閆媛媛, 張 勇, 楊 飛

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著石油和天然氣的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，煤炭在世界能源結(jié)構(gòu)中的地位與日俱增，在世界電力生產(chǎn)中燃煤發(fā)電已占到了首位.我國(guó)煤炭消費(fèi)占一次能源的69.3%，預(yù)測(cè)到2020年，煤炭仍是我國(guó)主要能源[1].煤直接燃燒的同時(shí)也產(chǎn)生了世界前沿的3e問(wèn)題，即能源、效率與環(huán)境等問(wèn)題.在環(huán)境日益嚴(yán)峻和能源危機(jī)的今天，對(duì)能源利用的要求將更嚴(yán)格.因此，研究煤的燃燒過(guò)程及其清潔利用以開(kāi)發(fā)出更佳的利用方式已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一.

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與理論基礎(chǔ)相結(jié)合的研究方法得到迅速發(fā)展.計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是計(jì)算技術(shù)與數(shù)值計(jì)算技術(shù)的結(jié)合體，用數(shù)值模擬的方法求解流體過(guò)程，可以用來(lái)分析涉及流體力學(xué)的各類(lèi)問(wèn)題.目前，大型CFD商業(yè)軟件有Phoenics、Fluent和CFX等[2].其中，CFX軟件采用有限元有限體積法和全隱式多網(wǎng)格耦合求解達(dá)到了精確的數(shù)值處理和穩(wěn)健快速求解，不但處理結(jié)果可視化而且具有豐富的物理模型，如流體流動(dòng)、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)和燃燒等問(wèn)題的物理模型.

本文利用CFX軟件采用渦耗散(EDM)模型模擬燃燒反應(yīng)、k-ε湍流模型模擬爐內(nèi)流動(dòng)、輻射傳熱采用離散傳輸模型等，對(duì)反應(yīng)爐的燃燒傳熱進(jìn)行模擬獲得爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度和壓強(qiáng)等分布情況，作為理解、設(shè)計(jì)及操作反應(yīng)爐的參考.

1 模型介紹

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 湍流模型

煤粉顆粒在氣化爐內(nèi)的燃燒是氣固兩相間的湍流燃燒過(guò)程，對(duì)速度場(chǎng)的模擬是整個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ).目前，標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型是應(yīng)用最廣泛的湍流模型[3]，它體現(xiàn)了湍流脈動(dòng)對(duì)時(shí)均流場(chǎng)的運(yùn)輸作用，可用于無(wú)漩流或者弱漩流而無(wú)浮力的回流流動(dòng)，其k和ε對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方程為：

其中，Gk是由層流梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)動(dòng)能；σk和σε分別為湍動(dòng)能k和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3.

1.1.2 燃燒模型

CFX中的燃燒模型對(duì)多組分流動(dòng)采用相同的算法，由于化學(xué)反應(yīng)添加了源項(xiàng)，多組分運(yùn)輸方程為：

其中，YI為第I種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；SI為組分I和源項(xiàng)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)速率；Rk是基本反應(yīng)速率；νkI是化學(xué)計(jì)量系數(shù).

由于燃料燃燒反應(yīng)的速率很快，一般情況下總的化學(xué)反應(yīng)速率受湍流混合速率的控制.非預(yù)混火焰中，在燃燒區(qū)域中由于湍流形成的燃料和氧化劑的混合速度相對(duì)燃料反應(yīng)要慢很多，它們快速地反應(yīng)完.這種情況下，燃燒可以看作受混合控制而忽略復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力速率.其湍流-化學(xué)反應(yīng)模型使用Magnussen和Hiertager的渦耗散模型[4].

對(duì)于基本化學(xué)反應(yīng)速率Rk由下面兩個(gè)表達(dá)式中較小的給出：

其中，[I]為指定反應(yīng)物的摩爾濃度；(I)為任意產(chǎn)物的摩爾濃度；A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值分別為4.0和0.5.

1.1.3 離散傳輸模型

燃燒反應(yīng)中，爐內(nèi)溫度很高，輻射傳熱不能忽略.CFX中的離散傳輸模型是在覆蓋4π立體角上離散點(diǎn)處得到光譜的入射輻射、輻射熱通量，并使用同質(zhì)性假設(shè)擴(kuò)展到整個(gè)域的解決方法.輻射傳遞方程被簡(jiǎn)化為：

其中，Iv是光譜輻射強(qiáng)度；r是位置向量；s是方向向量；Ka是吸收系數(shù)；Ks是散射系數(shù)；Ib是黑體輻射強(qiáng)度；Ω是立體角；S是源項(xiàng)輻射密度.

