摻水比對(duì)醇基燃料燃燒特性的影響分析

王志成，馬建業(yè)，張 玥，唐詩(shī)洋，楊 光，丁會(huì)敏

(1.黑龍江能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引言

目前，我國(guó)火電裝機(jī)總量占電力工業(yè)的比重達(dá)75.6%，火力發(fā)電占比超過80%。我國(guó)燃料消耗巨大，由此產(chǎn)生的排放量較大[1]，為了降低污染，需開發(fā)新能源，如生物質(zhì)油、可再生醇基燃料等[2]。醇基燃料具有可再生性和清潔燃燒特性，發(fā)展前景廣闊[3-5]，生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，可滿足人們的需求。市場(chǎng)上的醇基燃料以甲醇和乙醇為主[6-10]，其中甲醇燃料為單位熱量最便宜的液體燃料，可從生物來源中產(chǎn)生，是一種被廣泛認(rèn)可的可再生能源。但其也存在一些缺點(diǎn)，如沸點(diǎn)較低，易于氣化，生產(chǎn)工藝不規(guī)范，質(zhì)量參差不齊[11-12]。

醇基燃料主要用于小型燃燒器和小型醇基燃燒鍋爐中，容量通常小于5T。由于甲醇燃料揮發(fā)性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較差，易于分層，通常要與其他燃料或添加劑混合使用。王欣然[13]等論述了甲醇鍋爐機(jī)組的系統(tǒng)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)特點(diǎn)，指出了其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。為使其燃燒在爐膛內(nèi)更穩(wěn)定，王振輝以700 kW甲醇鍋爐為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬，研究了不同爐膛長(zhǎng)徑比對(duì)燃燒室溫度分布的影響，得出爐膛直徑為0.8 m、長(zhǎng)徑比為0.41時(shí)，燃燒穩(wěn)定性及甲醛排放性能最優(yōu)，同時(shí)考慮了不同燃燒情況對(duì)污染物排放的影響，為優(yōu)化爐膛提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)[14]。孫曉婷等使用FLUENT軟件，對(duì)不同過量空氣系數(shù)條件下的甲醇燃燒進(jìn)行了模擬，分析了溫度分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.09時(shí)，污染物甲醛的濃度最低，找到了合適的醇基鍋爐內(nèi)的過量空氣系數(shù)[15]。

上述研究從宏觀層面對(duì)醇基燃料在爐膛內(nèi)的燃燒進(jìn)行了分析，但是缺乏關(guān)于醇基燃料自身性質(zhì)對(duì)燃燒的影響及摻水后的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性能等研究。針對(duì)以上問題，選取適用于燃料和氧氣以異相進(jìn)入反應(yīng)區(qū)并進(jìn)行快速化學(xué)反應(yīng)的紊態(tài)擴(kuò)散火焰-非預(yù)混模型，對(duì)臥式鍋爐爐膛內(nèi)不同摻水比例下的甲醇燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。建立燃燒模型時(shí)，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，考慮兩相流模型對(duì)燃燒產(chǎn)生的影響。

1 燃燒器結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

熊燕[16]研究了一種適用于醇基鍋爐燃燒的噴嘴，并在臥式鍋爐中對(duì)醇基燃料的燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了燃料的燃燒特性及排放特性。本研究采用一種旋流霧化燃燒器作為噴嘴進(jìn)行模擬，如圖1所示。燃燒器關(guān)于中心軸線成軸對(duì)稱，為套筒式結(jié)構(gòu)。利用mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)醇基燃料摻水后的特性及污染物排放進(jìn)行分析，選取臥式鍋爐，在建模時(shí)為了方便計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)置了如表1所示的邊界條件。模擬燃燒時(shí)，采用簡(jiǎn)化的計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算，燃燒器內(nèi)部為簡(jiǎn)化模型，為套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為燃料進(jìn)口，外側(cè)為兩個(gè)空氣入口，作為燃燒區(qū)域。實(shí)物為三維結(jié)構(gòu)，燃燒在立體空間中模擬得更加真實(shí)，故采用六面體網(wǎng)格，總共60萬網(wǎng)格，利用fluent進(jìn)行求解。

