王帥超, 柳善建, 李永軍, 劉亞亞, 張凱真
(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院, 山東 淄博 255000)
農(nóng)林生物質(zhì)具有硫含量低、揮發(fā)分含量高、環(huán)??稍偕葍?yōu)點,可用于綠色電力、清潔供暖等領域,實現(xiàn)規(guī)?;棉r(nóng)林廢棄物的目的,而且農(nóng)林生物質(zhì)具有與煤、天然氣、電力等能源相競爭的價格優(yōu)勢[1],[2]。國家《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出: 大力推進生物質(zhì)鍋爐等技術在當?shù)赜脩魝?cè)直接替代燃煤,實現(xiàn)到2020 年生物質(zhì)燃料年利用量達到3 000 萬t。
由于農(nóng)林生物質(zhì)種類繁多、燃燒特性差別大、含水率高(一般為15%~50%)、難以穩(wěn)定燃燒,當農(nóng)林生物質(zhì)燃燒不充分時, 往往會產(chǎn)生較多的煙塵、CO、 揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 和多環(huán)芳烴(PAHs),從而造成嚴重的環(huán)境污染[3]~[5]。 同時,農(nóng)林生物質(zhì)的氯元素和鉀、鈉、鎂等堿金屬元素的含量較高,當爐內(nèi)燃燒溫度較高時,不僅會產(chǎn)生較多的NOx,也容易引起積灰、結(jié)渣和受熱面腐蝕等問題[6]~[8]。 隨著人們對環(huán)境污染問題的重視,國家及地方《鍋爐大氣污染物排放標準》要求生物質(zhì)燃燒設備能夠?qū)崿F(xiàn)高效、低污染物、潔凈燃燒,而合理的結(jié)構(gòu)設計是生物質(zhì)燃燒設備能夠高效、 低污染物排放運行的關鍵。 賈國海設計了一種生物質(zhì)顆?;剞D(zhuǎn)燃燒器,并基于Fluent 軟件研究了燃燒器冷態(tài)內(nèi)部流動和壓力分布情況,研究結(jié)果表明:燃燒器內(nèi)部的氣體壓力、 速度和湍動能隨著風機引風速度的增大逐漸增大; 風機出口到回轉(zhuǎn)燃燒室間的氣體壓力、速度和湍動能較大,并在二次風口處達到最大值[9]。 程超對現(xiàn)有的一種生物質(zhì)壓塊燃料鍋爐進行實驗分析和數(shù)值模擬, 通過對鍋爐溫度場、壓力場和組分濃度場的分析,提出了鍋爐改造方案, 并得出改造后的鍋爐后拱高度不宜過高,后拱高度增加后會導致爐內(nèi)火焰中心上移,使爐膛煙氣出口溫度升高和容易結(jié)渣的結(jié)論[10]。
生物質(zhì)燃燒機是近年出現(xiàn)的一種以生物質(zhì)顆粒、木屑、木粉等為主要燃料的生物質(zhì)燃燒設備,主要為滿足冶金、化工、陶瓷、供暖等領域?qū)τ诹畠r熱源的需求,一般與鍋爐、換熱器等配合使用[11]。粉體生物質(zhì)燃料具有燃燒完全、 燃燒效率高等優(yōu)點。作者在前期研究的基礎上,提出了一種燃燒生物質(zhì)粉的束腰型燃燒機,以提供高溫火焰為目的,后續(xù)配合換熱器或鍋爐等設備使用。 本文基于Fluent 軟件研究了束腰型結(jié)構(gòu)傾角、 束腰口間距和過量空氣系數(shù)對束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的爐內(nèi)溫度場、NO 濃度場、出火口的平均溫度、物質(zhì)平均質(zhì)量濃度、O2,CO2,NO 和CO 濃度等參數(shù)的影響, 最終得到了較優(yōu)的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機結(jié)構(gòu)及運行工況參數(shù)。
束腰型生物質(zhì)粉燃燒機由喂料系統(tǒng)、 送風系統(tǒng)、束腰型燃燒室、出火口、溫度檢測裝置、煙氣監(jiān)測裝置和管道等部件組成。 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。由圖1 可知,喂料系統(tǒng)由第一級螺旋喂料和第二級送風喂料裝置組成,第一級螺旋喂料在進料電機的帶動下轉(zhuǎn)動, 通過準確控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)生物質(zhì)粉進料量的控制,第二級送風喂料則將落入的生物質(zhì)粉吹入燃燒室內(nèi)燃燒。 為防止第一級螺旋喂料管內(nèi)出現(xiàn)搭橋或返料的現(xiàn)象,在料倉上部加入送料風,以平衡第二級送風喂料系統(tǒng)的風壓。
圖1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of thin waist type biomass powder combustion machine
束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的束腰型結(jié)構(gòu)通過連接部件連接,可方便更換。燃燒機的出火口處安裝WRP-230S 型熱電偶, 采用抽風方式利用紅外煙氣分析儀對尾氣中的CO,CO2,O2和NO 含量進行檢測。為保證生物質(zhì)粉在燃燒室內(nèi)更好地燃燒,引入尾部煙氣對配風進行預熱。 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的基本參數(shù)見表1。
