一种可调节自适应生物质燃烧机的数值模拟

一种可调节自适应生物质燃烧机的数值模拟
摘要：提出一种可调节自适应生物质燃烧机。该燃烧机将一次凤分为内外两部分，外一次凤为旋流射流，具有能够产生回流区，增加生物质颗粒在着火区停留时间以及卷吸高温烟气强化着火和稳燃特性；内一次风为直流射流，具有刚性较强，气流穿透度大的特性。采用CFD（ComputationalnuidDnamics）软件对该燃烧机在一定的二次凤旋流强度、不同外一次风旋流强度下的燃烧特性如速度场、温度场、氧浓度场、碳浓度分布以及着火特性进行了数值模拟，结果表明外一次凤旋流强度对燃烧器燃烧特性有重要影响。当外旋流一次凤的旋流强度在0. 56～0．踞之间时，其燃烧特性变化剧烈。
生物质燃烧机对锅炉的安全运行和经济效益起着非常重要的作用。设计燃烧机时，一次风生物质气流喷口射流一般分为2种形式：直流和旋流。一次风生物质气流全部以直流或者旋流形式送入炉内；二次事燃烧技术开发与数值模拟方面研究。风全部或部分以旋流形式送入炉内。直流燃烧机为了强化着火，通常在直流主燃烧机喷口加装非流线体以加强回流对高温烟气的卷吸，但是这会削弱喷口射流的刚性，减少生物质气流在炉内的穿透深度，降低火焰充满度；旋流燃烧机为了增加生物质气流在炉内的穿透深度，增加火焰充满度，通常减小其旋流强度，但是这又会减小射流对高温烟气的卷吸，不利于生物质气流的着火和稳定燃烧。
本文提出可调节自适应旋流生物质燃烧机，将一次风生物质气流分为外旋流和内直流2部分，既具有旋流燃烧机能够产生回流区，增加生物质颗粒在着火区停留时间以及卷吸高温烟气强化着火和稳燃的特性，也具有直流燃烧机的射流刚性强，生物质气流穿透度大的特性。文中介绍了其工作原理，采用CFD软件模拟研究了该燃烧机的燃烧特性如速度场、温度场、氧浓度场、碳浓度分布以及着火特性，讨论了研究结果。
1 燃烧机结构及工作原理
可调节自适应旋流生物质燃烧机结构示于图1。该燃烧机工作原理为：二次风为旋流；一次风生物质气流分为2部分，一部分通过内直流一次风通道以直流射流送入炉内，另一部分通过外旋流一次风通道以旋流射流送入炉内，其旋流强度可通过电动调节装置进行调节。内直流一次风气流能维持射流的刚性，保证生物质火焰在炉内的穿透深度；外旋流一次风气流能够增加生物质气流对炉内高温烟气的卷吸，增加生物质颗粒在着火区停留时间，提高生物质气流的湍流强度，强化生物质气流与炉内高温烟气间的热质交换，改善生物质气流的着火条件，以达到强化燃烧的目的。在燃烧不同煤种以及不同负荷时，可调节外旋流一次风旋流强度调节器，以得到合理的外一次风、生物质气流旋流强度。在获得艮好着火和稳燃的同时，保证生物质气流的刚性和炉膛火焰充满度，取得较高的燃烧效率。
利用基于火焰图像处理技术的温度场可视化系统Ⅷ自动监测主燃烧机的生物质气流着火距离/o在燃烧不同煤种以及不同负荷时，设定其合理的着火距离/o。在运行过程中，对比三和/o，得出外一次风旋流强度的信号，自动调节外一次风的旋流强度，以适应不同煤种及不同负荷，实现燃烧机的自适应控制功能。
2计算方洁
2.1 燃烧室结构及网格划分
计算的燃烧室结构示于图2。燃烧室的直径为0. 66 m，长为2.5m。由于燃烧室内流场呈现轴对称特性，本文采用二维轴对称结构进行模拟，计算网格示于图3。为了正确计算燃烧机喷口附近的空气动力特性，在此区域网格进行细分。
2.2数学模型及计算方法
本文采用Realizable k-e模型‘9计算气相湍流模型，采用随机轨道模型计算颗粒的运动轨迹，采用混合分数／概率密度函数(PDF)模型模拟湍流气相燃烧，采用双平行反应模型模拟煤挥发分的热解过程，采用动力一扩散控制燃烧模型模拟煤焦的燃烧，采用Pl模型计算辐射传热。
计算守恒方程采用控制容积法，使用差分格式进行对流项及扩散项的离散。对于离散方程组的压力和速度耦合采用S JMPLER算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松驰因子，收敛标准各余项小于10 3。
2.3计算工况
