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生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)對流動和排放物濃度的影響
摘要:為了提高生物質(zhì)處理生物質(zhì)燃燒機(jī)噴嘴的使用壽命、降低排放物中NO,的濃度,采用Realizable k-X模型對生物質(zhì)處理生物質(zhì)燃燒爐三維流動和燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示:燃燒室內(nèi)的流動、燃燒、化學(xué)反應(yīng)以及排放物中NQ的濃度與生物質(zhì)燃燒機(jī)的導(dǎo)流片角度和生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)密切相關(guān),包括內(nèi)部流道的形狀和面積。據(jù)此提出了生物質(zhì)燃燒機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)修改方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)去掉導(dǎo)流片從而增大空氣流通截面積并減小流動阻力后,生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的速度和壓力分布合理,高溫區(qū)位置后移,燃燒和化學(xué)反應(yīng)效率提高,排放物NQ的濃度明顯降低其中一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的生物質(zhì)燃燒機(jī)投入使用后,經(jīng)檢測N0,的濃度減少9. 50/0。
    生物質(zhì)處理裝置上的生物質(zhì)燃燒機(jī)均存在不同程度的噴嘴容易燒損,燃燒室內(nèi)流動、燃燒狀況不理想,燃燒后的有害產(chǎn)物濃度過高等現(xiàn)象,造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染受測試設(shè)備和技術(shù)等限制,要獲得燃燒室內(nèi)的流動結(jié)梅多組份擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等的真實(shí)信息存在相當(dāng)大的困難。而且耗資大、周期長。冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果又不能完全反映其內(nèi)部的流動情況這給生物質(zhì)燃燒爐的研究和設(shè)計(jì)帶來了很大困難數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法具有經(jīng)濟(jì)、快捷的優(yōu)勢。越來越廣泛地用于工程流動問題的研究
    本文研究某典型酸性生物質(zhì)處理裝置上的生物質(zhì)燃燒爐,該生物質(zhì)燃燒機(jī)功能是:將主要成分為儺S N伸和其他碳?xì)浠衔锏臍怏w在燃燒室內(nèi)充分燃燒后生成S02,制成硫酸再次利用,同時盡可能降低排放物中的NO。的濃度,以減少環(huán)境污染而實(shí)際運(yùn)行中的生物質(zhì)燃燒機(jī)。燃燒后排放物中硝酸濃度過高,噴嘴易燒壞作者用商用CFD軟件FLU EN T6. 0,對原生物質(zhì)燃燒爐和本文提出的兩種內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)修改方案進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)
1數(shù)學(xué)模型和基本方程
    針對燃燒室內(nèi)的強(qiáng)旋湍流,求解Reynolds平均的N-S方程,采用尼3雙方程棋型封閉其連續(xù)方動量方程及k毒方程能量方程氣相組分方程在柱坐標(biāo)系中的統(tǒng)一形式用標(biāo)準(zhǔn)的壁函數(shù)和SIM PLE算法求解燃燒室內(nèi)強(qiáng)旋射流流場燃燒模擬采用兩種模型:非絕熱的PDF模型和有限速率模型用渦擴(kuò)散原則模擬反應(yīng)與湍流的相互作用。先求解混合組分分?jǐn)?shù),再求組分濃度PDF模型有助于獲取詳細(xì)的中間反應(yīng)信息,有限速率模型有助于獲取主反應(yīng)的信息陋,61綜合兩種模擬的結(jié)果可以比較全面地獲得燃燒室內(nèi)的信息。
    在計(jì)算出速度琢溫度場和濃度場后,以后處理方式模擬N@,3種類型即熱力型( Thermal) NO,,快速型( prompt)NQ和燃料型(Fuel)NQ,其反應(yīng)式為:
2幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格
    原生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示酸性氣體由上部的進(jìn)氣口進(jìn)入生物質(zhì)燃燒機(jī)o空氣經(jīng)中部進(jìn)氣口流入,通過兩級穩(wěn)壓室和導(dǎo)流片組,到達(dá)噴口進(jìn)行混合
    由于空氣流經(jīng)部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺度變化大,此處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格偽40萬個四面體網(wǎng)格1,其他部位盡可能采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,總網(wǎng)格數(shù)量大約80萬個圖2為原生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)導(dǎo)流片和空氣室擋板的網(wǎng)格生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)部不同幾何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格形式有一定別。但網(wǎng)格總數(shù)差別不大。
