杜建蓉張志誠(chéng)

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 110191；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

環(huán)保處理機(jī)的加熱爐仿真模擬研究

杜建蓉1張志誠(chéng)2

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 110191；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

基于某環(huán)保企業(yè)生物處理機(jī)中加熱爐的尺寸建立幾何模型，并根據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)置燃燒組分及其他條件，選取可實(shí)現(xiàn)湍流模型及有限速率、渦流耗散模型對(duì)加熱爐進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明：受火焰影響，加熱爐中心處溫度高于周?chē)?，速度較大，結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。

加熱爐；數(shù)值仿真；溫度分布

某環(huán)保企業(yè)的餐廚垃圾處理機(jī)屬于“資源型”，即依靠添加高效菌種發(fā)酵將餐廚垃圾變成有機(jī)肥料和飼料，使其資源化。影響微生物的活性及反應(yīng)的主要因素是溫度和水分。加熱爐燃燒甲烷產(chǎn)生的熱氣體傳導(dǎo)傳熱是處理機(jī)的主要加熱方式。加熱爐由燃燒風(fēng)機(jī)、耐火筒組成的花墻及爐體3部分組成。該設(shè)備采用完全預(yù)混式燃燒器，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝獾娜款A(yù)混，并使其在加熱爐內(nèi)表面內(nèi)完全燃燒。由于燃燒風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且預(yù)混氣體進(jìn)入加熱爐后完全燃燒，遂簡(jiǎn)化燃燒模型，省略燃燒風(fēng)機(jī)，僅保留加熱爐的進(jìn)氣口。耐火筒由固定架固定，放置在距加熱爐進(jìn)氣口約1.5m處，用于促進(jìn)并穩(wěn)定燃燒，均勻氣體分布，使?fàn)t內(nèi)氣體充分接觸。

圖1 簡(jiǎn)化模型圖

目前國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理機(jī)的加熱方式主要有3種：第一種為電熱，對(duì)分布于不同位置的電阻通電，通過(guò)熱傳導(dǎo)加熱，適合小型設(shè)備；第二種是應(yīng)用太陽(yáng)能及微波輻射等新能源提供高溫條件，有待推廣應(yīng)用；第三種是通過(guò)加熱爐燃?xì)猱a(chǎn)生熱氣體，依靠熱傳導(dǎo)或?qū)α鞣绞教峁崃浚m宜大型處理設(shè)備，技術(shù)操作上可借鑒其他設(shè)備的加熱爐。本文所研究加熱爐為燃?xì)饧訜?，通過(guò)對(duì)實(shí)際加熱爐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化建模、CFD分析，研究加熱爐內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，方便后續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高熱效率。

一、建立模型

1.幾何模型

對(duì)處理機(jī)中加熱爐進(jìn)行建模，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。燃燒器簡(jiǎn)

化為圓形預(yù)混氣體入口，忽略固定架對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響，只保留耐火筒。加熱爐總長(zhǎng)2.6m，進(jìn)氣口直徑72mm，耐火筒長(zhǎng)200mm，材料為剛玉管，內(nèi)半徑25mm，外半徑為42mm，材料參數(shù)參考《傳熱和傳質(zhì)基本原理》進(jìn)行設(shè)定，排布方式如圖2所示。

表1 燃燒方程參數(shù)

圖2 剛玉管排布

表2 出入口邊界條件

2.網(wǎng)格劃分

應(yīng)用ICEM分區(qū)域劃分網(wǎng)格。由于耐火筒排布相切，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單獨(dú)劃分1個(gè)區(qū)域用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其前后的流場(chǎng)均用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分別劃分。再將生成的3部分網(wǎng)格合并，網(wǎng)格數(shù)量89萬(wàn)。相比只用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量提高，數(shù)量減少，精確度和效率均提高。

3.數(shù)學(xué)模型

燃燒是包含激烈化學(xué)反應(yīng)的湍流流動(dòng)，遵守質(zhì)量、組分、動(dòng)量和能量的守恒定律，應(yīng)用流體力學(xué)的基本控制方程描述燃燒過(guò)程。包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程。湍流模型選擇可實(shí)現(xiàn)湍流模型，燃燒模型選取有限速率、渦流耗散模型，輻射模型選擇P1輻射模型。初始化時(shí)，先計(jì)算冷流場(chǎng)，再針對(duì)預(yù)混氣體入口處部分加高溫點(diǎn)火。