圖1 醇基噴嘴Fig.1 Alcohol-based nozzles

圖2 鍋爐網(wǎng)格劃分Fig.2 Boiler grid division

燃燒時(shí)，液體燃料先破碎為小液滴，經(jīng)過燃燒器蒸發(fā)為氣體湍流流出，其中含有大量氣體及液體顆粒，屬于多項(xiàng)流動(dòng)，因此采用多項(xiàng)流模型，使用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行模擬。目前主流的湍流方程中，K- ε 雙方程模型應(yīng)用最廣，與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，故而使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行模擬，對(duì)摻水后的醇基燃料特性進(jìn)行分析，選出經(jīng)濟(jì)性最高的燃料，應(yīng)用簡(jiǎn)化后的五步甲醇反應(yīng)來達(dá)到要求[17]。燃燒模型使用非預(yù)混燃燒模型，輻射模型選擇DO模型，醇基燃燒的污染物排放主要是NOx，采用后處理方式，當(dāng)溫度超過1200k后，主要產(chǎn)生的為熱力型NOx，因此本研究只考慮此種類型的NOx。

表1 模擬主要參數(shù)Tab.1 Simulation of main parameters

2 結(jié)果分析

圖3為不同比例摻水甲醇燃料在鍋爐內(nèi)的燃燒情況，并在鍋爐中間y方向做切面，截面可對(duì)爐膛的溫度分布進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 不同摻水比例下爐膛溫度分布Fig.3 Furnace temperature distribution underdifferent water ratio

由圖3可以看出，爐膛火焰充滿了整個(gè)爐膛，爐膛內(nèi)火焰的穩(wěn)定性主要依靠噴嘴的射流，噴嘴處的燃料氣化后被點(diǎn)燃并繼續(xù)向前噴去，在重力作用下有一定的下墜，火焰在爐膛的分布比較均勻。根據(jù)模擬結(jié)果云圖顯示，摻水后，爐膛最高溫度有所降低，隨著摻水比例增加而下降。在不摻水燃燒時(shí)，爐膛最高溫度為1 936℃，當(dāng)摻水比例達(dá)到10%時(shí)，最高溫度降為1 880℃，說明摻水后爐內(nèi)溫度有所降低，但最高溫度降低并不明顯，爐膛中心區(qū)域及爐膛出口處可觀察到較為明顯的溫度降低現(xiàn)象。

圖4為甲醇燃料在爐膛內(nèi)的分布?？梢钥闯鋈剂现饕性跔t膛的中心及前半部分。根據(jù)圖5的溫度曲線可以看出，摻水比例為5%時(shí)，溫度變化較為平緩，隨著爐膛深度加深溫度逐漸下降，鍋爐尾部摻水比例為5%的燃料的溫度下降最為明顯。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，摻水5%時(shí)，溫度最穩(wěn)定，反應(yīng)最好，減少了燃料的使用，可在保障燃燒效率的同時(shí)減少浪費(fèi)。

圖4 不同摻水比例下爐膛甲醇濃度分布Fig.4 Distribution of furnace methanol concentration under different proportion of water admixture

圖6是CO在爐膛內(nèi)部的分布情況?？梢钥闯鰮剿院?，爐膛中心區(qū)域的CO濃度明顯降低，這是由于此時(shí)爐膛內(nèi)部反應(yīng)更加充分，有利于燃料在爐膛內(nèi)的完全燃燒，未完全燃燒產(chǎn)物CO濃度大幅度降低。與圖7中CO2濃度分布形成對(duì)照，可以看出在爐膛后部摻水比例為5%的燃料，CO2濃度有明顯降低的趨勢(shì)。