燃烧机一次风风率为16.5%，风速为12 m/s，风温为550K,二次风风率为83. 5%，风速为18 m/s，风温为615 K；过剩空气系数为1.20,给粉量为6.62 g／s。本文主要探讨在二次风旋流强度Qz -定时，外一次风旋流强度Q-变化对燃烧特性的影响。文中先在Q，为0时，在不同Q2下进行了计算。通过计算发现在Q2为0. 62日寸，该燃烧机燃烧特性如速度场、温度场、氧浓度场、碳浓度分布以及着火距离都较为理想。因此，计算中取二次风旋流强度Q2为0.62，在Q．分别为0、0.27、0.56、0.88和1.53时研究外旋流一次风旋流强度变化对燃烧室内速度场、温度场、氧浓度场、碳浓度分布以及着火距离的影响。
3 结果分析及讨论
图4、图5和图6分别是燃烧室有代表性的温度场、氧浓度场和速度场。囹4表明，一次风生物质气流首先着火燃烧，沿轴线在燃烧机出口不远处开始形成高温区。由于二次风和外一次风旋流的卷吸作用以及一次风的湍流扩散，燃烧高温区逐渐扩大。高温区后，温度分布比较均匀。由于生物质的燃烧，沿轴线自着火点形成了低氧区域（图5）。从图6可以看出，在燃烧室左上角及左下角形成了2个回流区；在高温区中心沿轴线附近由于旋流的卷吸作用而形成了一个低气压低流速区，尚未形成回流区；当旋流强度进一步增大时，此区域将形成回流区。
可以看出，在燃烧机出口附近，轴线温度分布陡峭，且呈现单峰或双峰分布，然后逐渐降低趋向均匀分布。温度分布陡峭表明生物质气流着火后剧烈燃烧，温度迅速升高。当Q．为0时温度呈现单峰分布，当Q-大于0时温度呈现双峰分布。当Q，较小时，双峰峰值相差较大，且高峰值越大，表明燃烧比较集中；当Q，增大时，双峰峰值差值逐渐减小，且高峰值也逐渐减小，表明燃烧逐渐扩展，高温分布区扩大。这种分布主要是由于外一次风气流旋转及其旋流强度大小不同。当Q，较小时，一次风气流刚性较强，穿透能力较强，尽管受二次风旋流卷吸影响，但生物质颗粒轨迹仍集中在轴线附近，燃烧剧烈，形成局部高温区。当Q，增大时，燃烧机的卷吸能力增强，外一次风气流旋转自身也加剧了一次风气流的扩散和穿透能力的衰减煤粉颗粒轨迹分布逐渐均匀，分布区域逐渐扩大，高温燃烧区域扩展，温度分布相对均匀，峰值减小，逐渐接近燃烧机喷口。从着火特性角度来说，上述特性增加了生物质颗粒在着火区的停留时间，有利于生物质气流的着火。图中双峰峰值之间存在一个谷值，是由于气流旋转卷吸造成此区域形成低气压低气流速区甚至回流区，颗粒浓度相对较低，燃烧温度低。这一温度谷值随着Q-增大而逐渐降低。从图7还可以发现，当c，<0.56和Q->0.88时，不同旋流强度下轴线温度分布变化比较平缓；当0.56< Q．<0．踞时，不同旋流强度下轴线温度分布变化剧烈。这说明当0. 56<Q．<0.88时，该燃烧机燃烧特性变化剧烈。
其分布特性都是从中心轴线沿径向逐渐增大，经历一峰值后又慢慢降低。这种特性主要是燃烧器气流卷吸特性造成轴线附近形成低气压低气流速区甚至回流区所致。从图10可以看出：随着Q．逐渐增大，高温区沿径向向外逐渐扩展，温度峰值降低。当cl<0.56时，不同旋流强度下径向温度分布变化比较平缓；当0. 56< Q．<0.88时，不同旋流强度下径向温度分布变化剧烈；Q．为1. 53时，径向温度分布比较均匀，结合图11、图12、图13分析表明燃烧机气流在此外一次风旋流强度下形成了全扩散气流即所谓燃烧机“飞边”现象㈩。这会使燃烧器喷口烧坏，也会使燃烧机周围结渣。图12表明，随着Q．逐渐增大，燃烧机气流衰减特性逐渐增强，扩展角增大加剧，当Q，为1. 53时，就形成了上述的全扩散气流。这表明Q-的*大值为0. 88～1. 53之间的某一值。进一步计算表明，这一*大值接近0. 88。因此，在二次风旋流强度Q：为0. 62时，外一次风旋流强度Q，不能大于0. 88。
本文定义着火距离为轴线温度为1 000 K的轴线坐标倒1。图14进一步说明了Q．对着火距离的影响：着火距离随着Q．的增大而减小，当0.5K Q．<0. 88时，着火距离变化剧烈。
4结论
提出一种可调节自适应一次风外旋流内直流煤粉燃烧机，并采用CFD软件模拟研究了该燃烧机在一定的二次风旋流强度、不同的外一次风旋流强度下的燃烧特性。结果表明：外一次风旋流强度对燃烧器燃烧特性有重要影响。由于燃烧机气流旅转卷吸作用，温度分布呈现双峰分布特性，而且这种特性随外一次风旋流强度Q．增大更加显著。当Q，增大时，一次风生物质气流衰减和扩散特性加剧，生物质颗粒在着火区的停留时间也增加了，着火特性改善，着火距离减小。在二次风旋流强度为0. 62日寸，当外一次风旋流强度在0. 56和0．踞之间时，该燃烧机燃烧特性变化剧烈。