低塵生物質(zhì)燃燒機內(nèi)燃燒特性的數(shù)值模擬
摘要：介紹了一種用于中小型工業(yè)窯爐的新型低塵燃燒技術，利用計算機數(shù)值模擬考察了低塵旋流生物質(zhì)燃燒機的特性．在合理選擇氣相流動、固相流動、煤燃燒及NO的生成等模型的同時，針對旋流燃燒場中固體顆粒在壁面附近的碰撞及熔融特性，探討了在壁面處的運動模型，并以此為基礎考察了燃燒場的兩相流動特性，模擬了生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒過程及各物理量的分布．在與實驗比較的基礎上，對生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)進行了改進．結(jié)果表明，在低化學計量比下，改進后的生物質(zhì)燃燒機性能更好，顆粒在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)充分燃盡，在保證液排渣效果的同時，NO的排放遠低于常規(guī)液排渣旋風器的NO排放量．
1  茼言
    在現(xiàn)有的燃煤技術中，燃煤直接加熱方式的火焰和煙氣中含有大量灰渣，污染嚴重，水煤漿的形態(tài)類似油，但其燃燒特性基本類似普通燃燒，火焰和煙氣的含灰量仍很高，目前在鋼鐵等大型行業(yè)中應用較多的煤氣化技術，附屬設備較多，操作較復雜，成本較高，一般中小型工業(yè)企業(yè)難以承型1，2]．陳恩鑒等‘31在傳統(tǒng)的液排渣旋風燃燒技術基礎上提出了一種“低塵燃燒技術”，使在一個圓柱形的燃燒室中進行欠氧燃燒，煤中的灰渣在旋轉(zhuǎn)流場作用下被燃燒室壁面捕集，在高溫下呈液態(tài)渣除去，進入爐膛的是潔凈的高溫還原性火焰，將這種燃燒技術應用于燃油工業(yè)窯爐進行以煤代油改造及對老式燃煤工業(yè)窯爐進行技術改造，具有廣闊的前景，
    圖1為低塵生物質(zhì)燃燒機示意圖，一次風r占10%)采用壓縮空氣濃相送粉方式，在端部的葉片中與二次風混合后送入生物質(zhì)燃燒機內(nèi)；熱風進入生物質(zhì)燃燒機后，一路作為三次風r占30%)進入生物質(zhì)燃燒機出口處，另一路經(jīng)過生物質(zhì)燃燒機筒壁，冷卻筒壁，然后經(jīng)過環(huán)型葉片，作為二次風進入生物質(zhì)燃燒機內(nèi)，形成的液渣由燃燒室前部的出渣口排出，與傳統(tǒng)的液排渣生物質(zhì)燃燒機相比，這種低塵生物質(zhì)燃燒機在開發(fā)構(gòu)思上有以下特點：(1)首次提出取消燃燒室側(cè)壁上的二坎風進口，采用端面預旋技術，在燃燒室內(nèi)部形成對稱且無阻礙的旋轉(zhuǎn)流場；(2)把噴入外層旋轉(zhuǎn)氣流，延長了的停留時間，消除了因“短路”而逸出燃燒器的機會；(3)采用分級燃燒技術，在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)進行局部欠氧燃燒，富含未燃成分的高溫燃氣在補入三次風后進入窯爐進行二次燃燒，一方面分級燃燒在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)形成還原氣氛有利于降低渣熔點，便于排渣，另一方面可抑制氮氧化物的生成‘4]．蔣利橋等‘51對冷態(tài)流場進行了測試，林伯川等‘61進行了初步的熱態(tài)中間實驗，證實了這種液排渣低塵生物質(zhì)燃燒機具有連續(xù)排渣、灰捕集率高、低氮氧化物排放等優(yōu)點，但這種燃燒方式的燃燒強度高于普通的生物質(zhì)燃燒機，尤其是為了液態(tài)排渣，壁面附近溫度較高，對材料的耐熱性和減少熱損失都提出了很高要求，為了實現(xiàn)在液排渣前提下優(yōu)化生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)和操作條件，把握爐內(nèi)的傳熱特性、的運動和燃燒行為是十分必要的，本研究對液排渣生物質(zhì)燃燒機的燃燒特點進行了計算機模擬與解析．
2  教學模型
