燃料变化对生物质燃烧机燃烧性能的影响

燃料变化对生物质燃烧机燃烧性能的影响
    摘要：该文以John Zink公司一种瓦斯生物质颗粒燃烧机为几何原型，对生物质颗粒燃烧机和稳焰旋流器附近三维复杂形状未作任何简化，生成了包括生物质颗粒燃烧机和炉膛的结构化网格，换用甲炕、乙烷、丙烷和丁烷四种不同的气体燃料，用标准的}e湍流模型、k-rg湍流扩散燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型对生物质颗粒燃烧机内的流动及燃烧状况进行了全尺寸数值模拟，预报了生物质颗粒燃烧机内流场和温度场，考察燃料变化对炉内温度场的影响规律及燃气射流特性参数(Re．Dl)对火焰长度的影响，对进一步优化设计生物质颗粒燃烧机、提高加热炉热效率有很好的指导意义。
1前言
    加热炉是石油化工工业的关键装备之一，其工作狄况对于整个装置的效率、能耗和环保有较为重要的影响。由于高温和测量困难，研究人员对炉内燃烧和传热过程的细节知之甚少，为加热炉的优化设计和新型高效生物质颗粒燃烧机的开发带来一定的不利影响。流动与燃烧过程的数值模拟是近30年来基于流体力学、计算传热学和计算流体力学等发展起来的一种研究燃烧过程的新方法。随着湍流流动和燃烧模型的不断完善以及计算机和计算技术的不断发展，数值模拟方法在国外已逐渐成为研究燃烧过程和工业炉的常规方法，国内对这一方法的研究和应用也日益广泛。
2湍流气相燃烧过程的基本理论和计算模型
    在流动和燃烧过程中，质量、动量、热量传递及燃料与空气的混合都强烈地受到湍流的影响，其过程可以用气体燃烧基本方程组加以描述。湍流气相燃烧的基本控制方程组由连续方程、动量方程、组分方程、能量方程组成，其中连续方程和动量方程描述流体流动；组分方程和能量方程描述燃烧和热量传递。此外需要采用湍流模型和燃烧模型来封闭方程组在Reynolds时平均化过程中出现的新未知量，并且采用一定的辐射换热模型作为能量方程的源项，以求精确地计算燃烧过程中的辐射传热现象。
2.1  湍流气相燃烧的控制方程组
    助燃空气通过渐缩渐扩进气道进入；燃料气则通过一个燃气喷头进入，燃气喷头上有对称分布的10个小孑L，它们的直径为3mm，扩散角为燃气喷头下方有一个锥状的稳焰旋流器，其上开有一定数量、具有一定方向的方孔，以控制助燃空气的方向和流量分布；燃料气从喷头上的小孔喷出。
    图2是本文的计算域。计算域的网格从渐缩渐扩进气道的进口以上开始生成，并且在进气道上方连接+2. Om×6.Om的炉膛，炉膛上方为45。的收缩出门段。这是从烧嘴成排布置的炉膛中切了一个部分来进行计算，生成的网格完全保留进气道、稳焰旋流器及然料气喷头的三维几何形状，以求尽可能精确地计算炉内过程的所有细节。石油化工设备技术
    计算域划分为结构化网格。计算域实现结构化网格的划分是一大难点，尤其是燃气喷头和稳焰旋流器等复杂的结构部位。图3是燃气喷头与稳焰旋流器部位的计算网格。由于稳焰旋流器及燃气喷头的多个喷口处的形状复杂，各个方向上截面都变化较大，流动的变化较为剧烈，因此这些部位的网格比较密，需要的节点数目较多；炉膛内的网格则随着流动的发展渐趋平缓而逐渐稀疏。整个计算域共划分为109220个体网格。
4边界条件
    边界条件主要有以下三种类型：
    (1)入口边界：根据生物质颗粒燃烧机的设计工况，保证每种燃料的发热量相同，计算中燃料气和空气的入口边界条件如表3所示。
