生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究_魏琰荣.pdf
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1、第 38 卷第 1 期煤质技术Vol.38No.12023 年 1 月COAL QUALITY TECHNOLOGYJan 2023移动阅读研究论文魏琰荣,周博斐,李鹏飞 生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究 J 煤质技术,2023,38(1):3340WEI Yanrong,ZHOU Bofei,LI Pengfei Numerical simulation on the stability of flameless combustion of biomass solidfuel J Coal Quality Technology,2023,38(1):3340生物质固体燃料无焰燃烧
2、实现条件的数值模拟研究魏琰荣1,2,周博斐3,李鹏飞3(1.北京天地融创科技股份有限公司,北京100013;2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室,北京100013;3.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074)摘要:将无焰燃烧技术应用于生物质固体燃料,将同时实现生物质的高效燃烧以及燃烧过程NOx的有效控制。为解决生物质燃料燃烧效率低、燃尽率差等问题,探究实现生物质固体燃料无焰燃烧的稳定工况,以 1 个功率为 1.4 MW 的燃烧炉为研究对象,采用数值模拟方法,在验证模型合理性的基础上对生物质固体燃料无焰燃烧特性进行研究,探究二次风进口速度、炉膛尾部烟气出口直径和炉膛壁
3、面温度对生物质无焰燃烧建立和稳定性的影响。数值模拟研究结果表明:提高二次风入口速度,有利于氧化剂的均匀分布以及烟气的大范围卷吸,使温度场分布更加均匀,可在整个区域内实现温和的无焰燃烧反应;当烟气出口直径为 200 mm,即烟气出口面积为炉膛尾部面积的约 1/16 时,整个炉膛内温度场最为均匀;当炉膛壁面温度由 1 000 K 提升至 1 200 K时,温度场更加均匀,整个区域内进行温和的无焰燃烧反应,且燃烧较为充分。提高二次风入口速度、缩小烟气出口直径以及维持炉膛壁面温度在较高水平是建立和稳定维持生物质无焰燃烧的必要条件,对工业锅炉实现生物质固体燃料无焰燃烧具备参考意义。关键词:生物质;无焰燃
4、烧;燃烧稳定性;数值模拟;二次风;入口速度;温度场;烟气出口直径中图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:10077677(2023)0103308收稿日期:20220803责任编辑:何毅聪DOI:10.3969/j.issn.10077677.2023.01.005基金项目:天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2018TDQN006);天地融创科技发展基金资助项目(2022JNCX01)作者简介:魏琰荣(1992),女,山西吕梁人,硕士研究生,助理研究员,主要从事煤炭高效洁净燃烧方面的研究。Email:602501880 通讯作者:李鹏飞,副教授,博士生导师,主要从事无焰燃烧
5、与富氧燃烧研究。Email:pfli Numerical simulation on the stability of flameless combustion of biomasssolid fuelWEI Yanrong1,2,ZHOU Bofei3,LI Pengfei3(1 Beijing Tiandi ongchuang Technology Corporation Ltd,Beijing100013,China;2 National Energy Technology Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Con
6、trol,Beijing100013,China;3 State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,China)Abstract:Applying flameless combustion technology to biomass solid fuel will simultaneously achieve efficient bio-mass combustion and effectively control NOxemission dur
7、ing combustion In order to solve the problems of low com-bustion efficiency and poor burnout rate of biomass fuel,the stable burning condition of flameless combustion of bio-mass solid fuel was studied In this paper,the numerical simulation was conducted in a 1 4 MW furnace,using nu-煤质技术2023 年第 38 卷