    對有反應的湍流氣一固兩相流動及的燃燒過程采用拉格朗日一歐拉混合模型，在歐拉坐標系下求解氣相的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，顆粒運動采用拉格朗日法計算，忽略氣體密度脈動、阻力脈動及重力項，對氣一固相流動采用k- 8/RNG模型和拉格朗日法顆粒隨機軌道模型；煤的燃燒考慮熱解、焦炭燃燒、氣相燃燒三部分，分別采用雙平行競爭反應模型、擴散一動力燃燒模型、EBU-Arrhenius模型；熱力型NO的生成采用Zeldovich模型，燃料型和快速型NO的生成采用De Soete模型；輻射模型采用離散傳播法(DT)．孫學信‘71對上述模型的機理進行了詳細介紹，燃燒場視為穩(wěn)態(tài)軸對稱，在二維柱坐標系下，各物理量的控制方程可表示為以下通用形式：式中妒代表速度、溫度、濃度等不同的物理量，/表示廣義擴散系數(shù)，S(p是氣相湍流引入的源項，S(pp是考慮顆粒影響的源項，其具體含義及k- 8/RNG湍流模型參數(shù)見文獻[8]．
3  數(shù)值解法及計算條件
3.1數(shù)值解法
    由于低塵生物質(zhì)燃燒機的出口條件較復雜，為便于給出出口邊界條件，在生物質(zhì)燃燒機后部加上了爐膛的簡化模型，二者同場求解，圖2為整場的計算網(wǎng)格，其中燃燒器部分設置r方向網(wǎng)格數(shù)為56，z方向網(wǎng)格數(shù)為60，在近壁面物理量變化急刷的地方采用加密網(wǎng)格，由于爐膛不是重點考察對象，所以計算網(wǎng)格較稀，計算平臺用通用CFD軟件Star-CD3.10，對氣相控制方程組用有限體積數(shù)值解法穩(wěn)態(tài)求解，應用MARS二階差分格式，在計算域的各控制微元體內(nèi)積分各控制方程，得到變量在節(jié)點處的差分方程，差分方程的求解采用p-v修正的SIMPLE算法，用代數(shù)多重網(wǎng)格法(Algebraic Multi-gridMethod)加速收斂‘9]，考慮顆粒和氣流間的相互作用，兩相耦合循環(huán)迭代，
3.2進出口邊界條件
    在實際運行中，的進料點在環(huán)形葉柵附近r圖1)，且一次風量較小(占總風量10%)，因此計算中將一次風和二次風合并在一起考慮，本研究重點考察生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒情況，所以暫時未考慮窯爐爐膛內(nèi)引入的三次風，二次風進風通道為口徑20 mm的環(huán)形葉柵通道r圖2)，葉片偏轉(zhuǎn)角約85.5。，z=0的其他區(qū)域為壁面，空氣和的其他進口條件如表1所示，爐膛出口取定壓邊界條件，絕對壓力設為0.1 MPa．
3.3壁面邊界條件
    熱態(tài)下這種生物質(zhì)燃燒機“壁面”處的邊界祭件較復雜，在燃燒過程中，在靠近生物質(zhì)燃燒機側(cè)壁附近投入，壁面附近的燃燒強度高，在壁面處形成高粘度、高粗糙度的渣層，對于氣相，粗糙度的提高增加了流動的阻力，對于顆粒運動而言，顆粒運動到壁面時，會由于熔渣層的粘附作用而被捕集難以再回到氣相，沒有燃盡的將附在渣層上燃燒，現(xiàn)階段的計算還沒有考慮渣層的運動特性，對這種復雜的氣固壁面流動和燃燒現(xiàn)象，本計算針對實際熔渣的表面特性假設計算中的“壁面”條件，采用改變近壁處的壁面函數(shù)和顆粒碰撞條件的方法來進行合理的模擬．
    (1)氣相流動采用無滑移的壁面邊界條件，近壁面區(qū)域采用以下完全粗糙條件下的壁面函數(shù)‘101：
    Launder等[10]將特征厚度D定義為：當與壁面的距離降到y(tǒng)o+D時，氣流的速度減為0（如圖3所示）．考慮到與顆粒直接作用的表面是粗糙的熔渣表面，參數(shù)的取值如表2所示，增加壁面粗糙度的目的在于模擬氣流由于熔渣層的粘滯造成的減速，顆粒進入這個“滯止區(qū)”以后速度將大幅度降低，