表1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的基本參數(shù)Table 1 The parameters of thin waist type biomass powder combustion machine
生物質(zhì)粉在燃燒室內(nèi)的燃燒過程十分復雜,包含多種物理化學反應, 涉及氣固兩相傳熱傳質(zhì)問題[12]~[14]。 為簡化分析,假設:
①一次風將生物質(zhì)粉從入口均勻吹入束腰型燃燒機的燃燒室;
②爐壁絕熱保溫,為簡化模型,只對爐排以上的束腰型燃燒機的燃燒室進行模擬;
③不考慮生物質(zhì)粉在爐底因積存而產(chǎn)生的燃燒帶來的影響。
采用標準k-ε 兩方程模型描述燃燒室內(nèi)的湍流氣相流動,采用P-1 輻射模型模擬生物質(zhì)粉燃燒時的內(nèi)部輻射情況。 顆粒運動采用隨機軌道模型,揮發(fā)分析出采用兩步競爭反應模型,焦炭燃燒選擇動力-擴散控制燃燒模型。 建模過程中涉及的一些控制方程包括:
(1)質(zhì)量守恒方程
式中:t 為時間,s;ρ 為物質(zhì)密度,kg/m3;u,v,w 分別為速度矢量在坐標軸x,y,z 方向上的分量,m/s。
(2)能量守恒方程
(3)兩步競爭反應模型
式中:av為揮發(fā)分析出的質(zhì)量,kg;a1,a2分別為揮發(fā)分在兩個反應中所占的當量百分比,%;ac為生物質(zhì)粉的質(zhì)量,kg;k1,k2均為揮發(fā)分競爭析出速率常數(shù)。
(4)k-ε 兩方程模型
式中:μt為湍流粘性系數(shù),Pa·s;μ 為動力粘度系數(shù),Pa·s;Ck為由于平均速度梯度引起的湍流動能的產(chǎn)生項;Gb為由于浮力引起的湍動能的產(chǎn)生項;YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻;Sk,Sε均為源項;C1ε,C2ε和C3ε均為經(jīng)驗常數(shù);σk,σε分別為k和ε 對應的Prandtl 數(shù),通常σk取1.0,σε取1.3;k為湍流動能;ε 為湍流耗散率。
(5)P-1 輻射模型
式中:εw為壁面發(fā)射率;ρw為壁面反射率;Tw和Gw均為壁面處的物理量。
(6)動力-擴散控制燃燒模型
式中:mp為顆粒質(zhì)量,kg;dp為顆粒直徑,m;pox為顆粒周圍的氣相氧化劑分壓,Pa;D0為模型擴散速率常數(shù);R 為考慮焦炭的內(nèi)表面反應及其擴散的動力學反應速率常數(shù)。
選擇楊木為原料,經(jīng)FY600 型木材切片機和93ZRG-680 型多功能粉碎機處理后, 篩選150~200 目的楊木粉備用, 楊木粉的平均粒徑為0.15 mm,堆積密度為700 kg/m3。 楊木粉的工業(yè)分析和元素分析見表2。
表2 楊木粉的工業(yè)分析和元素分析Table 2 Industrial analysis and elemental analysis of poplar power
空氣干燥基和收到基之間的換算系數(shù)為
式中:Mar為楊木粉收到基的含水量,%;Mad為楊木粉空氣干燥基的含水量,%。
1 kg 空氣干燥后楊木粉完全燃燒所需氧氣量為
由于對配風進行預熱,因此,根據(jù)克拉伯龍方程[15],應對風速進行修正:
式中:V0為理論 空氣量,m3/kg;α 為過量 空氣系數(shù);Vk為實際空氣量,m3/kg; m˙為燃料的質(zhì)量流量,kg/s;βi為配風所占份額;Ai為各風口的面積,m2;Vi0為理論空氣量下未修正的風速,m/s;T0為標準狀態(tài)溫度,K;Ti為各入口的實際溫度,K;Vi為修正后的實際風速,m/s。
為得到生物質(zhì)粉燃燒機較優(yōu)的束腰型結(jié)構(gòu),研究不同的束腰型結(jié)構(gòu)傾角對于燃燒效果的影響, 并與相應的直筒型燃燒機的燃燒性能進行對比。所謂直筒型生物質(zhì)粉燃燒機,是指與束腰型生物質(zhì)粉燃燒機相比, 僅在是否存在束腰型結(jié)構(gòu)上存在差別,其喂料量、風量、出火口位置等參數(shù)均相同。
根據(jù)式(10)~(13)計算得出,當系統(tǒng)的實際空氣量為理論空氣量的1.1 倍時, 修正后的一次風速度V1=12.3 m/s,此時不同傾角束腰型生物質(zhì)粉燃燒機與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場的對比如圖2 所示。
圖2 傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場的對比Fig.2 The comparison of temperature field in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and the straight cylinder type combustion machine
