| 生物質(zhì)燃燒機(jī)的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn) |
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生物質(zhì)燃燒機(jī)的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn) 摘要：對(duì)往復(fù)式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，模型的有效性通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證．在生物質(zhì)燃燒機(jī)中分別填充4孔／aTI泡沫陶瓷或小球，研究其內(nèi)部的燃燒溫度和壓力損失．結(jié)果表明，由相同材料制成但結(jié)構(gòu)不同的多孔介質(zhì)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的高溫區(qū)域和壓力損失有顯著的影響．孔隙率較大的泡沫陶瓷適合于布置在燃燒區(qū)，而孔隙率較小的小球適合于布置在熱交換區(qū)域．改進(jìn)生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)，即在生物質(zhì)燃燒機(jī)的中間布置泡沫陶瓷而在兩端布置小球．對(duì)于當(dāng)量比為Q 1的甲烷與空氣混合氣，得到了更為寬廣的高溫區(qū)域和適度的壓力降． 頇混氣體在多孔介質(zhì)中往復(fù)流動(dòng)下的超絕熱燃燒(reciprocating superadiabatic combustion inporous media,RSCP)是一項(xiàng)新興的高效潔凈燃燒技術(shù)，與傳統(tǒng)的燃?xì)庠谧杂煽臻g的燃燒相比，多孔介質(zhì)明顯優(yōu)于氣體的傳熱性能和蓄熱能力，能夠形成自我組織的逆向熱回流，使得上游未燃?xì)怏w得到了有效的預(yù)熱，大大提高了燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，同日寸，通過(guò)周期性的換向，進(jìn)一步增強(qiáng)了蓄熱效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)極稀薄混合氣或超低熱值氣體的穩(wěn)定燃燒，而作為集燃燒區(qū)域、蓄熱載體和回流功能于一體的惰性多孔介質(zhì)材料本身，由于材料在孔隙率和空間結(jié)構(gòu)上的差異而決定的熱慣性和對(duì)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響，對(duì)RSCP有至關(guān)重要的影響，因此，通過(guò)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的多孔介質(zhì)材料的優(yōu)化組合，可以實(shí)現(xiàn)提高燃燒效率和減少壓力損失的目的， 目前，在預(yù)混氣體起絕熱燃燒的實(shí)驗(yàn)研究中，多孔介質(zhì)材料多為單一規(guī)格的泡沫陶瓷‘11或小球‘2】，相應(yīng)2007年6月 史俊瑞等：往復(fù)流多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬做了很多假設(shè)，例如忽略通過(guò)生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面的熱損失㈦，或采用經(jīng)驗(yàn)公式估算㈤，忽略壓力降【3-4]和彌散效應(yīng)㈤等等，本文以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置為模擬對(duì)象，將生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)（石英玻璃管）的壁面也納入計(jì)算域，計(jì)算其內(nèi)部的導(dǎo)熱和輻射，以準(zhǔn)確計(jì)算通過(guò)壁面的熱損失；同時(shí)考慮混合氣體在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)中的壓力降和彌散效應(yīng)，建立二維雙溫模型，以材料相同但空間結(jié)構(gòu)不同的小球和泡沫陶瓷分別作為生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)內(nèi)的填充材料時(shí)，研究燃燒溫度分布和壓力損失，經(jīng)分析和優(yōu)化組合，得到一個(gè)性能更好的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證． 1 物理模型  真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)簡(jiǎn)化得到計(jì)算模型，如圖1所示，模擬的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)為高264 mm、內(nèi)徑60 mm的石英玻璃管（壁厚2 5 mm）．在其外壁包裹一層保溫材料(厚40 mm)以減少通過(guò)管壁的熱損失，為防止回火，在燃燒器的兩端對(duì)稱布置12 mm厚的16孔／鋤的氧化鋁泡沫陶瓷，中間部分填充多孔材料為4孔／Qn氧化鋁泡沫陶瓷或直徑分別為4.0 mm、5.6mu和8.0 rrrn耐高溫氧化鋁小球，在石英玻璃的軸向?qū)ΨQ處布置點(diǎn)火裝置，燃?xì)馐羌淄楹涂諝獾木鶆蚧旌享g，實(shí)驗(yàn)中燃燒器是水平布置的，為了標(biāo)注方便，圖中的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)采用垂直布置． 