烟气自循环式低氧生物质燃烧机燃烧过程的数值模拟
摘要在分析了工业中几种低氧燃烧方式的基础上，将收缩扩张结构用于生物质燃烧机空气通道，开发出了烟气自循环式低氧生物质燃烧机，同时借助FLUENT软件对生物质燃烧机进行了大量数值模拟研．结果表明：喉部的负压是烟气卷吸的驱动力，烟气卷吸量随喉部面积的缩小而急剧增多；随着烟气卷吸量的增参炉膛中氧含量越来越低，火焰高温区向生物质燃烧机偏移，火焰逐渐变短．最后，将烟气自循环式低氧生物质燃烧机用于熔化保温炉进行了实践．取得了预期的效果．
    诋氧燃烧是高温空气燃烧技术的核心内容之一，具有火焰体积成倍扩大、火焰温度场分布均匀、低NO。排放等显著优点‘1]．由燃烧理论可知，当采用较高温度的助燃空气时，稳定燃烧所需的氧浓度较低旧，因此实现低氧燃烧的前提是必须先将助燃空气预热到较高昀温度，
    工业中为实现低氧燃烧，常用的措施有：①低空气过剩系数，燃烧区域的氧浓度依旧很南而且潜力有限[3]．②二次供风避免了高温区集中，NO。的排放浓度显著降低[ 4_a，但整个炉膛中氧浓度和常规燃烧差不多，并且这种生物质燃烧机体积庞大，成本较高，③高速射流采用高速烧嘴，使炉内大量燃烧产物回流，稀释燃烧区的氧浓度，在保证高的喷出速度时极难兼顾烟气的顺利排出，而且卷吸的烟气往往只是和射流边界上的部分空气进行混合，实际大部分燃烧区域氧浓度依然很高并不能很好地实现低氧燃烧[ 61．④烟气再循环，即利用炉外排烟来稀释空气中氧浓度7]，由于风机不能承受高温，导致蓄热体用量增多和管路复杂，只适合在小型炉窑上利用，为了能更好地实现低氧燃烧技术，最好能开发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧含量的生物质燃烧机．
1烟气自循环式低氧生物质燃烧机的开发
    为了克服以上一些低氧燃烧技术的缺点，本文考虑采用烧嘴砖来组织炉内烟气的回流，使助燃空气在烧嘴砖中就和烟气充分混合，为此提出将收缩扩张结构用于生物质燃烧机的空气通道升发出了烟夏德宏等：烟气自循环式低氧生物质燃烧机燃烧过程的数值模拟气自循环式低氧生物质燃烧机，
    由伯努力方程可知，在位势能不变的情况下，动能和压力能互相转化，所以空气经过缩放通道的喉部时压力能向动能转化，在此形成负压区，由于喉部有一个侧通道与炉膛连通，因此当助燃空气通过缩放通道喉部时能卷吸大量的烟气，这样可使喷嘴喷出的压缩气体与其诱导的气流充分混合，保证助燃空气在燃烧之前就被稀释到较低的氧含量．
2  燃烧过程数值模拟
2.1物理模型及网格划分
    物理模型如图2所示，选取炉膛大小为2000 mmX2 000m mX5 000 mm，生物质燃烧机居中布置，生物质燃烧机对面为烟气出口，使用GAM BIT软件对上述模型进行网格划分，对于规则的炉膛采用结构化的六面体网格，以加快数值模拟计算的速度和精度，对于不太规则的生物质燃烧机，采用非结构化的网格，在网格导入FLUENT后需要光顺网格并交换单元面，以此改善冈格的质量，
2.2数学模型及方程离散
    本文模拟采用的数学模型如下．
    (1)流动模型——双方程模型，双方程模型需要求解湍动能及其耗散率方程，湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理、数学上模拟相似原形方程得到的阐，该模型假设流动为完全湍流，分子黏性的影响可以忽略，
    (2)燃烧模型-PDF模型，守恒标量的PDF模型仅适用于扩散燃烧问题，该方法假定了反应是受混合速率控制，即反应已达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制，该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组分和能量的输运方程．
    (3)辐射换热模型- P-1模型．P-l辐射模型是P-N模型中最筒单的类型，其出发点是把辐射强度展开为正交的球谐函数，
    对于控制方程的离散采用有限体积法，该方法使用三种不同的空间离散格式，即幂律格式、二阶迎风格式和Q UICK格式，压力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法，该算法的初始的压力场和速度场是协调的，并且对压力场作欠松弛处理，迭代计算时比较容易得到收敛解[ 91．
2.3边界条件及计算工况
    生物质燃烧机空气和煤气进口都采用第1类边界条件，即给定速度与温度；炉膛出口边界采用压力出口条件；固体壁面设为绝热边界，没有热通量和质量通量，壁面无滑移条件假定，壁面上速度为零，
