| 生物質(zhì)在爐膛內(nèi)的燃燒方式分析 |
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生物質(zhì)在爐膛內(nèi)的燃燒方式分析 摘 要： 采用高溫預(yù)熱氧化劑或提高射流速度的方式，可將氧生物質(zhì)燃燒和MII。D燃燒相結(jié)合，氧生物質(zhì)燃燒可以得到較高C()z濃度的煙氣，約90%，便于實(shí)現(xiàn)燃生物質(zhì)過(guò)程的C()：捕集和封存(CCS)，而Mll。D燃燒模式下的氧濃度整體水平較低，從而降低了生物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率。利用生物質(zhì)粉的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了氧生物質(zhì)燃燒爐膛的輻射傳熱模型，同時(shí)對(duì)不同氧濃度下生物質(zhì)粉燃盡時(shí)間和爐膛溫度分布進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭顆粒的燃盡時(shí)間隨著氧濃度和燃燒溫度的降低而延長(zhǎng)，且在低氧濃度下(<10%)，氧濃度的變化對(duì)燃盡時(shí)間的影響程度增大，而燃燒溫度的變化對(duì)燃盡率的影響不大。生物質(zhì)樣固定碳含量高，則爐膛介質(zhì)溫度整體提高，隨著氧濃度的降低，燃燒峰值降低且位置稍有延后，且溫度分布趨于均勻化。 0 前 言 MILD燃燒是一種在低氧條件下的彌散燃燒方式，其特征是反應(yīng)速率低，局部釋放熱量少，熱流分布和溫度分布均勻，而且污染物排放濃度低。 氧燃料燃燒即02/C02燃燒，是一種頗具潛力的CCS技術(shù)，通過(guò)入射純氧和循環(huán)煙氣代替空氣，從而有利于CO：的富集和回收，并大大減少污染物排放。實(shí)驗(yàn)表明，這種燃燒方式下燃燒速率和煙氣溫度都有顯著的降低。當(dāng)再循環(huán)煙氣與純氧的體積流量比為7：3時(shí)，燃燒速率及燃盡率等方面與常規(guī)空氣燃燒類似心]。如果減少再循環(huán)煙氣量可減少鍋爐受熱面，鍋爐結(jié)構(gòu)更緊湊，然而氧量過(guò)高，燃燒加劇，輻射量增強(qiáng)，燃燒器噴口處溫度較高，導(dǎo)致其易受損。 50%綜合氧濃度生物質(zhì)粉MILD燃燒，即減少再循環(huán)煙氣量使其與氧化劑體積比為1:1，并結(jié)合MILD燃燒技術(shù)，利用純氧高速射流卷吸，在爐膛中形成均勻的低氧惰性氣體，并使燃料分子擴(kuò)散到爐膛空間中進(jìn)行彌散燃燒口]。在具備氧生物質(zhì)MILD燃燒綜合優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，相對(duì)于30%綜合氧濃度生物質(zhì)粉燃燒，降低了設(shè)備尺寸，大大提高了經(jīng)濟(jì)性。 對(duì)于爐膛內(nèi)生物質(zhì)粉燃燒的計(jì)算模型，目前已從零維模型發(fā)展到三維模型。零維模型采用爐內(nèi)傳熱相似理論解法，對(duì)出口溫度先假定后核定，計(jì)算速度快。但是由于零維模型對(duì)爐膛的燃燒過(guò)分簡(jiǎn)化和忽略很多爐膛燃燒影響因素，因此其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不高。隨著現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，三維模型計(jì)算快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多爐膛燃燒傳熱的三維仿真研究一]。但由于三維模型編程復(fù)雜，同時(shí)計(jì)算量大，計(jì)算周期長(zhǎng)，很難將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。而一維模型計(jì)算較為方便，同時(shí)能夠反映沿爐膛高度方向上的溫度分布和組分分布，有較好的實(shí)用價(jià)值。 