4.計(jì)算參數(shù)

燃燒選擇甲烷氧氣兩步反應(yīng)，燃燒方程參數(shù)詳見(jiàn)表1，邊界條件參數(shù)詳見(jiàn)表2。操作壓強(qiáng)定義為大氣壓。

不同材料參數(shù)設(shè)置如下。

（1）甲烷空氣兩步反應(yīng)混合物

密度：理想氣體(ideal-gas)；比熱容：混合法則(mixing-law)；吸收系數(shù)：灰氣體加權(quán)平均模型(wsggm-domain-based)。

由于燃燒產(chǎn)物為氣體，顆粒產(chǎn)物忽略不計(jì)，所以散射折射均忽略不計(jì)。其他參數(shù)的設(shè)置均默認(rèn)。

（2）單獨(dú)氣體材料設(shè)置

將的比熱容設(shè)置為隨溫度改變的多段多項(xiàng)式(piecewise-polynomial)，多項(xiàng)式的系數(shù)值默認(rèn)即可，其他氣體設(shè)置與其相同。

（3）固體材料設(shè)置

創(chuàng)建新的固體材料，選擇材料鋁，更改其化學(xué)方程式為氧化鋁，更改其密度、比熱容及熱導(dǎo)率使其與耐火筒材料剛玉相符，參數(shù)參考《傳熱和傳質(zhì)基本原理》設(shè)置。邊界條件中，傳熱條件選擇熱通量，熱通量損失為0，輻射系數(shù)為0.85，其他設(shè)置默認(rèn)。加熱爐的其他爐墻部分選擇默認(rèn)材料鋁，參數(shù)默認(rèn)。邊界條件中，傳熱條件同樣選擇熱通量，熱通量損失為883W/m2，輻射系數(shù)為0.7，其他默認(rèn)。

二、數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.煙氣濃度分布

為了更近似模擬燃燒工況，甲烷空氣預(yù)混氣體采用兩步反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物CO，CO與O2反應(yīng)生成CO2。模擬結(jié)果如圖3所示，甲烷質(zhì)量濃度在中間預(yù)混氣體流入?yún)^(qū)域最高，隨著反應(yīng)進(jìn)行沿中間向外部迅速減少，沿周?chē)鷧^(qū)域分布均勻，穩(wěn)定在0.2%，近似完全燃燒。同理，由于反應(yīng)為預(yù)混燃燒，迅速燃燒，氧氣質(zhì)量濃度從中間區(qū)域向四周逐漸降低直至穩(wěn)定在1.5%。為使燃料完全燃燒，預(yù)混氣體中，空氣過(guò)量配比。CO質(zhì)量濃度分布隨著向外擴(kuò)散的燃燒區(qū)域先增大后降低，符合甲烷與氧氣的兩步反應(yīng)過(guò)程：第一步反應(yīng)生成CO，第二步反應(yīng)生成CO2。CO2質(zhì)量濃度從中間燃燒區(qū)域向四周逐漸增大并穩(wěn)定在14.5%，分布均勻。綜合分析，中心區(qū)域?yàn)榛鹧嫒紵齾^(qū)域，反應(yīng)劇烈，燃燒完全。

圖3 Y=0軸線截面處煙氣濃度分布

計(jì)算結(jié)果中出口處各組分質(zhì)量濃度分布均勻，反應(yīng)完全。計(jì)算結(jié)果中甲烷質(zhì)量濃度為0，氧氣質(zhì)量濃度為0.2%，CO2質(zhì)量濃度14.9%，CO質(zhì)量濃度0。實(shí)際加熱爐出口處質(zhì)量濃度為：甲烷質(zhì)量濃度0.2%，氧氣質(zhì)量濃度0.01%，CO2質(zhì)量濃度14.5%，CO質(zhì)量濃度0.2%。通過(guò)與實(shí)際的對(duì)比可知，甲烷與氧氣反應(yīng)并未燃燒完全，有些誤差，但總體上燃燒情況吻合，誤差在可接受范圍。

