新型生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器流動特性仿真分析

賈國海, 李立君, 高自成, 李際平, 陳喜龍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410004)

生物質(zhì)顆粒燃料是一種典型的生物質(zhì)固體成型燃料,具有高效、潔凈、容易點火、CO2近零排放等優(yōu)點,可替代煤炭等化石燃料應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域,近幾年來在歐盟、北美、中國得到了迅速發(fā)展.文獻[1]分析了我國生物質(zhì)能源技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和存在問題,提出了發(fā)展對策和建議.文獻[2]對南方主要薪炭樹種的生物量、熱值進行聚類分析,并結(jié)合生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣情況進行了綜合評價.文獻[3]對13種生物質(zhì)原料的物理性能及燃燒特性進行了研究,并分析了燃燒后的氣體排放成分、灰分組成等特性.文獻[4]對不同生物質(zhì)燃料的元素組成和燃燒特性進行了對比分析.文獻[5]對木屑和城市固體廢物進行燃燒特性的模擬和試驗研究,分析了燃燒爐在不同風量影響下的燃燒特性.文獻[6]為探討木質(zhì)顆粒燃料應(yīng)用的效益,對比分析了常規(guī)能源和木質(zhì)顆粒燃料的單位能價及典型鍋爐實際運行成本.文獻[7]采用Fluent軟件對一種煤摻燒生物質(zhì)的旋流燃燒器進行了冷態(tài)數(shù)值模擬,計算結(jié)果表明:安裝合適角度的旋流葉片可使得旋流燃燒器中的氣流擾動更加強烈,從而可提高生物質(zhì)的燃燒效率.文獻[8]采用Fluent對燃燒器空氣流場情況進行了數(shù)值模擬,分析了不同二次風門開度下旋流燃燒器空氣流場特性.文獻[9]采用渦流耗散(EDC)模型對一種預(yù)熱室旋流燃燒器的燃燒特性進行了數(shù)值模擬,并對6種不同含氧量下的燃燒特性進行了分析.文獻[10]對一種具有空氣分級裝置的小型生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)進行了CFD仿真分析,計算結(jié)果表明該裝置可以在較低的空氣比下實現(xiàn)生物質(zhì)的完全燃燒.文獻[11]對一種生物質(zhì)顆粒氣化爐的燃燒效率和污染物排放特性進行了分析,得出在控制好空氣混合比的情況下可大大減少污染物排放并提高燃燒效率.文獻[12]對固定床鍋爐中的生物質(zhì)燃燒特性進行了數(shù)值模擬和實驗測試對比分析,得到了固定床中固相和鍋爐爐中氣相的主要變化曲線.文獻[13]采用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對生物質(zhì)氣化爐進行建模,并對不同生物質(zhì)顆粒的氣化特性進行了仿真與試驗研究.

以上分析可知,生物質(zhì)顆粒燃料廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)鍋爐、熱風爐、采暖爐中,但大部分燃燒器不具有抗結(jié)渣性的特點.針對這種情況,本研究團隊設(shè)計一種可抗結(jié)渣性的生物質(zhì)回轉(zhuǎn)顆粒燃燒器.燃燒器內(nèi)流速分布特性對生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒效率以及燃燒器的使用壽命均有重要的影響,筆者利用流體計算軟件對該新型生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器內(nèi)流場特性進行研究,能夠減少試驗工作量,縮短設(shè)計周期.

1 燃燒器結(jié)構(gòu)

為了提高生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器熱效率,使燃燒更充分,減少煙塵量的生成,生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器采用回轉(zhuǎn)燃燒室.此外,還采用螺旋進料裝置控制進料量,保證顆粒燃料充分燃燒,從而控制嚴重結(jié)渣.

生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要由螺旋進料機構(gòu)、回轉(zhuǎn)燃燒室、小燃燒室和聯(lián)接法蘭等部件組成.燃燒器在工作時,生物質(zhì)顆粒從進料口進入到進料螺旋管中,在進料螺旋機構(gòu)的作用下,快速、平穩(wěn)、均勻地推進到回轉(zhuǎn)燃燒室.在回轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi),燃料被干燥,然后進入燃燒區(qū)域,生物質(zhì)顆粒完成一次燃燒所需要的空氣通過鼓風機將氣流從回轉(zhuǎn)燃燒室的下部和環(huán)繞在燃燒床內(nèi)的燃燒室上的小孔進入,并提供適宜的燃料/空氣比,營造理想的燃燒氛圍.生物質(zhì)顆粒燃料在環(huán)繞整個燃燒室外的二次風口處吹入二次風,這些二次空氣使得燃燒更加充分,保證所有的生物質(zhì)燃料在回轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi)完全燃燒.