    (2)對生物質(zhì)燃燒機部分，氣相壁面?zhèn)鳠岵捎玫谌愡吔鐥l件，外壁面的冷卻風溫580 K，冷卻介質(zhì)、金屬管壁、生物質(zhì)燃燒機襯料層、渣層的總熱阻根據(jù)實驗選取0.021112．K/W；對爐膛部分，壁面?zhèn)鳠岵捎玫谝活愡吔鐥l件，根據(jù)設計溫度，取1500K．
    (3)固相顆粒和壁面間碰撞采用完全非彈性碰撞條件，即顆粒與壁面發(fā)生碰撞后速度變?yōu)?，但可被氣流再次攜帶，再次碰壁，如此循環(huán)，直至顆粒燃盡，以此近似模擬在壁面附近的運動情況．
3.4煤種特性
    現(xiàn)場實驗中采用的大同混煤屬于煙煤，參照普通煙煤在高溫及低溫下的熱解動力學參數(shù)，煤中揮發(fā)分的析出采用雙平行一級反應模型‘7]．在焦炭燃燒中，假定炭表面以生咸CO為主；在氣相燃燒中，考慮了揮發(fā)分的兩步燃燒過程，揮發(fā)分的元素組成可由元素分析結(jié)果求出，本計算中將其描述為C。Hf，其中e=0.6758，f=0.6483.反應的動力學參數(shù)見文獻[11]．煤樣的元素和工業(yè)分析如表3所示，煤樣的粒度分布如表4所示，煤顆粒密度1200 kg/m3．本計算根據(jù)實際的粒度分布，設置了0.025，0.05，0.075，0.125，0.175 mm等5個粒徑，每個粒徑根據(jù)投入位置的不同平均分為8組，
4  結(jié)果與討論
4.1計算值與實驗值的比較
    為了檢驗模型設置的準確性，圖4給出了a=0.77，聊。。。i=0.051 kg/s條件下實測溫度和計算溫度的比較（測圖5生物質(zhì)燃燒機尾都NO濃度隨化學計量比的變化Fig.5 NO concentration at the rear of combustor點位于生物質(zhì)燃燒機內(nèi)壁面約25 mm，即r=175 mm處，沿軸向設置5個測量熱電偶）．圖5給出了不同化學計量比下生物質(zhì)燃燒機尾部NO標態(tài)濃度的變化
    從比較結(jié)果可以看出，計算值和實驗值吻合較好，最大相對誤差在10%以內(nèi)，說明關于顆粒近壁條件的設置是比較合理的，數(shù)值模擬結(jié)果也能夠反映生物質(zhì)燃燒機內(nèi)部的燃燒特性，以此為基礎，對生物質(zhì)燃燒機進行設計優(yōu)化是可行的．
4.2燃燒特性分析
4.2.1流場分布
    圖6為a=l.0時生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的縱截面速度矢量分布，圖7是生物質(zhì)燃燒機的截面流線圖，不同化學計量比下的流場形態(tài)相似，大小有所差異，與冷態(tài)測試結(jié)果‘51不同，在燃燒條件下，中心氣流受熱膨脹，中心回流區(qū)消失，環(huán)室回流區(qū)發(fā)生阻斷，主氣流區(qū)擴張，在生物質(zhì)燃燒機的中后部和中心氣流區(qū)合并，環(huán)室回流區(qū)大大減小，因此在實際燃燒過程中，“環(huán)室回流區(qū)”將不足以使顆粒產(chǎn)生往復運動，絕大部分顆粒受強旋流作用集中在壁面附近，壁面附近局部氧濃度很低，顆粒很快運動到“無氧區(qū)”f圖8)，炭粒的燃燒效果不好，在化學計量比較低∞=0.7，0.8)時，燃燒率僅為70.1%和80.7%．本燃燒系統(tǒng)若采取分級燃燒、而生物質(zhì)燃燒機內(nèi)采用低化學計量比的燃燒方式，如何最大程度地提高炭粒的燃燒率是一個很重要的問題．
4.2.2濕度場分布
    圖9為a=0.7～1.1時生物質(zhì)燃燒機內(nèi)溫度場的分布，隨著燃燒的進行，溫度沿軸向先升高后略有降低，比較不同的化學計量比下的溫度場分布，低a(0.7，0.8)比高a(l.0，1.1)時的高溫區(qū)更靠前，在生物質(zhì)燃燒機端面觀察孔處的肉眼觀測結(jié)果也證明了這一點，從總體來看，燃燒區(qū)過分靠后，出口截面溫度都很高(1866～2032 K)，對NO的控制很不利，在實際設計過程中，希望主燃燒區(qū)能提前，以利于降低出口截面的溫度，這樣當爐膛內(nèi)三次風補入，NO的總生成量不會再次大幅度升甜12]．因此，燃燒器結(jié)構(gòu)需要進一步改進，
