基于CFD仿真的工業(yè)爐燃燒預(yù)測(cè)分析研究

趙 剛

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

世界各地的蒸汽都是粉煤燃燒產(chǎn)生的，這種燃燒的模型可認(rèn)為是一種成熟技術(shù)。然而不同燃料的燃燒所需模型不一致，如煤和蔗渣，兩者的主要區(qū)別是含水量不同，由于煤中的水分含量通常低于10%，而蔗渣中的水分含量可能高達(dá)56%，并且在大多數(shù)情況下，將其干燥對(duì)于經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有好處，因此可以直接使用，這會(huì)在煙道氣中造成大量的水負(fù)荷，并降低絕熱火焰溫度；同時(shí)煤和甘蔗渣之間的另一個(gè)主要區(qū)別是揮發(fā)物含量，即使與低等級(jí)煤相比，生物質(zhì)的揮發(fā)物含量也始終較高[1]。對(duì)于生物質(zhì)，揮發(fā)性物質(zhì)與固定碳之比通常大于4.0，而對(duì)于煤則小于1.0，這使得脫揮發(fā)分模型和揮發(fā)性成分在蔗渣燃燒模型中具有重要意義。

在工業(yè)爐燃燒模型設(shè)計(jì)中，需要充分考慮燃料的自有屬性，在大多數(shù)情況下，甘蔗渣顆粒采用Eulerian-Lagrangian方法建模，也稱(chēng)為離散相，在此模型中，以連續(xù)相跟蹤粒子，在該相中交換質(zhì)量和熱量。建議將顆粒的體積分?jǐn)?shù)控制在10%以下，但是在爐排鍋爐中，甘蔗渣顆粒會(huì)堆積在爐排上方，并且無(wú)法滿足該條件。在這種特定情況下，粒子不會(huì)表現(xiàn)為離散相，而完全的Eulerian方法會(huì)更合適(也稱(chēng)為顆粒相)。但是，粒狀相的使用代表了計(jì)算量的巨大增加，因?yàn)楸仨毻瑫r(shí)針對(duì)兩個(gè)相(連續(xù)相和粒相)求解控制方程，而在離散相中，僅對(duì)連續(xù)相求解控制方程，并且每確定一個(gè)粒子就跟蹤一次迭代次數(shù)。由于計(jì)算量大，工業(yè)爐的尺寸幾乎禁止使用顆粒狀相作為燃料顆粒[2-3]。

本文介紹了使用ANSYS FLUENT對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行仿真，根據(jù)鍋爐的大小，它分為三種型號(hào)，一次風(fēng)回路，二次風(fēng)回路和熔爐。初級(jí)和次級(jí)空氣通過(guò)速度，溫度，湍動(dòng)能和耗散率的曲線連接到熔爐。一旦模擬結(jié)果以令人滿意的一致性再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就進(jìn)行基線模擬以試圖再現(xiàn)主要的操作參數(shù)。 完成了鍋爐性能的優(yōu)化。

1 燃燒模型設(shè)計(jì)

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程式進(jìn)行求解來(lái)模擬工業(yè)爐一次和二次空氣回路。在爐子里對(duì)于連續(xù)相，使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型求解連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程，且粒子被建模為離散相。

1)揮發(fā)性燃燒模擬

甘蔗渣燃燒物的兩個(gè)成分，即揮發(fā)物和焦炭參與燃燒。揮發(fā)物的燃燒是通過(guò)創(chuàng)建具有代表性的分子來(lái)建模的，該分子具有通過(guò)對(duì)蔗渣的元素分析和估計(jì)的分子量(30 g/mol)來(lái)估計(jì)的原子組成。同樣，根據(jù)甘蔗渣的較高的熱值(Higher Calorific Value，簡(jiǎn)稱(chēng)HCV)估算了該分子的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓[4]。

2)粒子建模

如前所述，甘蔗渣顆粒被建模為離散相。這些顆粒經(jīng)過(guò)加熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)蒸發(fā)、焦炭燃燒和灰分加熱/冷卻的過(guò)程。由于甘蔗渣中的水分含量高，因此期望高的蒸發(fā)速率，在這種情況下，使用對(duì)流擴(kuò)散法將質(zhì)量從顆粒傳遞到連續(xù)相，如式(1)所示：

(1)

式中：mp為粒子的質(zhì)量，kg；kc為傳質(zhì)系數(shù)，Ap為粒子表面積，m2；ρc為氣體密度，kg/m3;Bm為剝落質(zhì)量數(shù)。

揮發(fā)性是一個(gè)重要的特征，因?yàn)楦收嵩?5%的燃燒成分是揮發(fā)物。使用文獻(xiàn)[5]中的脫揮發(fā)分模型，如式(2)和式(3)表示，該模型以C語(yǔ)言作為UDF編程，其參數(shù)如表3所示：