假設(shè)系統(tǒng)是合理的、均勻的，因此，利用傳輸方程得出輻射強(qiáng)度Iv為：

Iv(r,s)=Iv0exp(-(Kav+Ksv)s)+

其中，Iv0為離開(kāi)邊界的輻射強(qiáng)度.

1.2 模型簡(jiǎn)化

為便于建立穩(wěn)定的計(jì)算模擬，本次模擬對(duì)計(jì)算模型做以下幾個(gè)方面的簡(jiǎn)化[5]：

(1)爐子處于運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，輸入?yún)?shù)也不隨時(shí)間的變化而變化.

(2)煤粉與氧化劑在入口處瞬間完全混合.

(3)煤中的H、O、N等全部為氣相，進(jìn)口氣體中不含S.

(4)煤中的灰分為惰性氣體，在燃燒過(guò)程中沒(méi)有參與反應(yīng).

(5)煤粉顆粒分布以及溫度均一，沒(méi)有梯度.

(6)本模擬的燃燒模型對(duì)燃燒反應(yīng)做了一定的簡(jiǎn)化.

1.3 幾何建模與網(wǎng)格劃分

圖1顯示了全幾何體的一半，爐子相關(guān)尺寸如表1所示.本模擬的幾何模型由Pro/e5.0來(lái)完成.反應(yīng)爐有一個(gè)煤炭進(jìn)口和氧化劑進(jìn)口，一個(gè)出口.煤進(jìn)口(參見(jiàn)圖1所示的紅色區(qū)域)質(zhì)量流量為0.016 24kg/s，煤粉顆粒進(jìn)入質(zhì)量流量為0.001 015kg/s，加熱的空氣進(jìn)入(參見(jiàn)圖1中所示的環(huán)形藍(lán)色部分)爐子，質(zhì)量流量為0.010 35kg/s，出口參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

圖1 反應(yīng)爐模型

名稱長(zhǎng)度直徑煤粉入口空氣入口出口長(zhǎng)度22705206020174

采用ICEM CFD12.0.1進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)反應(yīng)器模型進(jìn)行了四面體和六面體兩種形式網(wǎng)格的劃分，并對(duì)噴嘴處進(jìn)行局部加密.通過(guò)對(duì)比，本文選擇網(wǎng)格數(shù)量較多但質(zhì)量較高的四面體網(wǎng)格，如圖2所示.整體最大單元為0.02，四面體網(wǎng)格總數(shù)為61 402個(gè)，刪除低網(wǎng)格質(zhì)量后，網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上的達(dá)到99.99%.

圖2 四面體網(wǎng)格

2 模擬過(guò)程及結(jié)構(gòu)分析

2.1 材料定義

本次模擬時(shí)，將進(jìn)料定義為兩大類(lèi)混合物.一類(lèi)是固態(tài)顆?；旌衔?，由炭、灰塵和未反應(yīng)可燃物組成，摩爾質(zhì)量均為12 kg/kmol.其中，焦炭密度ρc=2 000 kg/m3、比熱容CC=1 600 J/kg*K，灰塵密度ρA=1 000 kg/m3、比熱容CA=800 J/kg*K，未反應(yīng)可燃物密度ρRC=1 560 kg/m3、比熱容CRC=1 225 J/kg*K；另一類(lèi)是氣態(tài)氣體混合物，由O2、N2、CO2和H2O組成，其中H2O有氣體也有中間態(tài)與液態(tài).這兩類(lèi)混合反應(yīng)物，前一組由煤粉入口送入爐子內(nèi)部，后一組由空氣入口進(jìn)入燃燒爐.

本次模擬采用的反應(yīng)是發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)的最主要的反應(yīng)，可以用來(lái)反映燃燒的程度.由于煤粉是固態(tài)，氧化劑是氣態(tài)，屬于異相化學(xué)反應(yīng)，涉及單相和多相反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

2.2 模型定義

設(shè)置爐子內(nèi)部為流體域，混合氣以連續(xù)流體的形態(tài)存在，碳?xì)淙剂蠟轭w粒傳輸固態(tài)的形態(tài).多相反應(yīng)為上述兩個(gè)反應(yīng)，熱傳遞、燃燒以及熱輻射都是依靠流體，湍流為k-Epsilon模型并且壁面函數(shù)為Scalable模型.

