生物质燃烧机三维流动和燃烧的数值模拟及优化结果

生物质燃烧机三维流动和燃烧的数值模拟及优化结果
摘要：  对某大型工业生物质燃烧机进行了三维全尺寸数值模拟计算结果比较合理的反映了燃烧室内发生的流动以及传热、传质、燃烧等复杂的化学反应过程针对所计算的结果，指出了该燃烧室存在的结构缺陷并通过分析、比较，提出了一种优化方案对其继续模拟计算，较终达到了优化燃烧，控制高温区的范围，生成的S 02明显增加等主要优化目的。优化后的生物质燃烧机投入使用后，运行情况良好。解决了原生物质燃烧机经常出现的问题
    传统的生物质燃烧机设计主要依赖于经验公式，由于测试手段、方法的限制，难于获得生物质燃烧机内部流场的真实、详细信息因而造成了以往高性能产品的总体设计完成之后。需要对其反复测诫、修改才获得研制成果随着计算机技术和计算流体力学(CFD)的发展，利用CFD来研究生物质燃烧机内部湍流，多组份扩散，化学反应等复杂流动现象，为设计定型提供了有力的参考依据，尤其在生物质燃烧机技术方案论证及优化设计中起着越来越重要的作用。所采用的计算模型为某废气处理装置上的生物质燃烧机，其用途为处理石油副产品中的大量酸性废气，主要成分为傩SN仲和各种大分子碳氢化合物通过将酸性废气充分燃烧得到S02，再经水吸收制成硫酸经废气处理装置对这些气体加以利用，既可提高企业生产的综合效益，又可降低大气污染该装置在实际运行中，产物内有大量的硝酸，且烧嘴容易烧坏。采用大型CFD软件FLUEN T6.0对原生物质燃烧机进行数值分析，找到了原生物质颗粒燃烧机设计上的结构缺陷，在此基础上提出优化方案，优化方案的数值模拟结果表明，优化后的燃烧器的性能得到明显改善。优化方案投入使用后，经检测结果表明产物内的硝酸成分明显降低，且烧嘴工作状况良女子o解决了原生物质颗粒燃烧机经常出现的不良问题
1数学模型
    燃烧室内为强湍流流动，采用后j双方程模型其连续方程，动量方程，能量方程及k-方程在柱坐标下的通用形式
    由于标准的k囊湍流模型对强旋射流的模拟不能令人满意。在计算中采用了FLU ENT提供的一个修正模型一一Realizable k-X;tR型”，41该模型继承了标准尼j模型良好的收敛性，同时能较好模拟旋转射流的细致结构，而所需计算量增加不参采用SIM PLE法求解雷诺平均的N—S方程。同时采用标准壁面函数采用2种不同的燃烧模型分别求解，并作相互印证一种是非绝热的PDF模型，不是求解单个组的输运方程，而是求解混合组份份数的输运方程，各组份浓度由混合份数分布求得该模型用概率密度函数PDF来考虑湍流效应，适用于湍流扩散火焰的模拟和类似反应过程其反应机理通过化学平衡计算来处理另一种是有限速率模型，需要准确的给出化学反应的细节。而反应与湍流的相互作用采用涡扩散原则，即主要由湍流控制反应速率。因对该燃烧室内实际反应过程的了解有限，而大量的中间反应无法给出详尽的数学表达。故采用2种反应模型分别模拟，相互印证是有必要魄  PDF模型的计算结果体现出详细的中间反应信息。而有限速率模型的结果体现主要反应的影口向2个计算结果的相互印证有助于对燃烧室内的实际反应过程的深入认识燃烧的模拟共涉及6种元素
 2几何结构、网格和边界条件
