| 燃料氣體預(yù)熱溫度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)性能影響的分析 |
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鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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燃料氣體預(yù)熱溫度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)性能影響的分析 【摘要】燃料在直圓管形狀的微尺度燃燒器中進(jìn)行預(yù)熱燃燒，對(duì)比不同預(yù)熱溫度下的燃燒器工作性能檢驗(yàn)強(qiáng)化預(yù)熱對(duì)促進(jìn)微燃燒穩(wěn)定的效果。實(shí)驗(yàn)選擇燃料混合氣體流量為0 12 0 24 Q 36 L/m睜預(yù)熱溫度分別為室溫23℃和250 500℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在室溫，燃料混合氣體流量0 12 L/m卻下，燃燒器可燃極限當(dāng)量比為Q 339～36強(qiáng)預(yù)熱溫度上升到2500C喊可燃極限當(dāng)量比范圍增大到0 317—4 304而預(yù)熱溫度5000C喊可燃極限當(dāng)量比范圍減小為0 453—1. 706在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量燃燒器壁面溫度，結(jié)合數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)部燃燒過(guò)程。模擬結(jié)果顯示，隨預(yù)熱溫度上升，反應(yīng)區(qū)域峰值溫度上升。在流量Q 24 L/mi【l當(dāng)量比為l預(yù)熱溫度由室溫上升至5000C盹峰值溫度由1890K上升至2013 K實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明適當(dāng)預(yù)熱可以提高反應(yīng)溫度，從而抑制熱熄火。 引言 微型能源裝置作為便攜式動(dòng)力系統(tǒng)，其能量密度超過(guò)傳統(tǒng)電池近100倍¨1，因此運(yùn)行效率只需要高于1%，其工作時(shí)間即可超越電池‘卜卅。使用微型能源裝置供電，微電子產(chǎn)品可工作更久，因此具有巨大的吸引力。 微型能源裝置的概念由麻省理工學(xué)院最早提出舊，但其設(shè)計(jì)的微型汽輪機(jī)由于加工精度和材料機(jī)械性能的問(wèn)題而難以實(shí)現(xiàn)。后來(lái)陸續(xù)有熱電和光電轉(zhuǎn)換方式的微型能源裝置的研究，但材料性能限制了轉(zhuǎn)換效率。 微型燃燒器是微型動(dòng)力裝置的核心部件。微尺度環(huán)境對(duì)燃燒的主要影響因素包括：自由基熄火、熱熄火、沒(méi)有回流區(qū)充當(dāng)點(diǎn)火源、熄火距離相對(duì)變大[7圳。因此微尺度燃燒器工作穩(wěn)定性差，易熄火、回火等，F(xiàn)有針對(duì)熄火的穩(wěn)燃方法包括：過(guò)焓燃燒‘11邯1、催化穩(wěn)燃[ 14叫1、使用化學(xué)處理抑制壁面吸收自由基【1 8】等。由于微尺度環(huán)境下實(shí)驗(yàn)難度大，因此往往使用數(shù)值模擬‘”201觀察穩(wěn)燃效果‘211剮。 本文在石英圓管制作的微尺度燃燒器中，對(duì)燃料氣體進(jìn)行強(qiáng)制預(yù)熱，并結(jié)合數(shù)值模擬分析燃燒器內(nèi)部燃燒過(guò)程。 1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由供氣系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器、燃燒器、管式爐（SK2 -25 -13 TSJ）等組成。由兩臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)（L07_7 BJ）分別控制和測(cè)量的氫氣和空氣流經(jīng)管式爐加熱后混合送入燃燒器中燃燒。使用巡檢儀(WSP-c806型)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(L1075型)組成的數(shù)字系統(tǒng)監(jiān)控流量。紅外熱像儀（rlhem℃am S65塑湖ji量燃燒器壁溫。 將來(lái)流氣體加熱到499℃需要Q 11 m加熱長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)中加熱段長(zhǎng)度為0. 18田滿足加熱要求。實(shí)驗(yàn)觀察不同預(yù)熱溫度下燃燒器的可燃極限，燃料混合氣體流量分別為Q 12 Q 240.36I-/m乎預(yù)熱溫度為23℃（室溫環(huán)口250; 500℃。并對(duì)化學(xué)當(dāng)量比為1時(shí)的燃燒器表面溫度進(jìn)行測(cè)量。使用數(shù)值模擬研究管內(nèi)火焰時(shí)，采用二雛柱坐標(biāo)圓管燃燒器模型，計(jì)算半面以節(jié)約計(jì)算時(shí)間（圖2）o入口和出口邊界條件分別為恒定質(zhì)量流量和恒定常壓。模擬時(shí)導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壁溫作為壁面邊界條件。并將燃燒器壁面作為固體區(qū)域與流體進(jìn)行耦合計(jì)算，模擬兩相間傳熱和壁面內(nèi)部導(dǎo)熱作用，比使用簡(jiǎn)單傳熱邊界條件‘241更準(zhǔn)確。 