王振輝，孫曉婷，杜夢(mèng)軒

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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基于甲醇燃燒數(shù)值模擬的爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王振輝，孫曉婷，杜夢(mèng)軒

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究了不同爐膛長(zhǎng)徑比對(duì)甲醇燃燒室的溫度分布及甲醛污染物排放的影響。以700 kW甲醇鍋爐為例，對(duì)甲醇燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，將在Chemkin中得到的甲醇燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)入Fluent軟件中，并進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，爐膛最佳長(zhǎng)徑比為0.41時(shí)燃燒室內(nèi)的燃燒最穩(wěn)定，甲醛排放量達(dá)到最低值。

燃燒學(xué)；甲醇；鍋爐；爐膛；溫度分布；甲醛

為了緩解能源危機(jī)，尋求清潔可替代燃料的工作刻不容緩。甲醇是一種清潔含氧燃料，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。同時(shí)，研究表明，醇類(lèi)燃料是適合中國(guó)國(guó)情的可替代燃料[2]。與汽油、柴油相比，甲醇辛烷值較高，抗爆性好，并且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?；較高的含氧特性使燃燒更加充分，污染物相對(duì)較少，有利于提高燃燒效率，降低污染；同時(shí)較高的氣化潛熱有利于降低燃燒最高溫度，提高工質(zhì)密度[3-5]。甲醇的缺點(diǎn)是十六烷值低，著火性能差，不易壓燃也不易被點(diǎn)燃；熱值相對(duì)汽油、柴油要低，在燃燒前必須進(jìn)行霧化，細(xì)化液滴[6-8]。以甲醇為燃料的鍋爐雖然價(jià)格低廉，清潔環(huán)保，但熱值低，短時(shí)間內(nèi)可能存在供能不足的情況，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究主要集中在甲醇和其他燃料的混合燃燒中[9]，而對(duì)于單純的甲醇燃料的噴霧和燃燒的數(shù)值模擬方面的研究較少。因此，借助Fluent軟件針對(duì)鍋爐爐膛長(zhǎng)徑比對(duì)甲醇鍋爐的影響進(jìn)行了對(duì)比模擬研究，以期為爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 甲醇鍋爐物理模型

700 kW甲醇鍋爐的燃燒系統(tǒng)如圖1所示，燃燒室為圓柱形結(jié)構(gòu)，爐膛直徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，空氣進(jìn)口直徑為0.25 m，其中，燃料噴嘴選Fluent自帶的壓力旋流霧化噴嘴，噴霧錐角為40°，噴射壓力設(shè)為1 MPa，甲醇噴嘴直徑為0.005 mm，燃料從中心噴出。

圖1 甲醇鍋爐的燃燒系統(tǒng)Fig.1 Combustion system of methanol boiler

2 數(shù)值模擬方法

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

本文選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型假定流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略[10-11]；非預(yù)混燃燒模型可以預(yù)測(cè)中間組分的生成，但在預(yù)測(cè)甲醇氧化的過(guò)程中并沒(méi)有預(yù)測(cè)到甲醛污染物的生成，所以選擇通用有限速率模型的EDC模型，它詳細(xì)地考慮了各種化學(xué)反應(yīng)[12]；選擇DO輻射模型，它允許在輻射過(guò)程中包含有離散的第二相顆粒的影響[13]；壓力旋流霧化噴嘴因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能少、霧化質(zhì)量好，得到廣泛的應(yīng)用[14]。

基于有限體積法用壓力基求解器求解方程，采用一階精度迎風(fēng)差分離散格式，通過(guò)SIMPLE算法對(duì)壓力、速度進(jìn)行耦合。在模擬計(jì)算的過(guò)程中，先采用一階定常隱式格式求解連續(xù)相；得到穩(wěn)定的連續(xù)相流場(chǎng)后，接著再加入離散相DPM模型；離散相和連續(xù)相進(jìn)行耦合求解，在連續(xù)相對(duì)離散相產(chǎn)生影響的同時(shí)，離散相也對(duì)連續(xù)相有一定的影響，對(duì)離散相和連續(xù)相進(jìn)行交替求解，直到二者均收斂，這樣就實(shí)現(xiàn)了耦合計(jì)算；選用Pressure-swirl-atomizer霧化模型，定義噴射源，顆粒類(lèi)型選擇droplet[15-16]。