    原生物质颗粒燃烧机几何结构如图1所示o酸性气体由上部的进气口进入燃烧室空气通过中部进气口进入，再经过2级稳压室和旋流片组。到达喷口与燃料气体混厶o空气通流部位，特别是经过旋流片部位结构复杂，几何尺寸变化大这里采用大量非结构化网格，较好模拟出真实的情况而其它部分，则尽量使用结构化六面体网卡各旋流片部分使用了大约40万个四面体网格，总网格数量大约80万个。由挡板的网格看出，挡板上部使用四面体网格，而下部使用六面体网格生物质颗粒燃烧机结构优化方案不同。其网格也有一定差别。但网格的大体情况一致。数目也在相当的水平数值计算的边界条件与生物质颗粒燃烧机实际工作条件一致o燃料气体成分如表1所示在燃料入口和室气入口采用‘质量入口边界’。给定流量。温度和恰当的湍流参数在燃烧室出口采用‘压力出口边界’，给定出口背压温度、回流参数和适当湍流参数给定燃烧室壁面温度。以考虑辐射的影咆其具体数值为：
    针对原生物质颗粒燃烧机进行数值模拟，并与实际运行生物质颗粒燃烧机相应的数据对比。图2为燃烧室压力云图。结果表明空气流经部位的压力损失主要发生在旋流片至喷口处图3为燃烧室速度场。由于喷口至燃烧室结合处的几何结构，使得空气与燃料气体在喷口混合后，快速改变方向，在尖角处形成高速区，而在其下面形成较强的回流区，但混合气体在燃烧室轴线上的速度较低图4显示燃烧室温度玩从图示情况看。火焰面较小，接近喷口o综合计算结果和实际运行情况的比较表明，原生物质颗粒燃烧机的主要问题在于：1）空气流经处结构过于复杂，造成较大流动损失即空气要经过2次混合（两层稳压室），旋流片，再转过一直角才达喷口o实陈运行也反映空气流经处流动阻力过大，空气流量升不上去2愤口到燃烧室处的几何结构造成射流在燃烧室颈部快速分离，轴线上速度较低，而回流较强结果是高温区集中，火焰面贴近喷口o这是生物质颗粒燃烧机喷嘴被烧坏的主要原因。
3)由于燃烧集中于喷口附近，燃烧变坏，污染物水平较同04）由于混合气体在燃烧室轴线上的速度较低，高温区集中，火焰面贴近喷口，在火焰尾端和火焰中部生成的S02水平较低
4优化方案的计算结果和讨论
    根据以上结论，提出几种优化方案进行分析比较。例如保留原设计思想。增大空气混合室中挡板窗口面积，相应改变旋流片结构，改变燃气喷口钝体与喷口的配合，改变燃烧室上部的结构等。较终提出对原燃烧室结构做了较大改动，去掉了旋流片，在燃料气体喷嘴处采用了不同的结构，如图5所示图6为燃烧室的速度场，由于几何结构的改善，混合气流通过喷口的速度加快，速度张角减小。很明显轴线处的速度比边缘区域上的速度快，表明这里是燃料向空气扩散为主导的燃烧。图7为燃烧室的温度场，表明在相同的空气进口压力条件下，空气进入燃烧室速度加快，燃烧室内流动更合理高温区已经远离喷口，喷嘴组件被烧坏的可能性大大减小，保证了喷嘴组件的安全图9为优化后的木粉燃烧机内S02质量百分数，由于产生的火焰更长，在火焰尾端和火焰中部生成的S02显然多于原木粉燃烧机生成的S02
    综上所述，优化后的燃烧室性能得到较大的改善，成为一种新的木粉燃烧机类型，火焰更长，高温区远离喷口，炉内温度更均匀  由于其高温区被分散，其NQ水平较低
5结论
    对废气燃烧室和结构优化后的方案进行了数值模拟。由于原燃烧室的空气稳压室挡板和旋流片尺寸不当以及燃烧室颈部结构不合理造成空气流经处流动阻力过大，使得混合气流离开喷嘴后过快扩张，旋流过强，造成了燃烧集中，高温区贴近喷嘴等一系列问题由此对原燃烧室结构做了较大改动，去掉了旋流片，在燃料气体喷嘴处采用了不同的结梅通过数值模拟表明达到了优化燃烧，控制高温区范围的主要优化目的。并降低了生成物N0。水平。投入使用后，运行情况良好，解决了原木粉燃烧机经常出现的问趣计算流体力学已经成为燃烧室设计的有力工具，将越来越广泛的应用于设计领域，彻底改变传统的设计方法