混合氣體的熱傳遞為熱焓模型，燃燒反應(yīng)為Eddy Dissipation模型，熱輻射選擇離散傳熱，傳輸模型為Participating Media，放射光線數(shù)為32.

碳?xì)淙剂系臒醾鬟f為顆粒溫度.對(duì)于混合氣體和碳?xì)淙剂线@對(duì)流體對(duì)，顆粒耦合為完全耦合，阻力模型為Schiller Naumann，熱傳遞選擇Ranz Marshall模型，熱輻射傳遞為不透明，輻射系數(shù)為1,也就是粒子被設(shè)置為黑體，顆粒耦合為完全耦合.

2.3 邊界條件

(1)煤粉入口

該處質(zhì)量流率為0.001 624 kg/s，流向?yàn)槌Ｒ?guī)邊界條件，傳熱是靜態(tài)溫度343 K，此處對(duì)于O2組分，設(shè)置其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.232.碳?xì)淙剂系馁|(zhì)量與動(dòng)量選擇零滑移速度，顆粒位置假定為均勻注入且間隔也均勻，位置數(shù)直接指定為200，質(zhì)量流量為0.001 015 kg/s，熱傳遞為靜態(tài)溫度343 K，顆粒直徑分布為離散直徑分布.直徑與質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示.

表2 離散顆粒尺寸分布

(2)空氣進(jìn)口

該進(jìn)口質(zhì)量流量為0.010 35 kg/s，流向?yàn)槌Ｒ?guī)邊界條件，熱傳遞為靜態(tài)溫度573 K，同樣的其O2組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也設(shè)置為0.232.

(3)煙氣出口

出口的設(shè)置相對(duì)較簡(jiǎn)單，將質(zhì)量與動(dòng)量設(shè)為平均靜態(tài)壓強(qiáng)，相對(duì)壓力為0 Pa.

(4)無(wú)滑移爐壁與耐火無(wú)滑移壁

熱傳遞為固定溫度，分別為1 400 K和1 200 K，熱輻射都選擇不透明的，輻射系數(shù)為0.6，漫射系數(shù)為1.

(5)對(duì)稱面

創(chuàng)建對(duì)稱面，類(lèi)型選為對(duì)稱性，位置在對(duì)稱面上.

2.4 求解控制

對(duì)于收斂控制，將最大迭代次數(shù)設(shè)為300，流動(dòng)的時(shí)間尺度由物理時(shí)間尺度控制并設(shè)定為0.1 s.顆粒耦合控制選擇第一次迭代計(jì)算顆粒，這個(gè)迭代參數(shù)設(shè)置系數(shù)循環(huán)迭代數(shù)，在這里粒子第一次被跟蹤，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這個(gè)值通常設(shè)為25，本模擬采用經(jīng)驗(yàn)值.

迭代頻率設(shè)為10，這個(gè)參數(shù)是第一次迭代計(jì)算迭代次數(shù)之后粒子注入流動(dòng)的頻率.顆粒點(diǎn)火溫度定為1 000 K并且設(shè)定粒子源平滑流暢.

熱輻射選為粗化控制，目標(biāo)粗化率參數(shù)用來(lái)控制輻射元件大小以滿足輻射計(jì)算的需要，減少元素的尺寸可以增加獲得解決方案的準(zhǔn)確性，同時(shí)還可以提高所需計(jì)算時(shí)間，設(shè)定目標(biāo)比率為16.

2.5 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述條件對(duì)反應(yīng)爐進(jìn)行燃燒模擬，計(jì)算得到火焰溫度如圖3左圖所示，模擬值與文獻(xiàn)[6]中理論燃燒火焰溫度的計(jì)算值符合較好，其偏差為11.36%；模擬得到爐內(nèi)流場(chǎng)與文獻(xiàn)[7]中無(wú)渦流情況流場(chǎng)一致，表明文中的計(jì)算模型正確.

2.6 完全燃燒反應(yīng)結(jié)果及分析

以上工作均在CFX-Pre12.0中完成前處理，然后在CFX-Solver中進(jìn)行求解，求解完成后在CFX-Post中完成此次模擬的后處理.結(jié)果如下：

圖3 溫度分布(左)和壓強(qiáng)分布(右)

圖3顯示了對(duì)稱面上的溫度分布、壓強(qiáng)分布與O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù).從溫度分布可以看出，火焰的形狀與位置，火焰從反應(yīng)器軸向方向上靠近中心區(qū)域傳播，火焰最高溫度達(dá)1 918 K，爐內(nèi)平均溫度達(dá)到1 350 K左右；反應(yīng)器內(nèi)壓強(qiáng)分布比較均勻，火焰最強(qiáng)部位壓強(qiáng)較其它區(qū)域低一些.