張騰飛等田1建立了比較精確的爐內(nèi)燃燒傳熱一維集總參數(shù)模型，這種模型忽略爐膛徑向的參數(shù)分布，只考慮沿爐膛高度方向的參數(shù)變化。文章以輻射傳熱計(jì)算的假想面模型為基礎(chǔ)，把鍋爐爐膛沿高度方向分區(qū)，通過(guò)耦合計(jì)算燃燒和傳熱方程，獲得沿爐膛高度方向上的溫度分布及熱流密度分布。 本文采用一維計(jì)算模型，數(shù)學(xué)模型由質(zhì)量守恒、能量守恒、燃燒方程、假想面輻射傳熱方程等組成，用MATI．AB軟件編程計(jì)算，得到了不同氧濃度下?tīng)t膛沿軸向的一維溫度分布。根據(jù)氧生物質(zhì)MILD燃燒的精點(diǎn)，可以認(rèn)為燃燒在較為均勻的低氧濃度下進(jìn)行。結(jié)果表明，在氧生物質(zhì)MILD燃燒狀態(tài)下，爐膛溫度分布均勻。 1 數(shù)學(xué)模型 1 1模型假設(shè) 對(duì)于一維計(jì)算，需要將爐膛沿高度方向分為”個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由上下假想面、水冷壁和中間區(qū)域組成，并有如下假設(shè)：不相鄰分區(qū)的輻射傳熱量可以不考慮；第1區(qū)的下表面和第”區(qū)的上表面布置有水冷壁；生物質(zhì)粉中的揮發(fā)分進(jìn)入爐膛后瞬時(shí)燃盡。 1 2質(zhì)量平衡方程 對(duì)于焦炭質(zhì)量流量，以某分區(qū)為例，由于假定生物質(zhì)粉中的揮發(fā)分進(jìn)入爐膛即瞬時(shí)燃盡， 1 4輻射計(jì)算方程 根據(jù)輻射傳熱理論，有效輻射‘，定義為單位時(shí)間、單位面積輻射出的總的能量，包括自身輻射E和反射輻射G，兩部分。其中，自身輻射即物體的輻射力，反射輻射即單位時(shí)間、單位面積反射出的輻射能。三者關(guān)系如下 計(jì)算方法：先假定各分區(qū)內(nèi)的介質(zhì)溫度，計(jì)算各分區(qū)的水冷壁吸收熱量和上下區(qū)介質(zhì)的輻射傳熱量，同時(shí)計(jì)算各分區(qū)的生物質(zhì)粉顆粒燃盡率和化學(xué)反應(yīng)釋熱，進(jìn)而根據(jù)能量守恒方程計(jì)算得到新的一組各分區(qū)內(nèi)的溫度分布，使用MATLAB軟件循環(huán)迭代計(jì)算，煙氣溫度的迭代步長(zhǎng)為1℃，水冷壁溫度的送代步長(zhǎng)為1℃，直至迭代誤差控制在10℃以內(nèi)，可以求得爐膛內(nèi)最終的溫度分布。 2 計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析 本文所采用的爐膛結(jié)構(gòu)如表1所示，計(jì)算中燃燒器區(qū)域等分成4個(gè)分區(qū)，燃燒器以上區(qū)域等分成8個(gè)分區(qū)，每個(gè)區(qū)域高度為1.5 m。燃燒器區(qū)域每個(gè)區(qū)新鮮燃料量為3 kg/s，水冷壁面發(fā)射率為0.8，由于02/C02燃燒煙氣的整體輻射能力較強(qiáng)，其發(fā)射率取0.9。計(jì)算中煙氣溫度和水冷壁壁溫的迭代步長(zhǎng)取為1℃。 本文以平朔生物質(zhì)和神府生物質(zhì)為例，其元素分析和工業(yè)分析如表2所示。計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率所使用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[6]，該參數(shù)是在生物質(zhì)粉02/C02燃燒條件下測(cè)得，因此適用于本文的研究，如表3所示。 