(2)

(3)

式中：α為轉(zhuǎn)化率，%；K為指數(shù)前因數(shù)；Eα為活化能J/kmol；Tp為粒子溫度，℃；R為通用氣體常數(shù)，kg/s。

一旦顆粒經(jīng)過(guò)蒸發(fā)和揮發(fā)，焦炭餾分就留在燃燒過(guò)程中，消耗量如式(4)所示。

C(s)+O2→CO2

(4)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 邊界條件設(shè)計(jì)

表1所示為模擬鍋爐的主要操作參數(shù)和邊界條件，通過(guò)四次蔗渣注射，根據(jù)粒度分布進(jìn)行，該粒度分布是通過(guò)分級(jí)測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，可以在表1中看到。

在一次和二次空氣回路的模擬中計(jì)算出的速度，溫度，湍動(dòng)能和耗散率的曲線在爐子的模擬中用作爐排和二次空氣入口的邊界條件，如圖1所示為工業(yè)爐平面結(jié)構(gòu)圖。

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)邊界值

圖1 工業(yè)爐平面結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2所示為通過(guò)一次空氣回路的模擬計(jì)算出的爐排上的速度分布。工業(yè)爐上部速度較高，該速度與甘蔗渣進(jìn)口所在的壁相對(duì)應(yīng)，流量的這種不平衡分配提供了改進(jìn)的機(jī)會(huì)[5]。

圖2 爐排上的速度分布圖(m/s)

如圖3給出了爐子中二次空氣入口的六個(gè)級(jí)別中的每個(gè)級(jí)別的速度等高線，級(jí)別為第一級(jí)別，最靠近底部，第六級(jí)別為最遠(yuǎn)。這些輪廓是在爐子的模擬中使用在二次空氣回路的模擬中計(jì)算出的速度曲線獲得。通過(guò)觀察可得出如何在壁附近找到最高速度而在中心附近找到最低速度。這些輪廓還顯示出爐內(nèi)的流體分布不正確，這可以通過(guò)重新布置空氣噴嘴角度來(lái)改善。

圖3 在熔爐模擬中發(fā)現(xiàn)的速度幅值輪廓

2.3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

第一項(xiàng)改進(jìn)試圖平衡爐排上的氣流分布，為此，在爐排下面放置了一系列導(dǎo)流板，以均勻分布流線，如圖4所示。圖4中顯示了在具有上述修改的一次風(fēng)回路模擬中發(fā)現(xiàn)的爐排上速度幅值的輪廓。

圖4 初級(jí)空氣回路中爐排下面的偏轉(zhuǎn)器

對(duì)二次空氣噴嘴進(jìn)入爐膛的進(jìn)入角進(jìn)行修改，以產(chǎn)生兩個(gè)渦流，從而增強(qiáng)了空氣和揮發(fā)物的混合，并在爐膛內(nèi)提供了更均衡的氣流分布，如圖5所示。作為該修改的結(jié)果，模擬顯示出口中的CO濃度顯著降低，這表示燃燒效率提高了1.3%，結(jié)果如表2所示[6-7]。

圖5 優(yōu)化后在熔爐的模擬中發(fā)現(xiàn)的速度大小輪廓

表2 基準(zhǔn)線和優(yōu)化模擬值比較

如表2所示，燃燒產(chǎn)物分別為CO2和CO。由于CO形成的減少，CO2濃度增加，在優(yōu)化爐排上的氣流和輔助空氣噴嘴的進(jìn)入角度之后，在爐子仿真中發(fā)現(xiàn)的溫度輪廓如圖6所示。該圖顯示了爐下部溫度的平衡分布。

圖6 優(yōu)化后在爐子仿真中發(fā)現(xiàn)的溫度等值線

經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，脫揮發(fā)分和焦炭燃燒后的基線和優(yōu)化模擬，可以看出爐排捕獲的顆粒質(zhì)量顯著增加，并且離開(kāi)爐子的顆粒減少，這表明煙道氣中的顆粒物減少了。

3 結(jié) 論

蔗渣燃燒的模擬是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)樗婕耙幌盗形锢磉^(guò)程，例如加熱，汽化，脫揮發(fā)分，焦炭燃燒和灰分加熱/冷卻。對(duì)燃燒模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用FLUENT軟件對(duì)燃燒模型進(jìn)行仿真，基準(zhǔn)CFD模擬提供了對(duì)鍋爐性能的深入了解，并允許進(jìn)行一系列修改以?xún)?yōu)化該性能，鍋爐優(yōu)化后的模擬結(jié)果顯示，燃燒效率提高了1.3%。