一種可調(diào)節(jié)自適應(yīng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的數(shù)值模擬

摘要：提出一種可調(diào)節(jié)自適應(yīng)生物質(zhì)燃燒機(jī)。該燃燒機(jī)將一次鳳分為內(nèi)外兩部分，外一次鳳為旋流射流，具有能夠產(chǎn)生回流區(qū)，增加生物質(zhì)顆粒在著火區(qū)停留時(shí)間以及卷吸高溫?zé)煔鈴?qiáng)化著火和穩(wěn)燃特性；內(nèi)一次風(fēng)為直流射流，具有剛性較強(qiáng)，氣流穿透度大的特性。采用CFD（ComputationalnuidDnamics）軟件對該燃燒機(jī)在一定的二次鳳旋流強(qiáng)度、不同外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度下的燃燒特性如速度場、溫度場、氧濃度場、碳濃度分布以及著火特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明外一次鳳旋流強(qiáng)度對燃燒器燃燒特性有重要影響。當(dāng)外旋流一次鳳的旋流強(qiáng)度在0. 56～0．踞之間時(shí)，其燃燒特性變化劇烈。

生物質(zhì)燃燒機(jī)對鍋爐的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益起著非常重要的作用。設(shè)計(jì)燃燒機(jī)時(shí)，一次風(fēng)生物質(zhì)氣流噴口射流一般分為2種形式：直流和旋流。一次風(fēng)生物質(zhì)氣流全部以直流或者旋流形式送入爐內(nèi)；二次事燃燒技術(shù)開發(fā)與數(shù)值模擬方面研究。風(fēng)全部或部分以旋流形式送入爐內(nèi)。直流燃燒機(jī)為了強(qiáng)化著火，通常在直流主燃燒機(jī)噴口加裝非流線體以加強(qiáng)回流對高溫?zé)煔獾木砦?，但是這會(huì)削弱噴口射流的剛性，減少生物質(zhì)氣流在爐內(nèi)的穿透深度，降低火焰充滿度；旋流燃燒機(jī)為了增加生物質(zhì)氣流在爐內(nèi)的穿透深度，增加火焰充滿度，通常減小其旋流強(qiáng)度，但是這又會(huì)減小射流對高溫?zé)煔獾木砦?，不利于生物質(zhì)氣流的著火和穩(wěn)定燃燒。

本文提出可調(diào)節(jié)自適應(yīng)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，將一次風(fēng)生物質(zhì)氣流分為外旋流和內(nèi)直流2部分，既具有旋流燃燒機(jī)能夠產(chǎn)生回流區(qū)，增加生物質(zhì)顆粒在著火區(qū)停留時(shí)間以及卷吸高溫?zé)煔鈴?qiáng)化著火和穩(wěn)燃的特性，也具有直流燃燒機(jī)的射流剛性強(qiáng)，生物質(zhì)氣流穿透度大的特性。文中介紹了其工作原理，采用CFD軟件模擬研究了該燃燒機(jī)的燃燒特性如速度場、溫度場、氧濃度場、碳濃度分布以及著火特性，討論了研究結(jié)果。

1 燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

可調(diào)節(jié)自適應(yīng)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)示于圖1。該燃燒機(jī)工作原理為：二次風(fēng)為旋流；一次風(fēng)生物質(zhì)氣流分為2部分，一部分通過內(nèi)直流一次風(fēng)通道以直流射流送入爐內(nèi)，另一部分通過外旋流一次風(fēng)通道以旋流射流送入爐內(nèi)，其旋流強(qiáng)度可通過電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。內(nèi)直流一次風(fēng)氣流能維持射流的剛性，保證生物質(zhì)火焰在爐內(nèi)的穿透深度；外旋流一次風(fēng)氣流能夠增加生物質(zhì)氣流對爐內(nèi)高溫?zé)煔獾木砦?，增加生物質(zhì)顆粒在著火區(qū)停留時(shí)間，提高生物質(zhì)氣流的湍流強(qiáng)度，強(qiáng)化生物質(zhì)氣流與爐內(nèi)高溫?zé)煔忾g的熱質(zhì)交換，改善生物質(zhì)氣流的著火條件，以達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的。在燃燒不同煤種以及不同負(fù)荷時(shí)，可調(diào)節(jié)外旋流一次風(fēng)旋流強(qiáng)度調(diào)節(jié)器，以得到合理的外一次風(fēng)、生物質(zhì)氣流旋流強(qiáng)度。在獲得艮好著火和穩(wěn)燃的同時(shí)，保證生物質(zhì)氣流的剛性和爐膛火焰充滿度，取得較高的燃燒效率。