2.2 網(wǎng)格敏感性分析

為了確保模擬計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，需要對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。以爐膛長(zhǎng)度為1.95 m、直徑為0.8 m的甲醇鍋爐為例，劃分網(wǎng)格為151 300，201 320，271 186，351 550，412 600等5種情況并進(jìn)行模擬得到計(jì)算結(jié)果收斂所需的時(shí)間。圖2為網(wǎng)格數(shù)對(duì)收斂時(shí)間的影響曲線(xiàn)，從圖2中可以看出，收斂時(shí)間隨著網(wǎng)格數(shù)量增加趨于同一個(gè)結(jié)果，誤差在可接受范圍內(nèi)，故選取27萬(wàn)左右的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

圖2 網(wǎng)格數(shù)對(duì)收斂時(shí)間的影響曲線(xiàn)Fig.2 Influence curve of grid number on convergence time

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件選取

利用Gambit軟件建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，將模型分割成兩部分，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分割后相鄰區(qū)域之間交界面處的流動(dòng)可以相互傳遞，噴嘴部分采用六面體/契形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，爐膛部分采用四面體/混合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。入口邊界條件：連續(xù)相設(shè)置為速度入口，空氣流速為15 m/s，離散相選擇壓力旋流霧化模型噴射液滴，燃料的質(zhì)量流量為0.04 kg/s，進(jìn)口燃料溫度為300 K。出口邊界條件：設(shè)置為壓力出口。壁面邊界條件：對(duì)連續(xù)相，在固體壁面施加速度無(wú)滑移固體邊界條件，設(shè)置壁面溫度為343 K，對(duì)離散相，顆粒與壁面碰撞時(shí)發(fā)生彈性反射，恢復(fù)系數(shù)為1。

圖3 甲醇鍋爐的網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh of methanol boiler

為了方便使用Fluent軟件對(duì)甲醇鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，做出如下假設(shè)[17-20]：

1)不考慮燃料與氧化劑的混合過(guò)程。

2)不考慮離散相顆粒之間的相互作用。

3)流動(dòng)認(rèn)為是完全湍流。

4)燃燒過(guò)程中的氣體被看作理想氣體，不考慮空氣的壓縮性。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同爐膛長(zhǎng)度對(duì)溫度和出口甲醛濃度的影響

由圖4可以看出，隨著爐膛長(zhǎng)度的增加，爐膛內(nèi)的最高溫度也增加，并且平均溫度也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榧状既剂系娜紵油耆?，并且爐膛長(zhǎng)度大于1.95 m后最高溫度和平均溫度的增加速度變大；爐膛出口平均溫度隨著爐膛長(zhǎng)度的增加逐漸降低，這主要是因?yàn)闋t膛長(zhǎng)度的增加使散熱量增加，并且當(dāng)爐膛長(zhǎng)度大于1.95 m后溫度降低速度緩慢。這說(shuō)明隨著爐膛長(zhǎng)度的增加，爐膛內(nèi)的燃燒狀況得到很大程度的改善，并且溫度分布趨向均勻。t1為爐膛最高溫度和平均溫度的差值，t2為最高溫度和出口溫度的差值。從圖中可以看出，隨著爐膛長(zhǎng)度的增加，t1逐漸降低但降低速度緩慢，t2逐漸增加并且當(dāng)爐膛長(zhǎng)度大于1.95 m時(shí)增加速度變慢。這是由于爐膛長(zhǎng)度的增加，促使?fàn)t膛內(nèi)各組分的混合更加充分，并且延緩了甲醇燃料的燃燒放熱過(guò)程，同時(shí)煙氣回流促使?fàn)t膛溫度分布變得更均勻，擴(kuò)大了燃料燃燒區(qū)域，這說(shuō)明增加爐膛長(zhǎng)度有利于爐膛內(nèi)的燃料燃燒。

圖4 不同爐膛長(zhǎng)度的溫度曲線(xiàn)圖Fig.4 Temperature curve image at different furnace lengthes

圖5 不同爐膛長(zhǎng)度時(shí)出口甲醛濃度曲線(xiàn)圖Fig.5 Export CH2O concentration curve image at different furnace lengthes

圖5為不同爐膛長(zhǎng)度時(shí)出口甲醛的濃度曲線(xiàn)圖。從圖5可以看出，出口甲醛濃度隨著爐膛長(zhǎng)度的增加而降低，并且在爐膛長(zhǎng)度大于1.95 m后甲醛濃度降低速度變小，這主要是因?yàn)榧兹┑纳珊蜖t膛內(nèi)的溫度分布有關(guān)，爐內(nèi)溫度越高，甲醛生成越少，相反，爐內(nèi)溫度越低，甲醛生成增加。