使用Chcrn kin 4.0數(shù)據(jù)庫(kù)提供的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和熱質(zhì)輸運(yùn)物理參數(shù)，導(dǎo)入到Fluent6.0中模擬詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。氣相反應(yīng)機(jī)理包含8種組分cH、Q、HQQ OHHHQ、H Q環(huán)口20步反應(yīng)。 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2 1可燃極限 比較不同預(yù)熱溫度下燃燒器可燃極限當(dāng)量比（表1）結(jié)果顯示：在一定范圍內(nèi)提升燃料氣體的預(yù)熱溫度可有效抑制熱熄火，如總流量0 12I-/m乎室溫時(shí)，可燃極限當(dāng)量比為Q 339～3. 639在250℃預(yù)熱溫度時(shí)范圍增大到Q 317～4.304但隨預(yù)熱溫度的進(jìn)一步上升，可燃極限范圍反而變小，預(yù)熱溫度為500℃時(shí)，可燃極限當(dāng)量比為Q 453～1. 706 比較燃料混合氣體流量對(duì)燃燒穩(wěn)定性影響的結(jié)果顯示：隨著流量的上升，熄火受到抑制，如室溫下當(dāng)總流量由Q 12I-/min上升到0.24 L/m in過(guò)程中，可燃極限當(dāng)量比由0. 339～3.639堵大到0.320～5. 1500但當(dāng)總流量上升至0.36IJ／m i1時(shí)，可燃極限范圍減小至Q 343～4. 337此時(shí)由于高流量，使流速超過(guò)燃燒速度，導(dǎo)致吹脫。農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2.2數(shù)值模擬 通過(guò)數(shù)值模擬觀察燃燒器內(nèi)不同預(yù)熱溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響。 圖3給出3種預(yù)熱溫度，0. 24 I_/m ine,流量時(shí)，燃燒器內(nèi)的溫度等高線。氣體進(jìn)入燃燒器后迅速預(yù)熱至著火溫度847 K后點(diǎn)燃，溫度在距入口約2 rrrn處軸線上達(dá)到峰值，在近壁面區(qū)域由于散熱逐漸降低[ 25]。溫度等高線梯度顯示由壁面向氣相有熱擴(kuò)散，即沿壁面的熱回流[29。熱量在燃燒區(qū)域傳遞給壁面，沿壁面?zhèn)鲗?dǎo)至上游‘”1，在入口處傳遞給未燃?xì)怏w，進(jìn)行預(yù)熱和點(diǎn)火‘”。在室溫下，反應(yīng)中心晌峰值溫度約1890 K 250℃預(yù)熱時(shí)，峰值溫度上升至1 969 K預(yù)熱溫度500℃時(shí)，峰值溫度上升到2 013 K因此高預(yù)熱溫度可以提升反應(yīng)溫度，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)強(qiáng)度‘碉，抑制熱熄火。 2 3壁面散熱 不同預(yù)熱溫度下壁面散熱損失和煙氣余熱損失如表2所示。煙氣余熱損失由fluen軟件計(jì)算，壁面散熱損失由燃燒釋放總熱量減去煙氣余熱。壁面散熱損失包括自然對(duì)流傳熱和輻射傳熱， 在不同預(yù)熱溫庋下，當(dāng)流量由0. 12I-/mir增加至Q 36L/m知寸，隨燃料投入量的加大，熱量釋放更多。散熱率增加較慢邴1，煙氣余熱所占份額增加相對(duì)較快。如室溫下，當(dāng)氣體總流量由Q 12I-/min增加到Q 36I-/mjn總功率由7.61 W增加到22. 82 W散熱率占總功率的比例由97. 7%下降到89. 5%。證明提高燃料投入量，可降低散熱份額，進(jìn)第8期周俊虎等：燃料氣體預(yù)熱溫度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)性能影響的分析而提高火焰穩(wěn)定性。預(yù)熱溫度對(duì)于能量分布無(wú)明顯影響，證明預(yù)熱產(chǎn)生的熱量以一定的比例隨壁面散熱和煙氣余熱流失。 3結(jié)論 (1)在微型石英玻璃燃燒器中進(jìn)行不同燃料氣體預(yù)熱的微燃燒實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示適度預(yù)熱可提高燃燒穩(wěn)定性？偭髁0- 12IJ／m乎室溫時(shí)可燃極限當(dāng)量比為0. 339～3. 639在250℃預(yù)熱溫度時(shí)范圍增大到Q 317～4.304但預(yù)熱溫度為500℃時(shí)，可燃極限當(dāng)量比反而減小至0. 453～1.706提高流量也可抑制熄火，室溫下當(dāng)總流量由0. 12I-/min增加到0. 24I-/min可燃極限當(dāng)量比由0.339～3.639增大到0. 320～5.15Q但當(dāng)總流量上升至0.36 I_/m in時(shí)，由于吹脫的影響，可燃極限范圍反而減小至Q 343～4. 337。 (2)對(duì)燃燒器內(nèi)部的數(shù)值模擬結(jié)果證明，對(duì)燃料氣體進(jìn)行預(yù)熱可以提升反應(yīng)溫度，進(jìn)而抑制熱熄火。在0. 24I-/m燃料氣體流量下，當(dāng)預(yù)熱溫度為室溫、250; 500℃時(shí)，反應(yīng)區(qū)域峰值溫度分別為1 890 1 969. 2013 K (3)比較燃燒器壁面散熱，證明提高燃料量可降低散熱率占總功率的比例，而抑制熱熄火。室濕下，當(dāng)燃料氣體流量由Q 12I-/min增加到Q 36I-/m醐j散熱率占總功率的比例由97. 7%下降到8 9. 5%。
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