利用基于火焰圖像處理技術(shù)的溫度場可視化系統(tǒng)Ⅷ自動(dòng)監(jiān)測主燃燒機(jī)的生物質(zhì)氣流著火距離/o在燃燒不同煤種以及不同負(fù)荷時(shí)，設(shè)定其合理的著火距離/o。在運(yùn)行過程中，對比三和/o，得出外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度的信號，自動(dòng)調(diào)節(jié)外一次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，以適應(yīng)不同煤種及不同負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)燃燒機(jī)的自適應(yīng)控制功能。

2計(jì)算方潔

2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

計(jì)算的燃燒室結(jié)構(gòu)示于圖2。燃燒室的直徑為0. 66 m，長為2.5m。由于燃燒室內(nèi)流場呈現(xiàn)軸對稱特性，本文采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算網(wǎng)格示于圖3。為了正確計(jì)算燃燒機(jī)噴口附近的空氣動(dòng)力特性，在此區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。

2.2數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

本文采用Realizable k-e模型‘9計(jì)算氣相湍流模型，采用隨機(jī)軌道模型計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用混合分?jǐn)?shù)／概率密度函數(shù)(PDF)模型模擬湍流氣相燃燒，采用雙平行反應(yīng)模型模擬煤揮發(fā)分的熱解過程，采用動(dòng)力一擴(kuò)散控制燃燒模型模擬煤焦的燃燒，采用Pl模型計(jì)算輻射傳熱。

計(jì)算守恒方程采用控制容積法，使用差分格式進(jìn)行對流項(xiàng)及擴(kuò)散項(xiàng)的離散。對于離散方程組的壓力和速度耦合采用S JMPLER算法求解，求解方程采用逐線迭代法及低松馳因子，收斂標(biāo)準(zhǔn)各余項(xiàng)小于10 3。

2.3計(jì)算工況

燃燒機(jī)一次風(fēng)風(fēng)率為16.5%，風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)溫為550K,二次風(fēng)風(fēng)率為83. 5%，風(fēng)速為18 m/s，風(fēng)溫為615 K；過?？諝庀禂?shù)為1.20,給粉量為6.62 g／s。本文主要探討在二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Qz -定時(shí)，外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度Q-變化對燃燒特性的影響。文中先在Q，為0時(shí)，在不同Q2下進(jìn)行了計(jì)算。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在Q2為0. 62日寸，該燃燒機(jī)燃燒特性如速度場、溫度場、氧濃度場、碳濃度分布以及著火距離都較為理想。因此，計(jì)算中取二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Q2為0.62，在Q．分別為0、0.27、0.56、0.88和1.53時(shí)研究外旋流一次風(fēng)旋流強(qiáng)度變化對燃燒室內(nèi)速度場、溫度場、氧濃度場、碳濃度分布以及著火距離的影響。

3 結(jié)果分析及討論

圖4、圖5和圖6分別是燃燒室有代表性的溫度場、氧濃度場和速度場。囹4表明，一次風(fēng)生物質(zhì)氣流首先著火燃燒，沿軸線在燃燒機(jī)出口不遠(yuǎn)處開始形成高溫區(qū)。由于二次風(fēng)和外一次風(fēng)旋流的卷吸作用以及一次風(fēng)的湍流擴(kuò)散，燃燒高溫區(qū)逐漸擴(kuò)大。高溫區(qū)后，溫度分布比較均勻。由于生物質(zhì)的燃燒，沿軸線自著火點(diǎn)形成了低氧區(qū)域（圖5）。從圖6可以看出，在燃燒室左上角及左下角形成了2個(gè)回流區(qū)；在高溫區(qū)中心沿軸線附近由于旋流的卷吸作用而形成了一個(gè)低氣壓低流速區(qū)，尚未形成回流區(qū)；當(dāng)旋流強(qiáng)度進(jìn)一步增大時(shí)，此區(qū)域?qū)⑿纬苫亓鲄^(qū)。

