生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)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(duì)生物質(zhì)處理生物質(zhì)燃燒爐三維流動(dòng)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(dòng)、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(dòng)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(cè)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(dòng)、燃燒狀況不理想，燃燒后的有害產(chǎn)物濃度過(guò)高等現(xiàn)象，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染受測(cè)試設(shè)備和技術(shù)等限制，要獲得燃燒室內(nèi)的流動(dòng)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(zhǎng)。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(dòng)情況這給生物質(zhì)燃燒爐的研究和設(shè)計(jì)帶來(lái)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(shì)。越來(lái)越廣泛地用于工程流動(dòng)問(wèn)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(shí)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(guò)高，噴嘴易燒壞作者用商用CFD軟件FLU EN T6. 0，對(duì)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(duì)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)和濃度場(chǎng)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(guò)兩級(jí)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(wàn)個(gè)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(wàn)個(gè)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(dòng)過(guò)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(wàn) 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(jiàn)表1表1燃料氣體組分的質(zhì)量分
4模擬結(jié)果對(duì)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(guò)導(dǎo)流片又經(jīng)90轉(zhuǎn)角后抵達(dá)噴口，過(guò)于復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)造成流阻過(guò)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(shí)的情況一致，證實(shí)這一部位流阻過(guò)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)，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(guò)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(wú)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(lái)的結(jié)果
    圖5a為原燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)，火焰面較小，接近噴口，同時(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)到的排放物NQ的濃度過(guò)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(cè)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(dòng)，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(dòng)、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(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)。使火焰變長(zhǎng)，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(cè)N O的濃度降低。