8、merical simulation method,based on the validation of the numerical model,the influence of secondary air inlet ve-locity,flue gas outlet diameter and furnace wall temperature on the establishment and stable maintenance of biomassflameless combustion was investigated The numerical simulation results s
9、how that the increase of secondary air inletvelocity is beneficial to the uniform distribution of oxidant and the largescale entrainment of flue gas The tempera-ture distribution is more uniform,and the flameless reaction occurs in the whole region inside the furnace When theflue gas outlet diameter
10、 is 200 mm(when the area of flue gas outlet is about 1/16 of the area of furnace tail),thetemperature field in the whole furnace is the most uniform When the wall temperature of the furnace increases from1 000 K to 1 200 K,the temperature field becomes more uniform,and the combustion reaction takes
11、place mildly inthe whole region,and the burnout is increased It is necessary to increase the secondary air inlet velocity,reduce theflue gas outlet diameter and maintain the furnace wall temperature at a high level to establish and stabilize the flame-less combustion of biomass The present study is
12、helpful for the establishment and stability of flameless combustion ofbiomass solid fuels for industrial boilersKey words:biomass solid fuel;flameless combustion;combustion stability;numerical simulation;secondary air;inlet velocity;temperature distribution;flue gas outlet diameter0引言生物质因其具有分布广泛、零碳排
13、放等特点,近年来备受关注,被越来越广泛地作为煤的替代品燃烧使用1。“煤改生物质”之后,生物质燃烧产生的 NOx成为雾霾天气新的重要来源。在北京、天津等地发布的新建锅炉 NOx排放标准中,要求烟气NOx浓度应小于 30 mg/m3,为达到此一指标,较为经济有效的方法是在“煤改生物质”锅炉中应用低 NOx燃烧技术2。具体来说,目前已有的低 NOx燃烧技术主要有空气或燃料分级、烟气再循环等34。虽众多学者已对以上技术进行比较深入的理论研究和工程实践,但现有的技术还难以同时实现高效和低污染。无焰燃烧技术作为 1 种新型燃烧技术,其特点主要包括无局部高温区、温度场均匀、炉中换热能力增强,燃烧反应区大、N
14、Ox排放量极低、燃烧稳定、噪音较低5,能够同时实现高效燃烧和低 NOx排放。若将无焰燃烧技术应用于生物质固体燃料,将同时实现生物质的高效燃烧以及燃烧过程 NOx的有效控制。随着近年来研究的深入,学界在无焰燃烧技术的燃料适应性方面开展了相关工作6。DAL-LY 等7 发现稀释氧化剂能使 CH4/H2火焰的亮度减弱、火焰体积增大、NOx排放量减少,从而确认低氧稀释条件对实现无焰燃烧的重要性。在更多贴近工程应用的研究中发现,建立无焰燃烧的关键在于对反应物射流的流动控制,无焰燃烧在非预混、预混和部分预混模式下均可实现8;无焰燃烧的低反应温度对抑制 NOx的生成有明显效果910。固体燃料的无焰燃烧研究方
