生物質燃燒機結構對流動和排放物濃度的影響
摘要：為了提高生物質處理生物質燃燒機噴嘴的使用壽命、降低排放物中NO，的濃度，采用Realizable k-X模型對生物質處理生物質燃燒爐三維流動和燃燒進行了數值模擬。結果顯示：燃燒室內的流動、燃燒、化學反應以及排放物中NQ的濃度與生物質燃燒機的導流片角度和生物質燃燒機結構密切相關，包括內部流道的形狀和面積。據此提出了生物質燃燒機的兩種結構修改方案。數值模擬結果表明：當去掉導流片從而增大空氣流通截面積并減小流動阻力后，生物質燃燒機內的速度和壓力分布合理，高溫區(qū)位置后移，燃燒和化學反應效率提高，排放物NQ的濃度明顯降低其中一種結構改進的生物質燃燒機投入使用后，經檢測N0，的濃度減少9. 50/0。
    生物質處理裝置上的生物質燃燒機均存在不同程度的噴嘴容易燒損，燃燒室內流動、燃燒狀況不理想，燃燒后的有害產物濃度過高等現象，造成經濟損失和環(huán)境污染受測試設備和技術等限制，要獲得燃燒室內的流動結梅多組份擴散、化學反應等的真實信息存在相當大的困難。而且耗資大、周期長。冷態(tài)模擬實驗結果又不能完全反映其內部的流動情況這給生物質燃燒爐的研究和設計帶來了很大困難數值實驗方法具有經濟、快捷的優(yōu)勢。越來越廣泛地用于工程流動問題的研究
    本文研究某典型酸性生物質處理裝置上的生物質燃燒爐，該生物質燃燒機功能是：將主要成分為儺S N伸和其他碳氫化合物的氣體在燃燒室內充分燃燒后生成S02，制成硫酸再次利用，同時盡可能降低排放物中的NO。的濃度，以減少環(huán)境污染而實際運行中的生物質燃燒機。燃燒后排放物中硝酸濃度過高，噴嘴易燒壞作者用商用CFD軟件FLU EN T6. 0，對原生物質燃燒爐和本文提出的兩種內部幾何結構修改方案進行了數值實驗
1數學模型和基本方程
    針對燃燒室內的強旋湍流，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)方動量方程及k毒方程能量方程氣相組分方程在柱坐標系中的統一形式用標準的壁函數和SIM PLE算法求解燃燒室內強旋射流流場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散原則模擬反應與湍流的相互作用。先求解混合組分分數，再求組分濃度PDF模型有助于獲取詳細的中間反應信息，有限速率模型有助于獲取主反應的信息陋，61綜合兩種模擬的結果可以比較全面地獲得燃燒室內的信息。
    在計算出速度琢溫度場和濃度場后，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，其反應式為：
2幾何結構和網格
    原生物質燃燒機結構如圖1所示酸性氣體由上部的進氣口進入生物質燃燒機o空氣經中部進氣口流入，通過兩級穩(wěn)壓室和導流片組，到達噴口進行混合
    由于空氣流經部位結構復雜，尺度變化大，此處采用非結構化網格偽40萬個四面體網格1，其他部位盡可能采用結構化六面體網格，總網格數量大約80萬個圖2為原生物質燃燒機內導流片和空氣室擋板的網格生物質燃燒機內部不同幾何結構的網格形式有一定別。但網格總數差別不大。
    生物質燃燒機的兩種幾何結構的修改方案分別為：方案1增大了空氣混合室中擋板窗口面積，改變了導流片的角度，燃氣噴口處的配合作了處理，改變燃燒室上部結構以避免流動過早分離在方案1的基礎上，方案2去掉了原有的導流片。適當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 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}燃料氣體成分見表1表1燃料氣體組分的質量分
4模擬結果對比與分析
    圖3a為數值計算所得原燃燒室壓力分布，可看出：空氣流經兩層穩(wěn)壓室，再經過導流片又經90轉角后抵達噴口，過于復雜的通道結構造成流阻過大。使生物質燃燒機內空氣流量不足該現象與原產品實際運行時的情況一致，證實這一部位流阻過大
    圖3b為本文提出的結構改進方案2的燃燒室壓力分布，結果顯示：結構的改變使導流片至噴口部位的流動得到改善，流阻明顯減小方案1的計算結果同樣也改善了流動并減少了流阻
    圖4a為原燃燒室速度分布。顯示噴口與燃燒室結合部位的拐角處為高速區(qū)。其下部有較強的回流區(qū)，燃燒室軸線上的速度較低這是由于原生物質燃燒機噴口至燃燒室結合部位的幾何結構不合理?？諝馀c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，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顯示通過噴口的氣流速度加快，速度張角減/J\o燃燒室內沿軸線處氣流速度增大，回流區(qū)遠離噴口。無疑這是生物質燃燒機內部幾何結構的改善所帶來的結果
    圖5a為原燃燒室內的溫度場，火焰面較小，接近噴口，同時因回流強，導致高溫區(qū)集中。這與原生物質燃燒爐實際運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的溫度場特征與方案2基本相同。
    原生物質燃燒機實際運行中檢測到的排放物NQ的濃度過高，即S02的生成濃度不理想圖6a為原燃燒室內S02的質量分數，顯示火焰中部及尾端處S02的生成濃度低，模擬結果與實際運行情況符厶o
    圖6b為方案2的SQ質量分數，與圖6a比較顯示燃燒室內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：幾何結構的合理改進導致高溫區(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燃燒機投入運行后經檢測N Ox的濃度降低9．鐋，證實了數值預報結果的有效性而方案因生物質燃燒機的內部幾何結構有了改變。雖然改善了燃燒和流動，但高溫區(qū)域較大，不利于控制NQ的lll生成，S02的質量分數分布與原燃燒室相比略有增加
5結  論
    1)生物質燃燒機內部幾何結構的合理改進，使燃燒室內流動、燃燒以及化學反應均有明顯改善
    2)方案1較好地改善了流動和燃燒。使得在相同的空氣進口壓力條件下。進入燃燒室空氣流速加快，燃燒室內流動更合理，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)域過大的缺陷。有害物NQ的濃度略有降低
    31方案2因在幾何結構上作了更合理的改動。使火焰變長，燃燒得到改善，爐內溫度更均勻，高溫區(qū)被推離噴口且范圍分散，有利于提高噴嘴壽Ao投入使用后經檢測N O的濃度降低。