一種可調節(jié)自適應生物質燃燒機的數值模擬

摘要：提出一種可調節(jié)自適應生物質燃燒機。該燃燒機將一次鳳分為內外兩部分，外一次鳳為旋流射流，具有能夠產生回流區(qū)，增加生物質顆粒在著火區(qū)停留時間以及卷吸高溫煙氣強化著火和穩(wěn)燃特性；內一次風為直流射流，具有剛性較強，氣流穿透度大的特性。采用CFD（ComputationalnuidDnamics）軟件對該燃燒機在一定的二次鳳旋流強度、不同外一次風旋流強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行了數值模擬，結果表明外一次鳳旋流強度對燃燒器燃燒特性有重要影響。當外旋流一次鳳的旋流強度在0. 56～0．踞之間時，其燃燒特性變化劇烈。

生物質燃燒機對鍋爐的運行和經濟效益起著非常重要的作用。設計燃燒機時，一次風生物質氣流噴口射流一般分為2種形式：直流和旋流。一次風生物質氣流全部以直流或者旋流形式送入爐內；二次事燃燒技術開發(fā)與數值模擬方面研究。風全部或部分以旋流形式送入爐內。直流燃燒機為了強化著火，通常在直流主燃燒機噴口加裝非流線體以加強回流對高溫煙氣的卷吸，但是這會削弱噴口射流的剛性，減少生物質氣流在爐內的穿透深度，降低火焰充滿度；旋流燃燒機為了增加生物質氣流在爐內的穿透深度，增加火焰充滿度，通常減小其旋流強度，但是這又會減小射流對高溫煙氣的卷吸，不利于生物質氣流的著火和穩(wěn)定燃燒。

本文提出可調節(jié)自適應旋流生物質燃燒機，將一次風生物質氣流分為外旋流和內直流2部分，既具有旋流燃燒機能夠產生回流區(qū)，增加生物質顆粒在著火區(qū)停留時間以及卷吸高溫煙氣強化著火和穩(wěn)燃的特性，也具有直流燃燒機的射流剛性強，生物質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，討論了研究結果。

1 燃燒機結構及工作原理

可調節(jié)自適應旋流生物質燃燒機結構示于圖1。該燃燒機工作原理為：二次風為旋流；一次風生物質氣流分為2部分，一部分通過內直流一次風通道以直流射流送入爐內，另一部分通過外旋流一次風通道以旋流射流送入爐內，其旋流強度可通過電動調節(jié)裝置進行調節(jié)。內直流一次風氣流能維持射流的剛性，保證生物質火焰在爐內的穿透深度；外旋流一次風氣流能夠增加生物質氣流對爐內高溫煙氣的卷吸，增加生物質顆粒在著火區(qū)停留時間，提高生物質氣流的湍流強度，強化生物質氣流與爐內高溫煙氣間的熱質交換，改善生物質氣流的著火條件，以達到強化燃燒的目的。在燃燒不同煤種以及不同負荷時，可調節(jié)外旋流一次風旋流強度調節(jié)器，以得到合理的外一次風、生物質氣流旋流強度。在獲得艮好著火和穩(wěn)燃的同時，保證生物質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的溫度場可視化系統(tǒng)Ⅷ自動監(jiān)測主燃燒機的生物質氣流著火距離/o在燃燒不同煤種以及不同負荷時，設定其合理的著火距離/o。在運行過程中，對比三和/o，得出外一次風旋流強度的信號，自動調節(jié)外一次風的旋流強度，以適應不同煤種及不同負荷，實現(xiàn)燃燒機的自適應控制功能。

2計算方潔

2.1 燃燒室結構及網格劃分

計算的燃燒室結構示于圖2。燃燒室的直徑為0. 66 m，長為2.5m。由于燃燒室內流場呈現(xiàn)軸對稱特性，本文采用二維軸對稱結構進行模擬，計算網格示于圖3。為了正確計算燃燒機噴口附近的空氣動力特性，在此區(qū)域網格進行細分。

2.2數學模型及計算方法

本文采用Realizable k-e模型‘9計算氣相湍流模型，采用隨機軌道模型計算顆粒的運動軌跡，采用混合分數／概率密度函數(PDF)模型模擬湍流氣相燃燒，采用雙平行反應模型模擬煤揮發(fā)分的熱解過程，采用動力一擴散控制燃燒模型模擬煤焦的燃燒，采用Pl模型計算輻射傳熱。

計算守恒方程采用控制容積法，使用差分格式進行對流項及擴散項的離散。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，收斂標準各余項小于10 3。