從圖2 可以看出: 由于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機在爐內(nèi)沒有結(jié)構(gòu)阻礙, 且楊木粉的入口風速較高,楊木粉進入爐膛后會形成細窄的弧形分布燃燒火焰,并吹向?qū)ο虻臓t膛壁,容易從出火口噴出;束腰型生物質(zhì)粉燃燒機由于增加了束腰型結(jié)構(gòu),楊木粉火焰氣流在行程中受到阻礙,增加了爐內(nèi)擾動,使得部分未燃盡的燃料返回爐膛下部繼續(xù)燃燒,楊木粉在爐內(nèi)的行程變長,釋放出更多的反應熱,可以達到充分燃燒的效果,降低了出火口未燃盡可燃物的濃度;在束腰型生物質(zhì)粉燃燒機內(nèi), 火焰中心未到達對向的爐膛壁即上升,火焰的高溫帶分布較寬,爐內(nèi)溫度分布相對較均勻。
NO 排放是評價鍋爐等燃燒設備性能的重要指標,其生成途徑可分為燃料型、熱力型和快速型[16]。 NO 的生成與生物質(zhì)燃料的種類、進口氧氣濃度、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)等諸多因素相關[17],[18]。 通過Fluent 軟件對生物質(zhì)粉燃燒機的爐內(nèi)NO 濃度分布進行模擬分析, 生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)NO 濃度場的分布云圖如圖3 所示。 從圖3可以看出,燃燒火焰中心附近的NO 濃度最高,這是由于生物質(zhì)燃料的燃燒火焰中心溫度較高,燃料型NO 和熱力型NO 迅速大量產(chǎn)生[19]。在溫度較低的區(qū)域,NO 的生成量較少。
圖3 傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)NO 濃度場分布云圖Fig.3 NO concentration distribution of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and straight cylinder type combustion machine
表3 列出了傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機、 直筒型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的平均溫度(T1)、物質(zhì)平均質(zhì)量濃度(D)以及CO,CO2,NO 和O2濃度(占煙氣的摩爾分數(shù))。
表3 相同入口條件下束腰型、直筒型生物質(zhì)粉燃燒機的出火口參數(shù)Table 3 The parameters of the outlet of thin waist type and straight cylinder type biomass combustion machine under the same inlet conditions
由表3 可知,在相同入口條件下,直筒型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的CO 濃度和D 均遠高于束腰型生物質(zhì)粉燃燒機,出火口的T1低于束腰型生物質(zhì)粉燃燒機, 兩種類型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的O2濃度相差不大。 考慮到設計本燃燒機的主要目的是提供高溫火焰,因此,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的爐內(nèi)燃燒效果較好。當θ 分別為15,30,45,60°時, 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的NO 濃度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢; 當θ 分別為30,45°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1和NO 濃度均高于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機; 當θ 分別為15,60°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1和NO 濃度與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機相差不大。 由此可知,當θ 分別為30,45°時,束腰型結(jié)構(gòu)對爐內(nèi)燃燒的影響較為明顯,造成爐內(nèi)燃燒溫度較高,從而產(chǎn)生較多的NO。
對比圖2 和表3 可知:當θ=30°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的D 以及CO 和NO 的濃度均低于θ=45°時, 而出火口的T1高于θ=45°時;當θ=30,45°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的CO2和O2的濃度相當。 因此可以認為,當θ=30°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的燃燒效果更好。這是因為與θ=45°時相比,當θ=30°時,燃料經(jīng)束腰型結(jié)構(gòu)的阻礙而返回爐膛下部燃燒的現(xiàn)象更為明顯,延長了爐內(nèi)燃料燃燒的停留時間,爐內(nèi)溫度分布更為均勻,燃燒更加充分,這一點也可以從圖2(b),(c)看出。