4.2.3低塵生物質(zhì)燃燒機灰渣的捕集
    投入生物質(zhì)燃燒機后，強烈的旋流使幾乎所有的顆粒均在壁面附近運動，旋流的離心分離作用使剩余顆粒難以隨氣流運動而被壁面熔渣層捕集，雖然實驗測到的捕渣率在85%以上，也證實了生物質(zhì)燃燒機能實現(xiàn)液排渣，產(chǎn)生接近重油燃燒的清潔燃氣，但在化學計量比較低r0.8）時，渣中的含碳量達10%以上，捕渣率的提高不應以燃燒效率的降低為代價．
4.3低塵生物質(zhì)燃燒機的改進
    燃燒效率、液排渣效果及污染物的排放情況是本燃燒器燃燒性能的主要考察因素，但3個因素間又相互影響，燃燒效率的提高在很大程度上依賴溫度水平的增加，這對液排渣有利，但對NO的排放不利，要控制NO的排放，就要適當降低燃燒室出口的溫度水平，營造室內(nèi)還原氣氛，這顯然會影響燃燒效率及液排渣的效果，因而如何合理地平衡三者間的關系，是低塵生物質(zhì)燃燒機設計的關鍵問題，
    表5給出了不同化學計量比下生物質(zhì)燃燒機內(nèi)一些特性參數(shù)的計算值比較，在化學計量比較低時，壁面附近更易處于缺氧狀態(tài)，不利于炭粒燃盡，化學計量比較高∞=1.0，1.1，1.2)時，炭粒的燃燒率較高，但出口溫度的提高或出口氧濃度的提高都木利于NO的控制，
    針對以上一些矛盾和缺點，本研究將生物質(zhì)燃燒機的尺寸加大，直徑由400 mm改為500 mm，長度由600 mm改為1000 mm，出渣口的位置延至z=800 mm處，表6給出了a=0.8，聊。。。i=0.026 kg/s時改進前后的部分計算值比較，從表可以看出，由于環(huán)形進風通道面積及生物質(zhì)燃燒機長度的增加，在同樣質(zhì)量流量下，進風速度減小，顆粒運動減慢，停留時間變長，顆粒的燃燒率得到提高；主燃燒區(qū)相對提前，出口截面溫度下降，NO的排放進一步降低，在保證順利排渣的前提下，出渣口溫度有所下降，同時由于尺寸增大，燃煤量可適當增加，目前最新一代生物質(zhì)燃燒機的燃煤負荷已達到0.056 kg/s．初步實驗結(jié)果證實[3]，在a=0.8，塒。。。1=0.056 kg/s時，炭粒的燃燒率達99%以土，捕渣率達90%，渣中的含碳量小于0.1%，出口溫度降到1800 K，NO的排放僅為400 mg/Nm3，遠低于常規(guī)液排渣爐約850～1150 mg/Nm3的排放量‘13]．進一步的研究和開發(fā)仍在進行中．
5  結(jié)論
    將k-E/RNG湍流流動模型、顆粒軌道模型、氣相EBU-Arrhenius模型、焦炭的擴散動力燃燒模型和各種NO的生成模型相結(jié)合，通過對壁面條件的處理，探討了液排渣生物質(zhì)燃燒機模擬中在壁面附近行為的模型化方法，模擬了低塵生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒過程和顆粒運動特性，為進一步建立和完善的熔渣及附壁模型奠定了基礎，結(jié)果表明：
    (1)計算模型和計算方法較好地模擬了欠氧狀態(tài)下生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的溫度分布、濃度分布和氮氧化物的生成，采用改變近壁處的壁面函數(shù)和顆粒碰撞條件模擬壁面處的行為是可行的．
    (2)由于燃燒實驗中壁面條件的改變及氣流受熱膨脹加速，冷態(tài)下強旋流造成的多重回流流場結(jié)構(gòu)在熱態(tài)下減弱甚至部分消失．
    (3)燃燒大部分集中在生物質(zhì)燃燒機壁面附近，大部分灰分可在燃燒過程中以熔渣的形式除去．

    (4)針對燃燒效率、液排渣效果及污染物排放三者間的平衡關系，將生物質(zhì)燃燒機加大加長，一次燃燒仍采用欠氧燃燒條件，解決了低化掌計量比下顆粒燃燒率不高及出口截面溫度過高的問題，同時保證了液排渣效果和NO的低排放，

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