生物质燃烧机结构对流动和排放物浓度的影响
摘要：为了提高生物质处理生物质燃烧机喷嘴的使用寿命、降低排放物中NO，的浓度，采用Realizable k-X模型对生物质处理生物质燃烧炉三维流动和燃烧进行了数值模拟。结果显示：燃烧室内的流动、燃烧、化学反应以及排放物中NQ的浓度与生物质燃烧机的导流片角度和生物质燃烧机结构密切相关，包括内部流道的形状和面积。据此提出了生物质燃烧机的两种结构修改方案。数值模拟结果表明：当去掉导流片从而增大空气流通截面积并减小流动阻力后，生物质燃烧机内的速度和压力分布合理，高温区位置后移，燃烧和化学反应效率提高，排放物NQ的浓度明显降低其中一种结构改进的生物质燃烧机投入使用后，经检测N0，的浓度减少9. 50/0。
生物质处理装置上的生物质燃烧机均存在不同程度的喷嘴容易烧损，燃烧室内流动、燃烧状况不理想，燃烧后的有害产物浓度过高等现象，造成经济损失和环境污染受测试设备和技术等限制，要获得燃烧室内的流动结梅多组份扩散、化学反应等的真实信息存在相当大的困难。而且耗资大、周期长。冷态模拟实验结果又不能完全反映其内部的流动情况这给生物质燃烧炉的研究和设计带来了很大困难数值实验方法具有经济、快捷的优势。越来越广泛地用于工程流动问题的研究
本文研究某典型酸性生物质处理装置上的生物质燃烧炉，该生物质燃烧机功能是：将主要成分为傩S N伸和其他碳氢化合物的气体在燃烧室内充分燃烧后生成S02，制成硫酸再次利用，同时尽可能降低排放物中的NO。的浓度，以减少环境污染而实际运行中的生物质燃烧机。燃烧后排放物中硝酸浓度过高，喷嘴易烧坏作者用商用CFD软件FLU EN T6. 0，对原生物质燃烧炉和本文提出的两种内部几何结构修改方案进行了数值实验
1数学模型和基本方程
针对燃烧室内的强旋湍流，求解Reynolds平均的N-S方程，采用尼3双方程棋型封闭其连续方动量方程及k毒方程能量方程气相组分方程在柱坐标系中的统一形式用标准的壁函数和SIM PLE算法求解燃烧室内强旋射流流场燃烧模拟采用两种模型：非绝热的PDF模型和有限速率模型用涡扩散原则模拟反应与湍流的相互作用。先求解混合组分分数，再求组分浓度PDF模型有助于获取详细的中间反应信息，有限速率模型有助于获取主反应的信息陋，61综合两种模拟的结果可以比较全面地获得燃烧室内的信息。
在计算出速度琢温度场和浓度场后，以后处理方式模拟N@，3种类型即热力型( Thermal) NO，，快速型( prompt)NQ和燃料型(Fuel)NQ，其反应式为：
2几何结构和网格
原生物质燃烧机结构如图1所示酸性气体由上部的进气口进入生物质燃烧机o空气经中部进气口流入，通过两级稳压室和导流片组，到达喷口进行混合
由于空气流经部位结构复杂，尺度变化大，此处采用非结构化网格伪40万个四面体网格1，其他部位尽可能采用结构化六面体网格，总网格数量大约80万个图2为原生物质燃烧机内导流片和空气室挡板的网格生物质燃烧机内部不同几何结构的网格形式有一定别。但网格总数差别不大。
生物质燃烧机的两种几何结构的修改方案分别为：方案1增大了空气混合室中挡板窗口面积，改变了导流片的角度，燃气喷口处的配合作了处理，改变燃烧室上部结构以避免流动过早分离在方案1的基础上，方案2去掉了原有的导流片。适当减小了燃料气体喷嘴的出口角度
3边界条件
给定燃料人口处的流量(1. 24 kg/s}温度(313 K)和湍流度；给定空气入口处的流量（11. 187 kg／s）温度f 533 K)和湍流度；给定燃烧室出口处的背压f 10 k Pa）；给定燃烧室壁面温度（1323 K}燃料气体成分见表1表1燃料气体组分的质量分
4模拟结果对比与分析
图3a为数值计算所得原燃烧室压力分布，可看出：空气流经两层稳压室，再经过导流片又经90转角后抵达喷口，过于复杂的通道结构造成流阻过大。使生物质燃烧机内空气流量不足该现象与原产品实际运行时的情况一致，证实这一部位流阻过大
图3b为本文提出的结构改进方案2的燃烧室压力分布，结果显示：结构的改变使导流片至喷口部位的流动得到改善，流阻明显减小方案1的计算结果同样也改善了流动并减少了流阻
图4a为原燃烧室速度分布。显示喷口与燃烧室结合部位的拐角处为高速区。其下部有较强的回流区，燃烧室轴线上的速度较低这是由于原生物质燃烧机喷口至燃烧室结合部位的几何结构不合理。空气与燃料气体在喷口混合后快速改变方向所致
图4b为方案2燃烧室的速度场，显示沿燃烧室轴线附近流速明显加快，与原燃烧室和方案1都不同，燃料气体向空气扩散。形成以混合气体为主的燃烧，这显然有利于燃烧效率的提高
方案1的速度分布f图略1显示通过喷口的气流速度加快，速度张角减/J\o燃烧室内沿轴线处气流速度增大，回流区远离喷口。无疑这是生物质燃烧机内部几何结构的改善所带来的结果
图5a为原燃烧室内的温度场，火焰面较小，接近喷口，同时因回流强，导致高温区集中。这与原生物质燃烧炉实际运行中喷嘴容易被烧坏的观象一致
图Sb所示的方案2温度场表明，高温区脱离喷口，有利于提高喷嘴组件寿命方案1的温度场特征与方案2基本相同。
原生物质燃烧机实际运行中检测到的排放物NQ的浓度过高，即S02的生成浓度不理想图6a为原燃烧室内S02的质量分数，显示火焰中部及尾端处S02的生成浓度低，模拟结果与实际运行情况符厶o
图6b为方案2的SQ质量分数，与图6a比较显示燃烧室内火焰中部和尾端所生成的S02明显增多，S02增多即NO。水平降低这表明：几何结构的合理改进导致高温区的改善，有利于S02的生成，从而有害物NQ的浓度可以得到有效控制方的生物质燃烧机投入运行后经检测N Ox的浓度降低9．铴，证实了数值预报结果的有效性而方案因生物质燃烧机的内部几何结构有了改变。虽然改善了燃烧和流动，但高温区域较大，不利于控制NQ的lll生成，S02的质量分数分布与原燃烧室相比略有增加
5结 论
1)生物质燃烧机内部几何结构的合理改进，使燃烧室内流动、燃烧以及化学反应均有明显改善
2)方案1较好地改善了流动和燃烧。使得在相同的空气进口压力条件下。进入燃烧室空气流速加快，燃烧室内流动更合理，火焰面被推离喷口，有利于喷嘴组件的安全。但仍存在高温区域过大的缺陷。有害物NQ的浓度略有降低
31方案2因在几何结构上作了更合理的改动。使火焰变长，燃烧得到改善，炉内温度更均匀，高温区被推离喷口且范围分散，有利于提高喷嘴寿Ao投入使用后经检测N O的浓度降低。
生物质燃烧机结构对流动和排放物浓度的影响