圖1 生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

2 理論模型和計算方法

鼓風機首先將空氣噴射到燃燒區(qū)域,然后生物質(zhì)顆粒燃料在螺旋進料機構(gòu)的輸送下進入燃燒室,與空氣混合進行燃燒.生物質(zhì)顆粒回轉(zhuǎn)燃燒器可以在較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)燃燒,故對燃燒器在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的流動特性進行研究.

2.1 三維網(wǎng)格模型的建立

在進行數(shù)值仿真計算前,采用Pro/E軟件建立生物質(zhì)顆?；剞D(zhuǎn)燃燒器的三維模型,如圖2所示.

為了使仿真模型的計算收斂速度更快,在不影響計算精度的情況下對燃燒器表面倒角和細小結(jié)構(gòu)進行適當簡化.采用Gambit軟件對燃燒器內(nèi)流體模型進行幾何處理并使用多面體網(wǎng)格功能對燃燒器內(nèi)流體模型進行體網(wǎng)格的劃分,燃燒器流體的三維體網(wǎng)格模型如圖3所示,其節(jié)點數(shù)為1 104 429個,網(wǎng)格數(shù)為338 087個.

圖2 燃燒器三維模型

圖3 燃燒器內(nèi)流體的三維網(wǎng)格模型

2.2 三維流動的控制方程

在燃燒器的流動仿真計算中,將其視為穩(wěn)態(tài)的湍流運動,其流動和傳熱過程都遵從質(zhì)量守恒、能量守恒定律和動量守恒[10].

質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中:ρ為流體密度;u為流體速度矢量.

能量守恒方程為

(2)

式中:T為流體溫度;k1為流體的傳熱系數(shù);cp為流體的比定壓熱容;St為黏性耗散項.

動量守恒方程為

(3)

式中:p為流體壓力;μ為動力黏度;u,v,w分別為u在x,y,z方向上的分量;Su,Sv,Sw為動量守恒方程的廣義源項.

2.3 湍流模型

反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和湍流應(yīng)力方程可通過k-ε方程[12]得到:

(4)

式中:k為湍動能;ui為流體速度在i方向上的分量;μt為湍動黏度;Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;Gb為由浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;YM為可壓縮湍流流動中的脈動擴張項;Sk為湍動能的源項;σk為湍動能k對應(yīng)的Prandtl數(shù).

(5)

(6)

式中:ε為湍動能耗散率;Sε為湍動耗散源項;σε為湍動能耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù),σε=1.3;σk=1.0;C1ε=1.44;C2ε=1.92;Cμ=0.09.

2.4 邊界條件及求解設(shè)置

因為燃燒器的引風口為矩形,所以其等效水力直徑[8]為

(7)

式中:a,b分別為燃燒器引風口的長度和寬度.

燃燒器引風口和燃料入口的雷諾數(shù)和湍流強度可分別按式(8),(9)進行計算[8].

雷諾數(shù)為

(8)

式中:v0為空氣入口速度;ν為空氣運動黏度系數(shù),取14.8×10-6m2·s-1.

湍流強度為

I=0.16Re-1/8.

(9)

根據(jù)式(7)-(9)得到不同引風速度下的引風口和燃料入口的等效水力直徑、雷諾數(shù)和湍流強度,如表1所示.

以Fluent軟件為基礎(chǔ),采用k-ε湍流模型模擬穩(wěn)定工況下該型生物質(zhì)回轉(zhuǎn)燃燒器內(nèi)流體的流動特性,入口邊界采用速度入口邊界條件,燃燒器出口處邊界條件選擇出口壓力邊界,依照實際工作要求,設(shè)置為大氣壓力.

表1 不同引風速度下的參數(shù)

為了模擬絕熱燃燒過程,壁面設(shè)為絕熱壁面,沒有熱量和質(zhì)量流量通過,壁面為無滑移邊界條件,近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù).離散格式中壓力插補格式采用PRESTO格式,對流項采用QUICK格式.設(shè)置收斂為平均殘差小于10-5,并且當進風口、出風口幾個預(yù)設(shè)監(jiān)測點速度、壓力都趨于穩(wěn)定時,可認為收斂并停止求解.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 燃燒器內(nèi)壓力分布

生物質(zhì)回轉(zhuǎn)燃燒器在不同引風速度下的氣相壓力分布如圖4所示.仿真結(jié)果表明:在生物質(zhì)旋流燃燒器整體壓力最大區(qū)域主要分布在風機引風處到回轉(zhuǎn)燃燒室二次風口之間,其他區(qū)域壓力值分布較為均勻;氣體進入生物質(zhì)回轉(zhuǎn)燃燒室上的二次風口后,壓力值逐漸減小,在回轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi)部壓力基本保持一致.

