了節約燃料、提高爐膛溫度和燃燒穩定性等多方面的作用，
3.3火焰長度
圖4為CO體積分數分布圖，由于發生爐煤氣中的主要成分為CO，CO燃盡的區域即為火焰的邊緣，因此可以由CO的體積分數分布來確定火焰的長度，由上文可知，生物質燃燒機A、B、C和D的卷吸量逐漸增多，所以由圖4可以看出，隨著卷吸的煙氣量增多，火焰長度逐漸變短，而文獻的結論是詆氧燃燒會使火焰體積膨脹、火焰加長，出現這種差異的最主要原因是變壓卷吸式的低氧燃燒方式在沖淡氧含量的同時還預熱了空氣，助燃空氣中氧含量雖然降低，但由于其溫度升高，燃燒速度不但沒有降低，反而加快燃料的燃燒，因此隨著煙氣卷吸量的增多火焰長度會逐漸變短，
4煙氣自循環式低氧生物質燃燒機的應用
浙江某輪轂廠已對該煙氣自循環式低氧生物質燃燒機進行了應用實踐，應用現場布置如圖5所示，根據廠方的條件，燃料為冷凈發生爐煤氣，物料需要2. 52X l06 kJ。h-l的熱量，由兩個生物質燃燒機提供，保溫區爐溫為900 0C,提溫區為850℃火焰的長度控制在Im以內，但要求能靈活調節熱負荷和火焰的長度，生物質燃燒機
由于現場空氣的預熱溫度為500℃因此為了保證燃燒的穩定性，通過控制喉部面積使卷吸的煙氣量將空氣中氧的體積分數從22%降到17%左右，該生物質燃燒機穩定運行一個月后，根據現場實測的數據，采用該低氧生物質燃燒機的保溫爐和常規燃燒的保溫爐的具體技術指標對比見表3．
由表3可以看出，采用煙氣自循環式低氧燃燒器的保溫爐燃燒條件得到改善，可以采用較小的空氣過剩系數以維持穩定的完全燃燒減少了煙氣量，減少了爐子排煙帶走的熱損失，爐子燃料消耗量相應也有所降低，熱效率得到提高，同時由于低氧燃燒的實現爐溫的均勻性提高，局部高溫區減少，氧含量降低，使得氧化燒損大幅減少，帶來了可觀的經濟效益，該低氧生物質燃燒機的應用實踐證明了其合理性，值得深入研究并進一步推廣，
5結論
低氧燃燒的實現財于工業爐窯至關重要，目前采用的低氧燃燒技術都有較大的局限性，煙氣自循環式低氧生物質燃燒機的開發較好地克服了幾種傳統低氧燃燒方式的缺點，科學的分析和巧妙的設計，實現了煙氣自循環的低氧燃燒方式，同時，本文通過大量的數值模擬，分析了喉部面積對低氧燃燒的影響規律，為煙氣自循環式低氧生物質燃燒機的設計提供了理論依據，
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