2 1 控制方程 模擬區(qū)域?qū)⑸镔|(zhì)顆粒燃燒機(jī)壁面納入計(jì)算域，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，研究中作了如下假設(shè)． (1)整個(gè)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)由等直徑的小球、均質(zhì)的泡沫陶瓷或二者的組合均勻填充，二者均為各向同性的惰性的光學(xué)厚介質(zhì)，其熱物性完全相同，且在計(jì)算中取為定值． (2)忽略石英玻璃管的散射，熱物性選為定值，并在所有邊界面上的輻射符合鏡面反射[q． (3)混合氣體為理想氣體，忽略氣體輻射的影響，并因混合氣體的流速很小，氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)為層流． (4)考慮到模型為二維且氣流方向需要周期性的換向，為將計(jì)算成本控制在可接受的限度內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化為單步總包反應(yīng)舊，多孔介質(zhì)固體的輻射熱流量采用簡(jiǎn)化模型計(jì)算， 2 3初始條件和求解 計(jì)算采用CFD軟件包FLUENT6. 1．通過(guò)FLUENT提供的標(biāo)量方程和自定義函數(shù)，將多孔介質(zhì)模塊的單溫模型修正為雙溫模型，分別求解氣體和固體能量方程，在涉及到氣體混合物的熱彌散、氣體組分的擴(kuò)散時(shí)用到了自定義函數(shù)，從第一周期開始計(jì)算到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡，每種工況需要往復(fù)10個(gè)以上的周期，最后一個(gè)半周期的氣體、固體溫度等曲線，分別與前一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的半周期的曲線重合時(shí)，認(rèn)為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡，故本文介紹的均為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡正向半周期結(jié)束時(shí)的計(jì)算結(jié)果， 整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為長(zhǎng)度1 mm的正方形網(wǎng)格，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)化檢驗(yàn)，在填充床為小球與泡沫陶瓷的組合體時(shí)，為了防止二者孔隙率的不同而引起求解的發(fā)散，將孔隙率在二者的交界面上做了線性化處理，壁面附近流場(chǎng)應(yīng)用壁面函數(shù)處理壓力和速度的耦合采用SJMPLE算法． 3結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)  3 1 氣體和石英管以及多7L固體的溫度分布 圖2為生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)氣體和石英玻璃管以及多孔介質(zhì)固體的溫度分布，當(dāng)量比為0. 204，流速Q(mào) 55 m/s，半周期15 s．由圖可見(jiàn)生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)溫度分布的二維特征很朗2007年6月 史俊瑞等：往復(fù)流多孔介質(zhì)生物質(zhì)顆粒燃燒爐的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)顯，尤其是靠近管壁附近，這與忽略徑向熱損失的一維模擬結(jié)果差異很大，在入口端，固體溫度高于氣體溫度，預(yù)混氣體得到了有效的預(yù)熱．在距入口端約0. 06m處，密集且溫度值最高的氣體等溫線代表著火焰的位置，與此相對(duì)應(yīng)，以生物質(zhì)顆粒燃燒爐的中心線為對(duì)稱點(diǎn)，在下游也存在一個(gè)局部高溫區(qū)，這是上半個(gè)周期火焰的位置，在兩個(gè)局部高溫區(qū)域之間，氣體和固體溫度值的相差不大，而且等溫線呈現(xiàn)了典型的馬鞍型曲線，中間部位有凹坑，這是由于徑向的熱量損失所致，并且該部分沒(méi)有反應(yīng)熱來(lái)彌補(bǔ)熱量損失，在下游，氣體溫度高于固體溫度，部分熱量又蓄積在下游， 為了驗(yàn)證模型的有效性，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，圖3為生物質(zhì)顆粒燃燒爐軸線上的多孔介質(zhì)固體溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值當(dāng)量比為0. 204,流速Q(mào) 55 m/s，半周期為15 s．