圖4 燃燒器內(nèi)氣相壓力分布圖

從圖4可以看出: 燃燒器內(nèi)部的整體壓力隨風機引風速度的增大逐漸增大.當風機引風風速為25 m·s-1時,二次風口的最大壓力為541.0 Pa;當風機引風風速為35 m·s-1時,二次風口的最大壓力為1 059.5 Pa;當風機引風風速為45 m·s-1時,二次風口的壓力增大為1 750.7 Pa.

3.2 燃燒器內(nèi)流速分布

燃燒器在不同風機引風風速下空氣流場速度的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示,當風機引風風速為25 m·s-1時,二次風口的最大速度為25.20 m·s-1;當風機引風風速為35 m·s-1時,二次風口的最大速度為35.32 m·s-1;當風機引風風速為45 m·s-1時,二次風口的最大速度為45.40 m·s-1.從總體上來說,燃燒器內(nèi)部的氣體流速隨風機引風風速的增大逐漸增大,但燃燒室內(nèi)的空氣速度流場分布情況略有差異.以風機引風風速為45 m·s-1為例,對燃燒器內(nèi)部的風速進行分析.靠近風機引風附近的二次風口區(qū)域的風速達到最大值44.30 m·s-1,空氣流速從風機入口處沿著回轉(zhuǎn)燃燒室不斷下降,至燃燒器的下方,達到最小值2.33 m·s-1;經(jīng)過回轉(zhuǎn)燃燒室的二次風口時,風速又快速上升,平均速度為21.00 m·s-1,回轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi)部的流速比較穩(wěn)定,平均流速為9.93 m·s-1,攪動筋板對氣流的流動起到均勻的導(dǎo)向作用.

圖5 燃燒器內(nèi)氣相的流速分布圖

3.3 燃燒器內(nèi)湍動能分布

燃燒器的湍動能分布云圖如圖6所示.湍動能是與流體速度相關(guān)的參數(shù),它是脈動動能而非平均流動能.

圖6 燃燒器內(nèi)氣相的湍動能分布圖

從圖6可以看出: 湍動能變化較大的區(qū)域主要集中在風機引風到對應(yīng)的二次風口之間,經(jīng)過二次風口處的湍動能達到最大值,在其他的區(qū)域,湍動能值較小,基本保持穩(wěn)定不變;隨著風機引風速度的增大,湍動能也相應(yīng)地增大:當風機引風風速為25 m·s-1時,二次風口的最大湍動能為77.58 m2·s-2;當風機引風風速為35 m·s-1時,二次風口的最大湍動能為152.04 m2·s-2;當風機引風風速為45 m·s-1時,二次風口的湍動能增大為251.32 m2·s-2.湍流具有擴散能力,能夠耗散氣體的保勢動能,形成時而膨脹時而壓縮的氣體介質(zhì),也會引起氣體的回流和渦流,阻礙氣體的流動,增加各部分的靜壓力,產(chǎn)生壓力損失.比較圖4,6可以看出,湍動能大的地方壓力變化也較大.

4 結(jié) 論

1) 燃燒器內(nèi)壓力主要分布在2個區(qū)域:回轉(zhuǎn)燃燒室的內(nèi)部和外部.燃燒室內(nèi)部的壓力分布較為均勻,燃燒室外部的壓力大致呈現(xiàn)遞減趨勢,在風機引風到二次風口處的壓力差最大,主要因為二次風口阻力造成回轉(zhuǎn)燃燒室的阻力損失.

2) 燃燒器內(nèi)部的氣體流速隨風機引風風速的增大逐漸增大,風機引風和二次風口附近的流速比較大,風機引風和二次風口附近的渦流現(xiàn)象比較明顯,回轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi)氣體的流速分布基本均勻.

3) 燃燒器湍動能變化較大的區(qū)域主要集中在風機引風到對應(yīng)的二次風口之間,在其他的區(qū)域,湍動能較小,基本保持穩(wěn)定不變.隨著風機引風速度的增大,湍動能也相應(yīng)增大,燃燒器的壁面和回轉(zhuǎn)燃燒室上的小孔對流體的限制和擾動是其內(nèi)部產(chǎn)生湍流的主要原因.