    (2)压力出口边界：炉膛出口取为- 50Pa。
    (3)壁面边界：壁面边界条件包括生物质颗粒燃烧机火道、燃料气管、稳焰旋流器、燃料气喷头、炉膛底部及炉膛壁面：其中炉膛壁面设置为定温壁面，温度700K；其它壁面简化为绝热壁面。
5模拟计算结果分析
5.1流场分析
    生物质燃烧炉工作时，10个喷孔同时喷射高速燃料气，燃料气形成在锥面上分布的多股射流。在离开喷头后，形成一个空心锥形的燃气射流。在此空心锥形射流的*，无法及时补充足够的气体，同时由于各股射流所引起的二次涡流，从而形成很强的负压区，强制已到下游的部分气体回流，形成中心回流区。该回流区在燃烧过程中可以起到储存能量、稳定温度和燃烧的作用。
    数值模拟计算结果表明了在靠近燃气喷头下游的这一回流区的存在，如图4所示。其回流速度的大小可由生物质燃烧炉轴线上的轴向速度图看出，如图5所示。回流速度的大小和回流区的长度主要取决于燃气喷射速度和射流密度，同时受周围空气流动速度以及喷头形状和尺寸的影响。
    空心锥形的燃气射流向下游发展，直径和厚度逐渐增大，与周围空气剪切、混合，进入温度较高的燃烧区进行燃烧。需要特别指出的是，在距燃气喷头一定高度范围内，相邻两股射流之间有大量空气进入*回流区；而在单股射流对应的径向空间上径向速度有明显降低，如囹6所示。在0. 5m高度处，相邻喷孔间（喷孑L之间）的较大径向速度为-1.46 m／s，而喷孔对应（喷孔中心）的径向空间上较大径向速度为8. Im/s；在1.Om燃料变化对生物质燃烧机燃烧性能影响的数值模拟研究高度处，相邻喷孔间的较大径向速度为一0.5m／7s，而喷孔对应的径向空间上较大径向速度为9. 2mls，并且较大速度所在的径向位置变大，这是因为锥形射流向下游发展过程中直径变大。由此可以看出，在锥形射流的发展过程中流动变化剧烈，燃料气与空气激烈混合而燃烧。
5.2生物质燃烧炉和炉膛内的温度分布
    计算得到了生物质燃烧炉和炉膛内温度分布的详细情况。图7是生物质燃烧炉轴线上的温度分布曲线，图8是生物质燃烧炉和炉膛纵剖面温度分布图。
    从图7可以看出，由于热值不同，各种燃料气燃烧的平均温度和较高温度有很大差异。因此当燃料组分变化时，炉膛内的温度分布必然会发生变化，尤其对于实际使用中的燃烧装置，所用燃料气多为各种组分的混合物。当燃料组分发生变化，炉内的温度分布、压力分布、组分分布及其它影响有深入研究的必要。图8清晰地反应出火焰的发展状况。这里的中心截面指通过燃气喷孔的纵截面，中间截面指通过两个燃气喷孔之间的纵截面。这两个截面的温度分布有着显着差异。中心截面土高温分布对应着燃烧火焰烽面，有着明显的射流火焰形状。中间截面对应的区域处于两股射流之间，由于多股射流中心负压区的作用，温度较低的空气从相邻两股射流之间进入中心负压所以其高温区域较小，形状也对应着负压区边缘空气与燃料气接触并发生燃烧的部分区域。
炉膛入口有一段温度较低是由于该处温度由进入的低温空气控制；在其上游燃烧尚未完全发生，传向下游的热量不足以使空气人口附近的温升很大，因此在炉膛空气人口及其影响区，温度较低。此外，由于燃气以较高的轴向速度进入炉膛，并且集中干炉膛中心位置，形成射流，导致射流周围产生回流。在此回流区内由于没有足够的氧气，几乎没有发生燃烧，因此该回流区的温度也比较低。