2.溫度分布

如圖4所示，溫度沿著中心區(qū)域先升高后降低，在高溫氣體通過(guò)耐火筒后，溫度逐漸降低并分布均勻?；鹧嫒紵罡邷囟冗_(dá)到2100K，溫度穩(wěn)定于1550K左右。燃燒中心區(qū)域受預(yù)混氣流影響溫度逐漸升高，氣流周?chē)鷧^(qū)域迅速升溫至最高溫，耐火筒前端溫度分布有很強(qiáng)的不均勻性。由上述分析可知，雖燃燒完全且火焰長(zhǎng)度未及耐火筒位置，但溫度均勻并達(dá)到穩(wěn)定，需要強(qiáng)化傳熱，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使熱氣體通過(guò)耐火筒后輻射均勻，以便后續(xù)在加熱爐底面、反應(yīng)倉(cāng)上部添加輻射傳熱。出口溫度分布如圖5所示，出口溫度分布均勻，平均溫度為1550K左右，高于實(shí)際出口溫度1500K。造成這一現(xiàn)象的原因：其一是周?chē)诿嫔⑹崃慷嘤谠O(shè)置的參考值；其二是實(shí)際燃燒中，即使預(yù)混燃料，也并不能達(dá)到理想的完全燃燒，高溫條件下易產(chǎn)生氮氧化物，消耗氧氣，即產(chǎn)生的熱量小于近似完全燃燒的熱量；其三，該處理機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于簡(jiǎn)化，忽略了一些設(shè)施對(duì)加熱爐的影響，比如某些部分的測(cè)溫管道設(shè)備，也會(huì)存在少量熱量散失；其四，對(duì)于燃燒風(fēng)機(jī)的省略，直接由進(jìn)氣口代替，也對(duì)溫度造成一定影響。實(shí)際溫度與計(jì)算溫度誤差小于5%，該計(jì)算模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

圖4 Y=0軸線截面處溫度分布

圖5 出口處溫度分布

3.火焰形狀

圖6為加熱爐燃燒的火焰形狀，由于進(jìn)氣口位于中軸線上，預(yù)混氣體垂直表面送入。即該火焰位于燃燒爐正中位置，近似呈錐狀，避免高溫火焰燃燒壁面爐襯。

圖6 流場(chǎng)中火焰形狀

4.流場(chǎng)分布

結(jié)合圖7及圖8中Y=0截面速度場(chǎng)及煙氣流線圖分析加熱爐的流場(chǎng)分布。預(yù)混氣體流入流場(chǎng)內(nèi)的中心區(qū)域速度為45m/s左右，由于燃燒反應(yīng)迅速進(jìn)行，沿著中心區(qū)域向燃燒火焰外速度迅速減小。耐火筒對(duì)于氣流的阻礙明顯，在耐火筒后的流場(chǎng)速度逐漸降至5m/s以下。觀察流線圖可知，熱氣流流過(guò)耐火筒區(qū),由于拐彎進(jìn)入另一側(cè)流場(chǎng)，在耐火筒一側(cè)外角產(chǎn)生部分零速度區(qū)。且流線疏密分布與速度分布基本相符，越靠近出口側(cè)的外側(cè)面流線越密集，有向外擠壓趨勢(shì)。

三、結(jié)論

數(shù)值模擬方法，可以高度近似地模擬此加熱爐的內(nèi)流場(chǎng)情況。采用此方式可以定性分析并對(duì)比優(yōu)化方案。圓筒型耐火筒以相切形式堆砌，使熱流流過(guò)耐火筒時(shí)從相切的小孔及中空部分流過(guò)。這種結(jié)構(gòu)的好處是能夠增強(qiáng)輻射換熱，使氣體與耐火筒充分接觸，增加對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，使燃燒迅速完成。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)可知，誤差主要由于未能完全燃燒，但所占比例很小，可忽略不計(jì)。同時(shí)，如果需要利用壁面溫度輻射傳熱，還應(yīng)改進(jìn)耐火筒結(jié)構(gòu)，使熱氣體通過(guò)耐火筒后溫度分布均勻。

圖7 Y=0截面速度場(chǎng)

圖8 煙氣流線分布圖

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1671-0711（2015）01-0036-04

2014-11-19）