圖3所示的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，均為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡后，正向半周期結(jié)束時(shí)的溫度值，實(shí)驗(yàn)中，RSCP從點(diǎn)火預(yù)熱到最終的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡，需要很長(zhǎng)一段時(shí)劇捌，首先將RSCP置于單向流動(dòng)狀態(tài)，通入當(dāng)量比接逅于1的燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱，然后逐步減小當(dāng)量比到預(yù)定目標(biāo)值，并按設(shè)定的半周期進(jìn)行換向，隨著周期的進(jìn)行，當(dāng)觀察到先后兩個(gè)半周期內(nèi)的可視化測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)溫度曲線基本重厶，且往復(fù)過(guò)程中火焰位置已經(jīng)對(duì)稱，則認(rèn)為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡，為了研究熱損失對(duì)RSCP特性的影響以及生物質(zhì)顆粒燃燒爐的改進(jìn)，分別計(jì)算了保溫層厚度為0 mm（即裸管）、40 mm（實(shí)驗(yàn)條件）和80 mm時(shí)的溫度分布，由圖3可以看出，熱損失對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的溫度分布有很大的影響，保溫層越厚，意味著熱量損失越小，氣體的最高溫度相應(yīng)增大，高溫區(qū)域向上游和下游拓展，在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的上游，二者吻合得相當(dāng)好，當(dāng)氣體溫度達(dá)到最大值后，計(jì)算值都高于實(shí)驗(yàn)值且裸管與實(shí)驗(yàn)值更接近，另外，在實(shí)驗(yàn)中為了觀察火焰而在保溫層上開有小孔[1叫，這與數(shù)值模擬假設(shè)的生物質(zhì)顆粒燃燒爐完全保溫或沒(méi)有保溫的裸管有顯著的區(qū)別．實(shí)驗(yàn)中，生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的多孔材料布置得并不完全對(duì)稱㈣1，因此，實(shí)驗(yàn)得到的溫度曲線的對(duì)稱點(diǎn)并不在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的中心，而是存在著軸向位移，這也可能是造成下游實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果差異的一個(gè)原因，  3 2多子L介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的影響 作為填充床材料的惰性多孔介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模揪應(yīng)用最廣泛的是氧化鋁小球和泡沫陶瓷，由不同直徑的氧化鋁小球或泡沫陶瓷堆積的填充床，由于孔隙率和結(jié)構(gòu)上的差異，對(duì)RSCP的特性有很大的影響，如圖4和圖5所示，4孔／∞泡沫陶瓷作為填充材的生物質(zhì)顆粒燃燒爐的燃燒情況最好，其氣體反應(yīng)速率最大，氣體溫度高溫區(qū)域最寬，且最大值接近1600 K，比相應(yīng)的由小球組成的生物質(zhì)顆粒但是尾氣溫度也很高，這是由于泡沫陶瓷的孔隙率大，其熱慣性比小球填充床小，作為燃燒空間，在生物質(zhì)顆粒燃燒爐點(diǎn)火啟動(dòng)或負(fù)荷變化時(shí)響應(yīng)時(shí)間小，雖然孔隙率小且空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得其導(dǎo)熱形成的熱回流相對(duì)很小，但是泡沫陶瓷豐富發(fā)達(dá)的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，在燃燒區(qū)形成的高溫區(qū)域有利于形成較大的輻射熱回流，因此泡沫陶瓷更適合于布置在燃燒區(qū)域， 本文中小球填充床的孔隙率為0.4在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的單位體積內(nèi)，氣體所占的空間有限，化學(xué)反應(yīng)區(qū)域較寬但反應(yīng)速率較小，即使在反應(yīng)區(qū)域，氣固溫度的差異也不大，填充材料為8 mm小球的生物質(zhì)顆粒燃燒爐，其氣體溫度曲線呈現(xiàn)類似于三角形的形狀，已經(jīng)接近于可燃極限；而由4 mm和5.6mm小球組成的生物質(zhì)顆粒燃燒爐，二者的氣體溫度幾乎重厶，氣體反應(yīng)速率也相差不大，但在生物質(zhì)顆粒燃燒爐出口處，4 mm小球的氣體溫度最低，因此，用小球填充床作為燃燒區(qū)域效果很差，但是其相對(duì)較大的熱慣性、兩相間較大的對(duì)流換熱系數(shù)決定了其更適合作為蓄熱的載體， 而3種不同直徑的小球堆積的填充床，由于孔隙率相對(duì)較小，相應(yīng)的熱慣性較大，滲透性差，因而氣體在生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的流動(dòng)壓力損失大，如圖6所示，對(duì)于4種不同方式的填充材料生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)部的壓力損失有很大的差異，泡沫陶瓷生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的壓力損失最小，只有200Pa左右；隨著小球直徑的減小，壓力損失在增大，但是最大值仍然小于1 400 Pa. 3 3結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其結(jié)果 通過(guò)上面的計(jì)算分析說(shuō)明，孔隙率小的泡沫陶瓷適合于作為燃燒區(qū)域．