    图9 (b)是中间截面温度分布局部放大。与图9 r a、的中心截面温度分布相比，在火焰附近的低温区域明显变长。这是由于在相邻的两股燃气射流之间，有冷空气进入到*回流区。因此温度分布也证实了在流场分析中有空气从柏邻的两股燃气射流之间进入到*回流区的结论，并且四种燃料的低温区依次变长，其原因是燃料喷射速度依次降低：甲烷喷射速度较大，燃料与空气的混合较为剧烈，燃烧更加剧烈；丁烷喷速较低，与空气混合相比其它燃料的情况更加缓慢，相应地燃烧不如其它三种燃料剧烈快速。
随着锥形射流向下游的发展，射流速度逐渐放缓，燃料也逐渐燃尽，炉膛内沿径向的温度梯度变小，温度分布变得均匀。0. 5m和Im高度仍位于空心锥射流影响区，两个峰值对应于富燃料的空心锥射流，该处具有较高温度；中心温度较低处对应于回流区；两个峰谷对应于射流的外边缘，由于燃气射流速度较大，卷吸了大量温度较低的空气，因此该处温度较低；较为平缓的部分对应于外部大尺度的回流以及辐射造成的温度上升。随着锥形射流向下游的发展，射流速度逐渐放缓，燃料也逐渐燃烧完毕，炉膛内沿径向的温度梯度变小，温度分布变得均匀。射流回流区的影响消失后，炉膛内的温度分布变得均匀。
6  火焰长度的分析
    火焰长度决定着炉膛内辐射区域温度的分布，对管式炉辐射室温度分布和辐射室传热量占全炉热负荷比例有显着影响。在热负荷相同的条件下，火焰越长则燃料在生物质燃烧炉内的燃尽率就越低，从而导致烟气出生物质燃烧炉的喷射速度低，产生的射流效应小，辐射室内烟气回流量少，烟气的机械搅动强度低，使得辐射宰温度分布不均匀系数变大；反之火焰长度越短，烟气出生物质燃烧炉时燃烧比较充分，流出速度高，提高高温烟气的引射作用，强化辐射室烟气回流和搅动效果，使得辐射室内温度分布趋于均匀，辐射室温度分布不均匀系数小，改善辐射室的温度分布。
    因此火焰长度是对燃烧性能和加热效果影响较大的因素，也是工程设计人员在生物质燃烧炉研究和开发中考察的一个主要参数。相同的生物质燃烧炉在燃料发生变化时火焰长度会相应地改变。良好的燃烧器能够通过结构设计保证燃料波动时火焰长度的改变在适当的范围以内。
    火焰长度的影响因素主要有燃料与空气混合速度和燃料的火焰侍播速度等。对于扩散燃烧，燃烧速率取决于燃料与空气的混合速度¨1。由于四种燃料在计算中采用相同的生物质燃烧炉结构，所以不同燃料火焰长度变化的原因在于燃料气射流变化导致的燃料气与空气混合的速度。燃料气射流与火焰长度的相关参数见表4。
可见丁烷由于其热值高导致的喷射速度低而完全燃烧的化学当量系数大的原因，相同负荷的情况下，火焰长度急剧变长。所以，如果此种燃烧器使用类似丁烷的高热量燃料，易因为火焰长度太大而不利于辐射室内均匀加热。这种分析结果与该生物质燃烧炉使用中的燃料组分含丁烷不可太高的实际情况相符，也说明这种方法适用于相同结构生物质燃烧炉、不同燃料燃烧火焰的分析。
7  结论
    数值模拟计算实现了对一种连续重整加热炉瓦斯生物质燃烧炉及炉膛的全尺寸三维模拟，在计算中没有对结构实行任何简化，尤其是对于旋流器和燃料气喷头处的复杂结构也较好地实现了结构化的网格划分。对计算结果的分析表明，肛E湍流模型和双8混合燃烧模型能够对生物质燃烧炉内复杂的流动及燃烧状况进行模拟，预报的生物质燃烧炉流场和温度场合理。通过对火焰长度的分析，得到火焰长度随燃料射流特性的变化规律。在此基础上，根据实际工业炉的情况，对燃料气组分以及其它计算条件加以调整，就可以对不同工况加热炉内的流动、燃烧和传热过程进行计算和预测，这将为加热炉的设计和优化提供重要帮助。