15、面,WEBE 等11 采用含氮高挥发分煤为燃料开展中试规模下的高温预热空气无焰燃烧实验,发现无焰燃烧状态下的燃尽率高、整个炉膛温度场十分均匀,辐射特性得以加强。ABUELNUO 等12 对生物质无焰燃烧进行了综述,并阐述该燃烧过程的低 NOx排放、低固体燃料质量损失、低着火延迟等特性。SAHA 等13 在热氧化剂同轴射流燃烧系统中研究了生物质无焰燃烧特性,发现所有工况下的 NOx排放均低于 200106,燃料挥发氧化性增强,炉内平均温度略有升高,CO 排放降低。无焰燃烧的建立机制方面,虽然气体燃料无焰燃烧的形成机制已比较明确,但还缺乏 MW 级中试锅炉生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的研究。笔者
16、采用数值模拟方法研究了 1.4 MW 中试燃烧炉生物质固体燃料无焰燃烧特性,探究了二次风进口速度、烟气出口直径和炉膛壁面温度对生物质无焰燃烧建立和稳定维持的影响,揭示了建立和稳定维持生物质无焰燃烧的必要条件,为生物质固体燃料无焰燃烧的工程应用提供理论参考。1模拟对象与方法1.1炉膛结构此次研究对象是 1 个功率为 1.4 MW 的圆柱形燃烧炉,炉膛长度为 3 826 mm,炉膛直径为800 mm,燃烧炉实物如图 1 所示。燃料进口直径为 45 mm,一次风直喷射流的速度为 16 m/s。由理论计算,燃烧炉中生物质燃烧理论需氧量 V0=0.33 m3/s,为保证充分反应,取过量空气系数为1.3,
17、则 实 际 需 氧 量 VK=aV0=0.33 1.3=0.43 m3/s。43第 1 期魏琰荣等:生物质固体燃料无焰燃烧实现条件的数值模拟研究图 11.4 MW 燃烧炉实物Fig.11.4 MW combustion furnace1.2模拟方法按照 1.4 MW 圆柱形燃烧炉的原有尺寸进行建模,研究了 29 万、57 万、86 万和 114 万不同网格数对模拟结果的影响,发现 57 万网格数与 86 万、114 万网格数结果差异不大,认为 57 万网格数已满足计算精度,因此选用该网格进行后续的计算。选用的数值模拟模型分别为:燃烧模型。考虑到同时兼顾计算的速度和精度,先使用计算速度较快的涡耗
18、散模型(EDM)计算出收敛的结果,再在收敛的流场、温度场和浓度场基础上使用涡耗散概念(EDC)燃烧模型算至二阶差分收敛,EDC模型能够考虑有限反应速率,以保证计算精度;湍流模型。选用 eynolds 平均法(ANS)可实现 k 模型,相对于标准 k 模型,该模型能更精确预测平板和圆柱射流以及旋转流动、强逆压梯度的边界层流动,适用于无焰燃烧研究;辐射模型。选用 DO 模型,DO 模型是适用范围较广的辐射模型,可以计算不同光学厚度的辐射问题,同时也可以计算燃烧过程中出现的包括散射效应在内的多种辐射问题,适用于模拟无焰燃烧;挥发分析出模型。单步挥发分析出模型;焦炭燃烧模型。动力扩散控制反应速率模型;
19、追踪颗粒运动的模型:随机轨道模型。在化学反应机理中,研究选用生物质燃烧的 2步总包反应,具体机理为:Wood+0.558O 2CO+1.191H2OCO+1/2O 2CO2在边界条件设置中,将一次风和二次风入口设为速度入口,将烟气出口设为压力出口,炉膛壁面设为定温换热壁面。在求解中,应用 SIMPLE 算法对压力和速度耦合,用二阶差分来离散守恒方程中各对流项。在收敛判断中,分别确认能量和辐射的残差小于 106、其他残差小于 103,监测中心截面平均温度变化小于 5 K 以及炉内质量和能量守恒。1.3模型验证在模拟研究前需要确认 1.2 节选用模型模拟生物质碳基燃料无焰燃烧的准确性和适用性。已有
20、研究表明,碳基燃料煤粉燃烧与生物质粉末燃烧之间物理化学过程相似,但生物质粉末含碳量较少,因此经过验证的碳基燃料燃烧相关数值模拟模型可以进行生物质燃烧过程的模拟14。在国际火焰研究基金会(IFF)燃烧炉碳基燃料燃烧实验测量数据11 的基础上,划分网格并使用 1.2 节中选用的模型进行数值模拟,将数值模拟结果和实验结果进行对比。IFF 燃烧炉几何结构如图 2 所示。图 2IFF 炉膛几何结构Fig.2IFF furnace geometry structure此燃烧炉可以实现碳基固体燃料的典型无焰燃烧和传统燃烧。燃烧器中心射流为二次风,直径为125 mm。固体燃料管直径为 27.3 mm,距中心二
21、次风 280 mm 对称分布。燃烧炉测点分布于 7 个截面,沿 x 轴方向距离分别为 0.15、0.44、0.735、1.32、2.05、3.22 和 4.97 m。实验初始条件见表 1。按照上述方法和模型,建立 IFF 燃烧炉的网格模型通过数据处理,得到测量截面的温度场,对比实验与模拟结果如图 3 所示,可知通过该数值计算模型可以准确预测炉内无焰燃烧和 NO 生成过程。因碳基燃料煤粉与生物质粉末之间燃烧过程相似,故采用的相关数值模拟模型可以进行生物质燃烧过程的模拟14。53煤质技术2023 年第 38 卷表 1实验初始条件Table 1Initial test conditions项目质量流
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