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环保处理机的加热炉研究

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《中国设备工程杂志》2015年第二期

一、建立模型

1.数学模型燃烧是包含激烈化学反应的湍流流动,遵守质量、组分、动量和能量的守恒定律,应用流体力学的基本控制方程描述燃烧过程。包括连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。湍流模型选择可实现湍流模型,燃烧模型选取有限速率、涡流耗散模型,辐射模型选择P1辐射模型。初始化时,先计算冷流场,再针对预混气体入口处部分加高温点火。

2.计算参数燃烧选择甲烷氧气两步反应,燃烧方程参数详见表1,边界条件参数详见表2。操作压强定义为大气压。不同材料参数设置如下。(1)甲烷空气两步反应混合物密度:理想气体(ideal-gas);比热容:混合法则(mixing-law);吸收系数:灰气体加权平均模型(wsggm-domain-based)。由于燃烧产物为气体,颗粒产物忽略不计,所以散射折射均忽略不计。其他参数的设置均默认。(2)单独气体材料设置将的比热容设置为随温度改变的多段多项式(piecewise-polynomial),多项式的系数值默认即可,其他气体设置与其相同。(3)固体材料设置创建新的固体材料,选择材料铝,更改其化学方程式为氧化铝,更改其密度、比热容及热导率使其与耐火筒材料刚玉相符,参数参考《传热和传质基本原理》设置。边界条件中,传热条件选择热通量,热通量损失为0,辐射系数为0.85,其他设置默认。加热炉的其他炉墙部分选择默认材料铝,参数默认。边界条件中,传热条件同样选择热通量,热通量损失为883W/m2,辐射系数为0.7,其他默认。

二、数值模拟结果分析

1.烟气浓度分布为了更近似模拟燃烧工况,甲烷空气预混气体采用两步反应,生成中间产物CO,CO与O2反应生成CO2。模拟结果如图3所示,甲烷质量浓度在中间预混气体流入区域最高,随着反应进行沿中间向外部迅速减少,沿周围区域分布均匀,稳定在0.2%,近似完全燃烧。同理,由于反应为预混燃烧,迅速燃烧,氧气质量浓度从中间区域向四周逐渐降低直至稳定在1.5%。为使燃料完全燃烧,预混气体中,空气过量配比。CO质量浓度分布随着向外扩散的燃烧区域先增大后降低,符合甲烷与氧气的两步反应过程:第一步反应生成CO,第二步反应生成CO2。CO2质量浓度从中间燃烧区域向四周逐渐增大并稳定在14.5%,分布均匀。综合分析,中心区域为火焰燃烧区域,反应剧烈,燃烧完全。计算结果中出口处各组分质量浓度分布均匀,反应完全。计算结果中甲烷质量浓度为0,氧气质量浓度为0.2%,CO2质量浓度14.9%,CO质量浓度0。实际加热炉出口处质量浓度为:甲烷质量浓度0.2%,氧气质量浓度0.01%,CO2质量浓度14.5%,CO质量浓度0.2%。通过与实际的对比可知,甲烷与氧气反应并未燃烧完全,有些误差,但总体上燃烧情况吻合,误差在可接受范围。

2.温度分布如图4所示,温度沿着中心区域先升高后降低,在高温气体通过耐火筒后,温度逐渐降低并分布均匀。火焰燃烧最高温度达到2100K,温度稳定于1550K左右。燃烧中心区域受预混气流影响温度逐渐升高,气流周围区域迅速升温至最高温,耐火筒前端温度分布有很强的不均匀性。由上述分析可知,虽燃烧完全且火焰长度未及耐火筒位置,但温度均匀并达到稳定,需要强化传热,优化结构,使热气体通过耐火筒后辐射均匀,以便后续在加热炉底面、反应仓上部添加辐射传热。出口温度分布如图5所示,出口温度分布均匀,平均温度为1550K左右,高于实际出口温度1500K。造成这一现象的原因:其一是周围壁面散失热量多于设置的参考值;其二是实际燃烧中,即使预混燃料,也并不能达到理想的完全燃烧,高温条件下易产生氮氧化物,消耗氧气,即产生的热量小于近似完全燃烧的热量;其三,该处理机结构复杂,为了便于简化,忽略了一些设施对加热炉的影响,比如某些部分的测温管道设备,也会存在少量热量散失;其四,对于燃烧风机的省略,直接由进气口代替,也对温度造成一定影响。实际温度与计算温度误差小于5%,该计算模拟结果相对准确。

3.火焰形状图6为加热炉燃烧的火焰形状,由于进气口位于中轴线上,预混气体垂直表面送入。即该火焰位于燃烧炉正中位置,近似呈锥状,避免高温火焰燃烧壁面炉衬。

4.流场分布结合图7及图8中Y=0截面速度场及烟气流线图分析加热炉的流场分布。预混气体流入流场内的中心区域速度为45m/s左右,由于燃烧反应迅速进行,沿着中心区域向燃烧火焰外速度迅速减小。耐火筒对于气流的阻碍明显,在耐火筒后的流场速度逐渐降至5m/s以下。观察流线图可知,热气流流过耐火筒区,由于拐弯进入另一侧流场,在耐火筒一侧外角产生部分零速度区。且流线疏密分布与速度分布基本相符,越靠近出口侧的外侧面流线越密集,有向外挤压趋势。

三、结论

数值模拟方法,可以高度近似地模拟此加热炉的内流场情况。采用此方式可以定性分析并对比优化方案。圆筒型耐火筒以相切形式堆砌,使热流流过耐火筒时从相切的小孔及中空部分流过。这种结构的好处是能够增强辐射换热,使气体与耐火筒充分接触,增加对流场的扰动,使燃烧迅速完成。通过模拟计算对比实际数据可知,误差主要由于未能完全燃烧,但所占比例很小,可忽略不计。同时,如果需要利用壁面温度辐射传热,还应改进耐火筒结构,使热气体通过耐火筒后温度分布均匀。

作者:杜建蓉张志诚单位:北京航空航天大学东方汽轮机有限公司

中国设备工程杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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