而且整個(gè)生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的壓力損失很；與此相對(duì)應(yīng)的小球則更適合于作為蓄熱的載體，但是壓力損失較大，在以上4種類型的生物質(zhì)顆粒燃燒爐中，材料單一的多孔介質(zhì)既作為燃燒區(qū)域，又是熱量傳遞的載體．實(shí)際上，在以擴(kuò)展貧可燃極限為主要目的往復(fù)式燃燒器中，當(dāng)量比越小，反應(yīng)越接近于生物質(zhì)顆粒燃燒爐的中間部位，因此，在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的中間部位，布置有利于燃燒的泡沫陶瓷，而在熱量蓄積和交換占主導(dǎo)地位的生物質(zhì)顆粒燃燒爐兩端，布置蓄熱效果更好的氧化鋁小球，可以最大限度地蓄積熱量， 根據(jù)以上分析，在改進(jìn)的生物質(zhì)顆粒燃燒爐兩端分別布置長(zhǎng)度為15mm、30 mm和45 mm的直徑為4 0mm的小球，而中間部位布置4孔／叫的泡沫陶瓷，同時(shí)對(duì)采用單一的4孔／cm的泡沫陶瓷生物質(zhì)顆粒燃燒爐進(jìn)行了計(jì)算，以作對(duì)比如圖7所示，在當(dāng)量比為0.1的極稀薄混合氣的情況下，材料單一的泡沫陶瓷的生物質(zhì)顆粒燃燒爐中，高溫區(qū)域出現(xiàn)尖點(diǎn)，反應(yīng)集中在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的中間部位，已經(jīng)接近可燃極隰而改進(jìn)的3種生物質(zhì)顆粒燃燒爐，在生物質(zhì)顆粒燃燒爐兩端的蓄熱效應(yīng)非常明顯，在正向半周期的入口段，溫度曲線非常陡峭，當(dāng)兩端布置的小球長(zhǎng)度為15 mm時(shí)，在小球與泡沫陶瓷的接觸面處，比沒(méi)有布置小球的溫度高出237 K.因此，預(yù)混氣體在未達(dá)到生物質(zhì)顆粒燃燒爐中間部位時(shí)已經(jīng)著火，有著相對(duì)寬廠的高溫區(qū)域，隨著周期性的換向，反應(yīng)分別在生物質(zhì)顆粒燃燒爐中間部位的兩側(cè)進(jìn)行，生物質(zhì)顆粒燃燒爐兩側(cè)布置的小球越多，高溫區(qū)越寬，兩端布置15 mm和30 mm長(zhǎng)的小球的生物質(zhì)顆粒燃燒爐，高溫區(qū)域有著較大的差異，但是當(dāng)布置的小球長(zhǎng)度增加為45 mm日寸，高溫區(qū)域已經(jīng)與30 mm的高溫區(qū)域的差異不大，這也說(shuō)明，并非兩端布置的小球越長(zhǎng)，改進(jìn)的效果越顯著，在本工況下，布置30 mm的小球是較好的方案， 隨著小球厚度的增加，壓力損失也在增大，如圖8所示，在布置小球的區(qū)域，壓力損失幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系，而在泡沫陶瓷區(qū)域，壓力損失變得平緩，在兩端小球?yàn)?5 mm時(shí)，總的壓力損失也小于550 Pa.因此在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的兩端布置小球而帶來(lái)的壓力損失是很小自勺，而其蓄熱效應(yīng)卻相當(dāng)明顯，有效地拓展了高溫區(qū)域，這也預(yù)示著改進(jìn)后的生物質(zhì)顆粒燃燒爐可以大大拓展貧可燃極限，改進(jìn)的效果是十分明顯的，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，2007年6月史俊瑞等：往復(fù)流多孔介質(zhì)生物質(zhì)顆粒燃燒爐的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn) 生物質(zhì)顆粒燃燒爐的壓力損失   熱損失和生物質(zhì)顆粒燃燒爐內(nèi)的填充材料對(duì)RSCP的性能有顯著的影響，良好的保溫使得高溫區(qū)域拓寬，且最高溫度相應(yīng)增加，因此，對(duì)于實(shí)際的生物質(zhì)顆粒燃燒爐，在不可能做到完全絕熱的條件下，首先應(yīng)該保證最大限度地提高燃燒器的絕熱性能，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)．同時(shí)也說(shuō)明，RSCP進(jìn)行二維模擬是必要的，多孔介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和孔隙率對(duì)RSCP有著很大的影響，孔隙率較大的泡沫陶瓷適合于作為燃燒區(qū)域，而小球適合于作為蓄熱材料，在生物質(zhì)顆粒燃燒爐的兩端布置小球，中間部位填充多孔泡沫陶瓷的方案是可行的， 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com 生物質(zhì)燃燒機(jī) 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī) 木片燃燒機(jī) 木粉燃燒機(jī) 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