圖5 爐膛沿軸線分布溫度圖Fig.5 Diagram of temperature distribution alongthe axis of furnace

根據(jù)圖7的云圖分布，3種燃料的CO分布情況不同，不摻水時(shí)CO的濃度最高；摻水5%后，CO濃度明顯下降，說明摻水后燃燒更加充分，生成CO量減少，CO2濃度升高；摻水比例達(dá)到10%時(shí)，CO濃度相比不摻混時(shí)濃度降低，但是沿爐膛壁面分布較多，總體濃度要比摻混5%時(shí)高。這是由于摻水量過高時(shí)，爐膛后部溫度降低，抑制了甲醇的充分燃燒反應(yīng)，在此摻水比例下，鍋爐排出的CO濃度最小，同時(shí)對(duì)比CO2分布圖看出，在此比例下，爐膛后部CO2濃度有一個(gè)明顯降低的趨勢(shì)，爐膛壁面處也有一部分降低。這是因?yàn)槿剂蠐剿院髸?huì)使燃料濃度降低，氧氣相對(duì)充足，但是隨著燃料的消耗，燃料濃度沿爐膛降低，CO2濃度也隨著爐膛深度降低。以排放特性來說，此時(shí)的污染物排放量總體較低，有利于節(jié)能環(huán)保，CO2排放量也較低。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及燃燒效率來看，應(yīng)選取5%摻水濃度的燃料。

圖6 不同摻水比例下爐膛CO濃度分布Fig.6 Distribution of CO concentration in furnace with different water ratio

圖7 不同摻水比例下爐膛CO2濃度分布Fig.7 Distribution of CO2 concentration in furnace with different water ratio

在模擬中，爐膛溫度較高，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，醇基燃料生成的NOx污染物主要為熱力型NOx。甲醇摻水使得NOx比甲醇燃燒時(shí)峰值降低，爐膛燃燒時(shí)中部溫度在1 800 k以上，是熱力型NOx生成的主要區(qū)域。在爐膛出口處，由于助燃空氣中的氧氣消耗殆盡，同時(shí)流速降低，使得N2得以在爐膛出口處停留較長(zhǎng)時(shí)間，因此會(huì)有部分NOx生成?？諝膺M(jìn)口處，由于氧氣消耗快，同時(shí)氮?dú)鉂舛雀?，因此也?huì)有少量的NOx生成。根據(jù)圖8的曲線明顯看出，爐膛中摻水比例為10%的燃料，NOx峰值最低，因?yàn)橛绊慛Ox生成最主要的因素是溫度，在NOx生成的主要區(qū)域，摻水量為10%時(shí)，爐膛溫度最低，NOx峰值最低，說明摻水燃料不但具有節(jié)約資源的作用，還可保護(hù)環(huán)境。

圖8 不同摻水比例下爐膛NOx濃度分布Fig.8 NOx concentration distribution in furnace under different water mixing ratios

3 結(jié)論

基于非預(yù)混模型，在邊界條件相同的情況下，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同摻水比例的甲醇燃料在臥式醇基鍋爐內(nèi)的燃燒進(jìn)行了模擬分析，分析了摻水對(duì)燃料燃燒特性的影響。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，得出了最合理的醇基燃料摻水比例，探討了場(chǎng)內(nèi)溫度分布及污染物NOx排放的影響，得到了以下結(jié)論：隨著摻水比例的增加，爐膛溫度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，水分子的蒸發(fā)會(huì)吸收爐膛內(nèi)的熱量，當(dāng)摻水比例為5%時(shí)，爐膛內(nèi)部溫度最平穩(wěn)，此時(shí)摻水量適合燃料完全燃燒，同時(shí)降低了爐膛溫度。隨著摻水比例的增加，CO2濃度有所上升，爐膛前部燃燒充足，CO2濃度升高，隨著反應(yīng)進(jìn)行，燃料反應(yīng)完全，摻水比例為5%的燃料在爐膛前部完全反應(yīng)，后部產(chǎn)生的CO2濃度迅速降低。隨著摻水比例的增加，NOx的濃度逐漸降低，摻水后溫度降低，使得NOx排放量降低，摻水比例為5%時(shí)，爐膛尾部溫度降低明顯，NOx的降低也最為迅速。摻水比例為5%時(shí)，可以節(jié)省燃料用量，得到更好的燃燒效果，污染物的排放相對(duì)較低。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能環(huán)保要求，選擇摻水比例為5%的醇基燃料是較為合理的。