    生物質(zhì)燃燒機(jī)的兩種幾何結(jié)構(gòu)的修改方案分別為:方案1增大了空氣混合室中擋板窗口面積,改變了導(dǎo)流片的角度,燃?xì)鈬娍谔幍呐浜献髁颂幚恚淖內(nèi)紵疑喜拷Y(jié)構(gòu)以避免流動過早分離在方案1的基礎(chǔ)上,方案2去掉了原有的導(dǎo)流片。適當(dāng)減小了燃料氣體噴嘴的出口角度
3邊界條件
    給定燃料人口處的流量(1. 24 kg/s}溫度(313 K)和湍流度;給定空氣入口處的流量(11. 187 kg/s)溫度f 533 K)和湍流度;給定燃燒室出口處的背壓f 10 k Pa);給定燃燒室壁面溫度(1323 K}燃料氣體成分見表1表1燃料氣體組分的質(zhì)量分
4模擬結(jié)果對比與分析
    圖3a為數(shù)值計(jì)算所得原燃燒室壓力分布,可看出:空氣流經(jīng)兩層穩(wěn)壓室,再經(jīng)過導(dǎo)流片又經(jīng)90轉(zhuǎn)角后抵達(dá)噴口,過于復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)造成流阻過大。使生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)空氣流量不足該現(xiàn)象與原產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時的情況一致,證實(shí)這一部位流阻過大
    圖3b為本文提出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案2的燃燒室壓力分布,結(jié)果顯示:結(jié)構(gòu)的改變使導(dǎo)流片至噴口部位的流動得到改善,流阻明顯減小方案1的計(jì)算結(jié)果同樣也改善了流動并減少了流阻
    圖4a為原燃燒室速度分布。顯示噴口與燃燒室結(jié)合部位的拐角處為高速區(qū)。其下部有較強(qiáng)的回流區(qū),燃燒室軸線上的速度較低這是由于原生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口至燃燒室結(jié)合部位的幾何結(jié)構(gòu)不合理。空氣與燃料氣體在噴口混合后快速改變方向所致
    圖4b為方案2燃燒室的速度場,顯示沿燃燒室軸線附近流速明顯加快,與原燃燒室和方案1都不同,燃料氣體向空氣擴(kuò)散。形成以混合氣體為主的燃燒,這顯然有利于燃燒效率的提高
    方案1的速度分布f圖略1顯示通過噴口的氣流速度加快,速度張角減/J\o燃燒室內(nèi)沿軸線處氣流速度增大,回流區(qū)遠(yuǎn)離噴口。無疑這是生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的改善所帶來的結(jié)果
    圖5a為原燃燒室內(nèi)的溫度場,火焰面較小,接近噴口,同時因回流強(qiáng),導(dǎo)致高溫區(qū)集中。這與原生物質(zhì)燃燒爐實(shí)際運(yùn)行中噴嘴容易被燒壞的觀象一致
    圖Sb所示的方案2溫度場表明,高溫區(qū)脫離噴口,有利于提高噴嘴組件壽命方案1的溫度場特征與方案2基本相同。
    原生物質(zhì)燃燒機(jī)實(shí)際運(yùn)行中檢測到的排放物NQ的濃度過高,即S02的生成濃度不理想圖6a為原燃燒室內(nèi)S02的質(zhì)量分?jǐn)?shù),顯示火焰中部及尾端處S02的生成濃度低,模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況符厶o
    圖6b為方案2的SQ質(zhì)量分?jǐn)?shù),與圖6a比較顯示燃燒室內(nèi)火焰中部和尾端所生成的S02明顯增多,S02增多即NO。水平降低這表明:幾何結(jié)構(gòu)的合理改進(jìn)導(dǎo)致高溫區(qū)的改善,有利于S02的生成,從而有害物NQ的濃度可以得到有效控制方的生物質(zhì)燃燒機(jī)投入運(yùn)行后經(jīng)檢測N Ox的濃度降低9.鐋,證實(shí)了數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的有效性而方案因生物質(zhì)燃燒機(jī)的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)有了改變。雖然改善了燃燒和流動,但高溫區(qū)域較大,不利于控制NQ的lll生成,S02的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布與原燃燒室相比略有增加
5結(jié)  論
    1)生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的合理改進(jìn),使燃燒室內(nèi)流動、燃燒以及化學(xué)反應(yīng)均有明顯改善
    2)方案1較好地改善了流動和燃燒。使得在相同的空氣進(jìn)口壓力條件下。進(jìn)入燃燒室空氣流速加快,燃燒室內(nèi)流動更合理,火焰面被推離噴口,有利于噴嘴組件的安全。但仍存在高溫區(qū)域過大的缺陷。有害物NQ的濃度略有降低
    31方案2因在幾何結(jié)構(gòu)上作了更合理的改動。使火焰變長,燃燒得到改善,爐內(nèi)溫度更均勻,高溫區(qū)被推離噴口且范圍分散,有利于提高噴嘴壽Ao投入使用后經(jīng)檢測N O的濃度降低。

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