2.3計算工況

燃燒機一次風風率為16.5%，風速為12 m/s，風溫為550K,二次風風率為83. 5%，風速為18 m/s，風溫為615 K；過剩空氣系數為1.20,給粉量為6.62 g／s。本文主要探討在二次風旋流強度Qz -定時，外一次風旋流強度Q-變化對燃燒特性的影響。文中先在Q，為0時，在不同Q2下進行了計算。通過計算發(fā)現(xiàn)在Q2為0. 62日寸，該燃燒機燃燒特性如速度場、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，計算中取二次風旋流強度Q2為0.62，在Q．分別為0、0.27、0.56、0.88和1.53時研究外旋流一次風旋流強度變化對燃燒室內速度場、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，一次風生物質氣流首先著火燃燒，沿軸線在燃燒機出口不遠處開始形成高溫區(qū)。由于二次風和外一次風旋流的卷吸作用以及一次風的湍流擴散，燃燒高溫區(qū)逐漸擴大。高溫區(qū)后，溫度分布比較均勻。由于生物質的燃燒，沿軸線自著火點形成了低氧區(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低氣壓低流速區(qū)，尚未形成回流區(qū)；當旋流強度進一步增大時，此區(qū)域將形成回流區(qū)。

可以看出，在燃燒機出口附近，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氣流著火后劇烈燃燒，溫度迅速升高。當Q．為0時溫度呈現(xiàn)單峰分布，當Q-大于0時溫度呈現(xiàn)雙峰分布。當Q，較小時，雙峰峰值相差較大，且高峰值越大，表明燃燒比較集中；當Q，增大時，雙峰峰值差值逐漸減小，且高峰值也逐漸減小，表明燃燒逐漸擴展，高溫分布區(qū)擴大。這種分布主要是由于外一次風氣流旋轉及其旋流強度大小不同。當Q，較小時，一次風氣流剛性較強，穿透能力較強，盡管受二次風旋流卷吸影響，但生物質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Q，增大時，燃燒機的卷吸能力增強，外一次風氣流旋轉自身也加劇了一次風氣流的擴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)域逐漸擴大，高溫燃燒區(qū)域擴展，溫度分布相對均勻，峰值減小，逐漸接近燃燒機噴口。從著火特性角度來說，上述特性增加了生物質顆粒在著火區(qū)的停留時間，有利于生物質氣流的著火。圖中雙峰峰值之間存在一個谷值，是由于氣流旋轉卷吸造成此區(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c，<0.56和Q->0.88時，不同旋流強度下軸線溫度分布變化比較平緩；當0.56< Q．<0．踞時，不同旋流強度下軸線溫度分布變化劇烈。這說明當0. 56<Q．<0.88時，該燃燒機燃燒特性變化劇烈。

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)沿徑向向外逐漸擴展，溫度峰值降低。當cl<0.56時，不同旋流強度下徑向溫度分布變化比較平緩；當0. 56< Q．<0.88時，不同旋流強度下徑向溫度分布變化劇烈；Q．為1. 53時，徑向溫度分布比較均勻，結合圖11、圖12、圖13分析表明燃燒機氣流在此外一次風旋流強度下形成了全擴散氣流即所謂燃燒機“飛邊”現(xiàn)象㈩。這會使燃燒器噴口燒壞，也會使燃燒機周圍結渣。圖12表明，隨著Q．逐漸增大，燃燒機氣流衰減特性逐漸增強，擴展角增大加劇，當Q，為1. 53時，就形成了上述的全擴散氣流。這表明Q-的值為0. 88～1. 53之間的某一值。進一步計算表明，這一值接近0. 88。因此，在二次風旋流強度Q：為0. 62時，外一次風旋流強度Q，不能大于0. 88。

本文定義著火距離為軸線溫度為1 000 K的軸線坐標倒1。圖14進一步說明了Q．對著火距離的影響：著火距離隨著Q．的增大而減小，當0.5K Q．<0. 88時，著火距離變化劇烈。

4結論

提出一種可調節(jié)自適應一次風外旋流內直流煤粉燃燒機，并采用CFD軟件模擬研究了該燃燒機在一定的二次風旋流強度、不同的外一次風旋流強度下的燃燒特性。結果表明：外一次風旋流強度對燃燒器燃燒特性有重要影響。由于燃燒機氣流旅轉卷吸作用，溫度分布呈現(xiàn)雙峰分布特性，而且這種特性隨外一次風旋流強度Q．增大更加顯著。當Q，增大時，一次風生物質氣流衰減和擴散特性加劇，生物質顆粒在著火區(qū)的停留時間也增加了，著火特性改善，著火距離減小。在二次風旋流強度為0. 62日寸，當外一次風旋流強度在0. 56和0．踞之間時，該燃燒機燃燒特性變化劇烈。

生物質燃燒機，

生物質氣化站，