為檢驗上述生物質(zhì)粉燃燒機燃燒模擬結(jié)果的可靠性, 將模擬結(jié)果與直筒型農(nóng)林生物質(zhì)燃燒機的實際測量結(jié)果進行對比。 在楊木粉喂料量為150 kg/h,實際空氣量為理論空氣量1.1 倍的工況下進行燃燒試驗, 并將直筒型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1以及CO,CO2和O2濃度的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果相對比,結(jié)果如表4 所示。由表4 可以看出,對于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機而言,其出火口的T1以及CO,CO2和O2濃度的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,相對誤差均在17%以內(nèi),說明仿真結(jié)果可以接受。
表4 直筒型生物質(zhì)粉燃燒機的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比Table 4 Comparison of test results and simulation results of straight cylinder type biomass combustion machine
束腰型燃燒機的束腰口尺寸會對爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生較大的影響,為確定較優(yōu)的束腰型結(jié)構(gòu),在一次風速為12.3 m/s,未加入二次風的工況下,研究束腰口間距(L)對束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場、NO 濃度場、出火口的T1,D 以及CO,CO2,NO,O2的濃度等參數(shù)的影響。 當θ=30 °,L 分別為0.4,0.5,0.6,0.7 m 時, 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的爐內(nèi)溫度場云圖如圖4 所示。從圖4 可以看出,當L=0.4,0.5,0.6 m 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)的高溫區(qū)域分布較寬,當L=0.7 m 時,右側(cè)的高溫區(qū)域相對較窄,這是因為L 越大,爐內(nèi)燃燒、流動傳熱情況越接近于直筒型燃燒機, 火焰受束腰型結(jié)構(gòu)的影響越小, 楊木粉火焰易吹向右側(cè)爐壁且吹出爐膛外,因此,在爐膛左側(cè)區(qū)域形成較大低溫區(qū)域。 同時,與L=0.5,0.6 m 時相比,當L=0.4 m時,爐膛中下部也會形成較大的低溫區(qū),這是因為一次風速較高且溫度較低, 在束腰型結(jié)構(gòu)的影響下,一次風回流會導致左側(cè)區(qū)域溫度變低。
圖4 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場云圖Fig.4 The distribution of temperature in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine under different thin waist mouth diameter
當θ=30°,L 分別為0.4,0.5,0.6,0.7 m 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)NO 濃度場云圖如圖5所示。 當θ=30°,L 分別為0.4,0.5,0.6,0.7 m 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1和D 以及CO,CO2,NO 和O2濃度見表5。
圖5 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的爐內(nèi)NO 濃度場云圖Fig.5 NO concentration field of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter
結(jié)合圖5 和表5 可知,當L=0.4,0.5,0.6,0.7 m時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的CO2和O2濃度及D 相差不大。 但是,隨著L 的增大,T1呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢, 并在L=0.6 m 時達到最大, 最大值為1 197 K;CO 濃度呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢,NO 濃度呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的變化趨勢。 這是因為,當L=0.7 m 時,束腰型結(jié)構(gòu)對于爐內(nèi)的燃燒影響較小, 趨于直筒型燃燒機的燃燒方式,因此出現(xiàn)出火口的T1和NO 濃度變低,CO 濃度變高的現(xiàn)象。 另外,值得注意的是,當束腰口間距(L=0.4 m)較小時,出火口的CO濃度較低,但NO 濃度較高。 因此,經(jīng)過綜合考慮可知,當L=0.5 m 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的燃燒特性較優(yōu)。