圖4 反應(yīng)物O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(左)和燃料氣體(右)

圖4為對(duì)稱面氧氣和燃料氣體的質(zhì)量分布.反應(yīng)器中沿中心區(qū)域的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，這主要是由于該區(qū)域發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，但爐內(nèi)仍有O2殘余，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%左右；從圖4右圖可以清楚地看到燃料氣體剛進(jìn)入反應(yīng)器便迅速被反應(yīng)完成.

圖5為對(duì)稱面CO2和H2O的質(zhì)量分布圖.從圖5中可以看到，生成物CO2的分布基本沿著中心軸線傳播，在出口處的平均含量達(dá)到21%左右；生成物H2O在燃燒反應(yīng)區(qū)產(chǎn)量最高，沿著反應(yīng)器壁含量均勻減少.

圖5 生成物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(左)和H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)(右)

圖6 速度矢量(中)和表面流線圖(右)

圖6為對(duì)稱面上速度矢量和表面流線圖.矢量圖表示沿著反應(yīng)器內(nèi)壁出現(xiàn)了可逆向上流動(dòng)，反應(yīng)流動(dòng)在反應(yīng)器中一直發(fā)生并且從上到下呈下跌趨勢(shì)，直至通過(guò)反應(yīng)器的圓錐形狀區(qū)域，速度大多靠近中心軸線形成射流區(qū)，在出口處形成管流區(qū)；流線顯示沿爐壁形成一個(gè)大的環(huán)形回流區(qū).

3 缺氧反應(yīng)分析

由于燃燒反應(yīng)時(shí)也伴隨有氣化反應(yīng)，且當(dāng)氧化劑不充分時(shí)爐內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)將會(huì)進(jìn)一步復(fù)雜.所以本文在進(jìn)行完全燃燒模擬后，將氧煤比做了進(jìn)一步調(diào)整，嘗試模擬氣化燃燒反應(yīng)的一部分.

氧煤比的取值根據(jù)林慧麗等[8]對(duì)氣流床氣化過(guò)程的模擬得出的氣化爐適宜操作范圍，本次模擬氧煤比取為0.8，通過(guò)將煤進(jìn)口和空氣進(jìn)口的質(zhì)量流率分別設(shè)置為0.001 624 kg/s和0.001 299 kg/s來(lái)實(shí)現(xiàn).模擬結(jié)果中溫度、CO2與O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖7所示，速度矢量和流線如圖8所示.

圖7 溫度分布(左)、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(中)和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(右)

從圖7溫度圖可以發(fā)現(xiàn)，爐子進(jìn)口附近溫度較低沒(méi)有明顯的火焰出現(xiàn)，但爐內(nèi)的平均溫度達(dá)到了1 460 K左右，比圖4中爐內(nèi)平均溫度有一定提高，而且整個(gè)爐子的溫度分布比較均勻；CO2含量在爐內(nèi)整體分布比較均勻，出口處平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%左右，比圖4中的出口含量明顯減少；爐內(nèi)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為零，說(shuō)明反應(yīng)中O2被完全消耗.

圖8 速度矢量(左)和流線圖(右)

從圖8速度圖可以看到，在爐子中心離進(jìn)料口不遠(yuǎn)處的流速達(dá)到最大，從上往下速度有所降低，可能的原因是氣體回旋到耐火壁區(qū)消耗了部分能量，速度大多靠近中心軸線，在爐內(nèi)上段出現(xiàn)回流現(xiàn)象.

4 結(jié)論

本文應(yīng)用商業(yè)CFD 軟件ANSYS CFX，采用EDM模型，k-ε湍流模型和離散傳輸輻射模型等建立了某反應(yīng)爐燃燒傳熱反應(yīng)模型，并對(duì)其進(jìn)行了氧氣過(guò)量和缺氧燃燒反應(yīng)數(shù)值模擬，所得結(jié)果對(duì)燃燒氣化反應(yīng)過(guò)程以及爐內(nèi)流動(dòng)傳熱的研究具有一定參考價(jià)值.

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