可以看出，在燃燒機(jī)出口附近，軸線溫度分布陡峭，且呈現(xiàn)單峰或雙峰分布，然后逐漸降低趨向均勻分布。溫度分布陡峭表明生物質(zhì)氣流著火后劇烈燃燒，溫度迅速升高。當(dāng)Q．為0時(shí)溫度呈現(xiàn)單峰分布，當(dāng)Q-大于0時(shí)溫度呈現(xiàn)雙峰分布。當(dāng)Q，較小時(shí)，雙峰峰值相差較大，且高峰值越大，表明燃燒比較集中；當(dāng)Q，增大時(shí)，雙峰峰值差值逐漸減小，且高峰值也逐漸減小，表明燃燒逐漸擴(kuò)展，高溫分布區(qū)擴(kuò)大。這種分布主要是由于外一次風(fēng)氣流旋轉(zhuǎn)及其旋流強(qiáng)度大小不同。當(dāng)Q，較小時(shí)，一次風(fēng)氣流剛性較強(qiáng)，穿透能力較強(qiáng)，盡管受二次風(fēng)旋流卷吸影響，但生物質(zhì)顆粒軌跡仍集中在軸線附近，燃燒劇烈，形成局部高溫區(qū)。當(dāng)Q，增大時(shí)，燃燒機(jī)的卷吸能力增強(qiáng)，外一次風(fēng)氣流旋轉(zhuǎn)自身也加劇了一次風(fēng)氣流的擴(kuò)散和穿透能力的衰減煤粉顆粒軌跡分布逐漸均勻，分布區(qū)域逐漸擴(kuò)大，高溫燃燒區(qū)域擴(kuò)展，溫度分布相對均勻，峰值減小，逐漸接近燃燒機(jī)噴口。從著火特性角度來說，上述特性增加了生物質(zhì)顆粒在著火區(qū)的停留時(shí)間，有利于生物質(zhì)氣流的著火。圖中雙峰峰值之間存在一個(gè)谷值，是由于氣流旋轉(zhuǎn)卷吸造成此區(qū)域形成低氣壓低氣流速區(qū)甚至回流區(qū)，顆粒濃度相對較低，燃燒溫度低。這一溫度谷值隨著Q-增大而逐漸降低。從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)c，<0.56和Q->0.88時(shí)，不同旋流強(qiáng)度下軸線溫度分布變化比較平緩；當(dāng)0.56< Q．<0．踞時(shí)，不同旋流強(qiáng)度下軸線溫度分布變化劇烈。這說明當(dāng)0. 56<Q．<0.88時(shí)，該燃燒機(jī)燃燒特性變化劇烈。

其分布特性都是從中心軸線沿徑向逐漸增大，經(jīng)歷一峰值后又慢慢降低。這種特性主要是燃燒器氣流卷吸特性造成軸線附近形成低氣壓低氣流速區(qū)甚至回流區(qū)所致。從圖10可以看出：隨著Q．逐漸增大，高溫區(qū)沿徑向向外逐漸擴(kuò)展，溫度峰值降低。當(dāng)cl<0.56時(shí)，不同旋流強(qiáng)度下徑向溫度分布變化比較平緩；當(dāng)0. 56< Q．<0.88時(shí)，不同旋流強(qiáng)度下徑向溫度分布變化劇烈；Q．為1. 53時(shí)，徑向溫度分布比較均勻，結(jié)合圖11、圖12、圖13分析表明燃燒機(jī)氣流在此外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度下形成了全擴(kuò)散氣流即所謂燃燒機(jī)“飛邊”現(xiàn)象㈩。這會(huì)使燃燒器噴口燒壞，也會(huì)使燃燒機(jī)周圍結(jié)渣。圖12表明，隨著Q．逐漸增大，燃燒機(jī)氣流衰減特性逐漸增強(qiáng)，擴(kuò)展角增大加劇，當(dāng)Q，為1. 53時(shí)，就形成了上述的全擴(kuò)散氣流。這表明Q-的值為0. 88～1. 53之間的某一值。進(jìn)一步計(jì)算表明，這一值接近0. 88。因此，在二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Q：為0. 62時(shí)，外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度Q，不能大于0. 88。

本文定義著火距離為軸線溫度為1 000 K的軸線坐標(biāo)倒1。圖14進(jìn)一步說明了Q．對著火距離的影響：著火距離隨著Q．的增大而減小，當(dāng)0.5K Q．<0. 88時(shí)，著火距離變化劇烈。

4結(jié)論

提出一種可調(diào)節(jié)自適應(yīng)一次風(fēng)外旋流內(nèi)直流煤粉燃燒機(jī)，并采用CFD軟件模擬研究了該燃燒機(jī)在一定的二次風(fēng)旋流強(qiáng)度、不同的外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度下的燃燒特性。結(jié)果表明：外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度對燃燒器燃燒特性有重要影響。由于燃燒機(jī)氣流旅轉(zhuǎn)卷吸作用，溫度分布呈現(xiàn)雙峰分布特性，而且這種特性隨外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度Q．增大更加顯著。當(dāng)Q，增大時(shí)，一次風(fēng)生物質(zhì)氣流衰減和擴(kuò)散特性加劇，生物質(zhì)顆粒在著火區(qū)的停留時(shí)間也增加了，著火特性改善，著火距離減小。在二次風(fēng)旋流強(qiáng)度為0. 62日寸，當(dāng)外一次風(fēng)旋流強(qiáng)度在0. 56和0．踞之間時(shí)，該燃燒機(jī)燃燒特性變化劇烈。

生物質(zhì)燃燒機(jī)，

生物質(zhì)氣化站，