表5 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口參數(shù)的對比Table 5 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter
為研究不同空氣過量系數(shù)對束腰型生物質(zhì)粉燃燒機燃燒效果的影響,在θ=30°,L=0.5 m,喂料量為150 kg/h,未加入二次風的工況下,研究過量空氣系數(shù)(分別為1.1,1.2 和1.3)對束腰型生物質(zhì)粉燃燒機燃燒效果的影響。 在不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場云圖如圖6所示。
圖6 不同空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)溫度場云圖Fig.6 Temperature field of thin waist type biomass powder combustion machine under different air coefficients
圖7 為不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)NO 濃度場云圖。 表6 列出了不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1和D 以及CO,CO2,NO 和O2濃度。
圖7 不同空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機爐內(nèi)NO 濃度場云圖Fig.7 NO concentration of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients
表6 不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的出火口參數(shù)對比Table 6 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients
結(jié)合圖6,7 和表6 可知, 隨著過量空氣系數(shù)的增大,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的T1以及CO,CO2和NO 濃度顯著減小,D 和O2濃度有所增大。 這是因為進口帶入大量空氣導致入口風速增加,燃料在爐膛內(nèi)停留時間減少,從而導致出火口的T1以及CO,CO2和NO 濃度的顯著減小。 對比圖6 和表6 可知,當過量空氣系數(shù)為1.2 時,盡管出火口的T1略低于過量空氣系數(shù)為1.1 時,但出火口的CO,CO2和NO 濃度較低, 更符合環(huán)保要求。當過量空氣系數(shù)為1.3 時,由于進風量的進一步提高, 會使得出火口的CO,CO2和NO 濃度達到一個較低值,但出火口的T1較低,會限制后續(xù)換熱器及鍋爐等設備對高溫熱源的要求, 使得束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的應用場合變窄;此外,在試驗過程中發(fā)現(xiàn),當過量空氣系數(shù)為1.3 時,由于風速較高會造成燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象, 過量空氣系數(shù)越高,由此產(chǎn)生的風速越高,導致大量灰分及未燃盡生物質(zhì)被吹出爐膛,造成出火口的D 增大。 因此,當過量空氣系數(shù)為1.2 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的各項性能指標均較好。
①與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機相比, 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的D 和CO 濃度均較低;當θ 分別為15,30,45,60°時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的CO 濃度僅為直筒型生物質(zhì)粉燃燒機的5%,2.6%,2.8%,1.6%;當θ=30,45°時,束腰型結(jié)構(gòu)對爐內(nèi)燃燒的影響較為明顯, 造成爐內(nèi)燃燒溫度較高。
②當L=0.4,0.5,0.6,0.7 m 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機出火口的CO2和O2濃度及D 相差不大,但是,隨著L 的增大,T1呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。
③隨著過量空氣系數(shù)的增大,出火口的T1以及CO,CO2和NO 濃度顯著減小,D 和O2濃度有所增大。
④通過對比θ,L 和過量空氣系數(shù)對束腰型生物質(zhì)粉燃燒機燃燒效果的影響,發(fā)現(xiàn)當θ=30°,L=0.5 m,過量空氣系數(shù)為1.2 時,束腰型生物質(zhì)粉燃燒機的燃燒效果較好。