3.2 不同爐膛直徑對(duì)溫度和出口甲醛濃度的影響

由于爐膛呈對(duì)稱(chēng)分布，所以取Z=0截面來(lái)觀察爐膛內(nèi)的溫度分布，圖6為不同爐膛直徑時(shí)的溫度分布云圖，從圖中可以看出，隨著爐膛直徑的增加，即爐膛長(zhǎng)徑比的增加，爐膛局部高溫區(qū)越來(lái)越小，溫度波動(dòng)逐漸變小，整個(gè)爐膛溫度分布更加均勻。

圖6 不同爐膛直徑的溫度分布云圖Fig.6 Temperature contours at different furnace diameters

圖7為不同爐膛直徑的溫度曲線(xiàn)圖。由圖7可知，燃燒室的最高溫度、平均溫度、出口溫度均隨著爐膛直徑的增加逐漸減小，這是由于燃燒室直徑變大，燃燒空間變大。t3為最高溫度與出口溫度差，t4為最高溫度與平均溫度差。由圖7可知，爐膛直徑在0.8 m之前，t3，t4均降低，而在0.8 m之后，t3，t4均有增加的趨勢(shì)?？梢钥闯鰻t膛直徑的增加有利于降低爐膛最高溫度，避免局部高溫區(qū)，但爐膛直徑不宜過(guò)度增加。

圖7 不同爐膛直徑的溫度曲線(xiàn)圖Fig.7 Temperature profile of different furnace diameters

圖8為不同爐膛直徑的出口甲醛濃度曲線(xiàn)圖。由圖8可知，隨著爐膛直徑的增加，出口甲醛濃度不斷增加，在直徑大于0.8 m后甲醛濃度增加速度變大。這主要是因?yàn)榧兹┑纳珊蜖t膛內(nèi)的溫度分布相關(guān)，爐內(nèi)溫度越高，甲醛生成越少，相反，爐內(nèi)溫度越低，甲醛生成增加。

圖8 不同爐膛直徑的出口甲醛濃度曲線(xiàn)圖Fig.8 Export CH2O concentration image at different furnace diameters

4 結(jié) 論

1)隨著爐膛長(zhǎng)度的增加，爐內(nèi)最高溫度和平均溫度均增加，爐膛出口平均溫度降低，爐膛長(zhǎng)度為1.95 m時(shí)是爐內(nèi)溫度增加速度的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)爐內(nèi)溫度維持在一個(gè)較高的水平，出口甲醛濃度相對(duì)最低。

2)隨著爐膛直徑的增加，爐內(nèi)最高溫度、平均溫度和出口溫度均降低，爐膛直徑為0.8 m時(shí)，溫度波動(dòng)最小，出口甲醛濃度相對(duì)最低。

3)甲醇鍋爐的爐膛最佳長(zhǎng)徑比為0.41，此時(shí)燃燒室內(nèi)的燃燒最穩(wěn)定，溫度分布最均勻，甲醛排放量相對(duì)最低。

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Structure optimization of boiler furnace based on methanol combustion numerical simulation

WANG Zhenhui, SUN Xiaoting, DU Mengxuan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to study the influence of different ratio of length and diameter of chamber to the temperature distribution of methanol combustion and the emission of formaldehyde pollutants, taking methanol boiler of 700 kW as example, the combustion process of methanol fuel is numerically simulated, then the reaction methanism of methanol combustion kinetics obtained from Chemkin is imported into Fluent, and the simulation analysis is conducted. The results show that when the ratio of length and diameter of chamber is 0.41, the combustion in the chamber is most stable, and the emission of formaldehyde is the lowest.

combustion science; methanol; boiler; furnace; temperature distribution; formaldehyde

1008-1534(2016)06-0491-05

2016-07-03;

2016-08-01；責(zé)任編輯：馮 民

王振輝(1960—)，男，河北深州人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高效傳熱傳質(zhì)與節(jié)能、空調(diào)與制冷節(jié)能技術(shù)等方面的研究。

E-mail:zhenhuiwang@126.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06009

王振輝，孫曉婷，杜夢(mèng)軒.基于甲醇燃燒數(shù)值模擬的爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].河北工業(yè)科技,2016,33(6):491-495. WANG Zhenhui, SUN Xiaoting, DU Mengxuan.Structure optimization of boiler furnace based on methanol combustion numerical simulation[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):491-495.