    本文模拟采用的计算工况如下：燃料为发生炉煤气，热值为5 500kJ。m_。，预热到300 0C,空气预热到700℃煤气和空气的流量分别为100 ffl3 011-1和1850 ffl3。h_1．在不改变边界条件和计算工况的前提下，本文模拟了四个喉部面积不同的生物质燃烧机，其具体的计算参数如表1所示．模拟计算，着重分析了氧含量、压力变化和温度分布几方面的燃烧特性．
3燃烧状况对比分析
3.1  氧含量及压力的变化
    本文通过FLUENT可以计算整个计算区域的平均氧含量，四个生物质燃烧机的卷吸量和平均氧含量如表2所示，由表2中数据可以看出，随着喉部面积的缩小，烟气的卷吸量越来越大，炉膛中氧的平均体积分数从4.14%降到1.67%．在实际的生物质燃烧机设计过程中，可以通过设计合理的喉部面积来控制卷吸量，获得具有理想氧含量的助燃空气，实现氧含量可控的低氧燃烧
    四个生物质燃烧机都在喉部形成了负压，炉膛中的相对压力为0，通过该生物质燃烧机后四个生物质燃烧机的阻力损失和喉部负压如表2所示，可以看出：随着喉部面积的变小，最低负压急剧降低，从这点可以看出，烟气的卷吸量和喉部的负压成对应关系，喉部的负压是烟气卷吸的驱动力；同时生物质燃烧机的阻力损失也显著增大，在生物质燃烧机的设计过程中需要注意生物质燃烧机的压力损失要与嘴前空气压力合理配置，否则难以达到合理的流动与燃娆．
3.2温度的变化
    由图3的沿炉膛中心线的温度变化曲线可以看出，随着卷吸量的增加，燃料能在温度更高和氧含量更低的情况下燃烧，燃料进入炉膛后的燃烧速度加快，火焰的高温区域逐渐靠近生物质燃烧机，整个火焰的高温区域越来越大，有利于整个炉膛的炉温均匀[ 10]．炉膛中的最高温度随着卷吸量的增大逐渐增大，炉膛中的平均温度也得到大幅度提高，在燃料供给不变的情况下，炉温升高，说明卷吸的烟气起到了高温余热的直接回收作用，本计算模型由于炉膛较小，因此炉温的变化比较明显；在实际应用中，由于炉膛较大，效果可能没有这么明显，但是从模拟计算的结果可以进一步证明烟气再循环起到了节约燃料、提高炉膛温度和燃烧稳定性等多方面的作用，
3.3火焰长度
    图4为CO体积分数分布图，由于发生炉煤气中的主要成分为CO，CO燃尽的区域即为火焰的边缘，因此可以由CO的体积分数分布来确定火焰的长度，由上文可知，生物质燃烧机A、B、C和D的卷吸量逐渐增多，所以由图4可以看出，随着卷吸的烟气量增多，火焰长度逐渐变短，而文献的结论是诋氧燃烧会使火焰体积膨胀、火焰加长，出现这种差异的最主要原因是变压卷吸式的低氧燃烧方式在冲淡氧含量的同时还预热了空气，助燃空气中氧含量虽然降低，但由于其温度升高，燃烧速度不但没有降低，反而加快燃料的燃烧，因此随着烟气卷吸量的增多火焰长度会逐渐变短，
4烟气自循环式低氧生物质燃烧机的应用
    浙江某轮毂厂已对该烟气自循环式低氧生物质燃烧机进行了应用实践，应用现场布置如图5所示，根据厂方的条件，燃料为冷净发生炉煤气，物料需要2. 52X l06 kJ。h-l的热量，由两个生物质燃烧机提供，保温区炉温为900 0C,提温区为850℃火焰的长度控制在Im以内，但要求能灵活调节热负荷和火焰的长度，生物质燃烧机
    由于现场空气的预热温度为500℃因此为了保证燃烧的稳定性，通过控制喉部面积使卷吸的烟气量将空气中氧的体积分数从22%降到17%左右，该生物质燃烧机稳定运行一个月后，根据现场实测的数据，采用该低氧生物质燃烧机的保温炉和常规燃烧的保温炉的具体技术指标对比见表3．
    由表3可以看出，采用烟气自循环式低氧燃烧器的保温炉燃烧条件得到改善，可以采用较小的空气过剩系数以维持稳定的完全燃烧减少了烟气量，减少了炉子排烟带走的热损失，炉子燃料消耗量相应也有所降低，热效率得到提高，同时由于低氧燃烧的实现炉温的均匀性提高，局部高温区减少，氧含量降低，使得氧化烧损大幅减少，带来了可观的经济效益，该低氧生物质燃烧机的应用实践证明了其合理性，值得深入研究并进一步推广，
5结论

    低氧燃烧的实现财于工业炉窑至关重要，目前采用的低氧燃烧技术都有较大的局限性，烟气自循环式低氧生物质燃烧机的开发较好地克服了几种传统低氧燃烧方式的缺点，科学的分析和巧妙的设计，实现了烟气自循环的低氧燃烧方式，同时，本文通过大量的数值模拟，分析了喉部面积对低氧燃烧的影响规律，为烟气自循环式低氧生物质燃烧机的设计提供了理论依据，

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