2 1生物質(zhì)粉顆粒燃盡率分析 以神府生物質(zhì)為例研究生物質(zhì)粉顆粒燃盡特性，顆粒粒徑取均一值50 lum，焦炭密度為1 600 kglm3，過(guò)量系數(shù)為1.2，氣流溫度分別取1 500 K相1 700 K，對(duì)不同氧濃度下生物質(zhì)粉顆粒燃盡率進(jìn)行分析， 由圖(3～4)可見(jiàn)，在同一燃燒溫度下，生物質(zhì)炭顆粒的燃盡時(shí)間隨著氧濃度的降低而延長(zhǎng)，且當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至10%以下時(shí)，氧濃度的變化對(duì)燃盡時(shí)間的影響程度增大；在同一氧濃度下，生物質(zhì)炭顆粒的燃盡時(shí)間隨著燃燒溫度的降低而延長(zhǎng)，在低氧濃度下(<10%)，改變?nèi)紵郎囟葘?duì)燃盡率的影響不大，這是由于化學(xué)反應(yīng)速率在低氧濃度下對(duì)溫度變化不敏感。由于生物質(zhì)焦的動(dòng)力燃燒速率與生物質(zhì)焦表面的氧濃度和燃燒溫度成正比，因此生物質(zhì)炭顆粒的燃盡時(shí)間隨著氧濃度和燃燒溫度降低而延長(zhǎng)。 2 2爐膛內(nèi)溫度分布 在常規(guī)02/C02燃燒方式下，燃燒器入口表觀氧濃度一般為30%，且爐膛反應(yīng)區(qū)的氧濃度較氧生物質(zhì)在爐膛內(nèi)的燃燒方式分析高。若采用MILD燃燒模式，氧化劑通常會(huì)被高溫預(yù)熱或被提高射流速度，以增強(qiáng)爐膛內(nèi)部回流煙氣對(duì)氧化劑進(jìn)一步的稀釋作用，因此在該模式下，反應(yīng)區(qū)的氧濃度相對(duì)較低，且在爐膛內(nèi)分布較為均勻。本文以神府生物質(zhì)和平朔生物質(zhì)為例，分別計(jì)算氧氣體積分?jǐn)?shù)為7.5%、10%、1 2.5%、15%、 由圖(5～6)可見(jiàn)，不論何種生物質(zhì)，改變氧濃度對(duì)爐膛燃燒溫度分布的影響具有相似的規(guī)律，由于神府生物質(zhì)固定碳含量較高，發(fā)熱熱值高，使得其爐膛溫度分布整體高于平朔生物質(zhì)。對(duì)于神府生物質(zhì)，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于12 5%時(shí)，燃燒區(qū)域溫度較高，峰值約1 900 K；隨著氧濃度的降低，燃燒峰降低且位置稍有延后當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至7.5%時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度低，約在1 350 K～l 500K，且分布較為均勻。這主要是因?yàn)殡S著氧濃度的降低，生物質(zhì)粉顆粒燃燒速率降低，使得燃燒峰值低，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒區(qū)域擴(kuò)展且以動(dòng)力學(xué)燃燒機(jī)制為主導(dǎo)。 3 結(jié) 語(yǔ) 為研究氧生物質(zhì)MILD燃燒條件下的輻射傳熱特性．建立生物質(zhì)粉鍋爐熱力計(jì)算一維模型，將質(zhì)量、能量守恒方程、燃燒方程、假想面輻射傳熱方程的相互耦合，利用MATLAB軟件編程迭代計(jì)算，得到不同氧濃度下生物質(zhì)粉燃盡時(shí)間和爐膛溫度一維分布。 (1)生物質(zhì)炭顆粒的燃盡時(shí)間隨著氧濃度和燃燒度的降低而延長(zhǎng)，且在低氧濃度下(<10%)，氧濃度的變化對(duì)燃盡時(shí)間的影響程度增大，而燃燒溫度的變化對(duì)燃盡率的影響不大。 (2)生物質(zhì)樣固定碳含量高，則爐膛介質(zhì)溫度整體提高，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，燃燒峰值降低且位置稍有延后，以神府生物質(zhì)為例，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至7.5%時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度低，約在1350 K～1500 K，且分布較為均勻。 |
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