河北科技大學機械工程學院　孫曉婷

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小型甲醇鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬

河北科技大學機械工程學院孫曉婷

摘要：以1噸的甲醇鍋爐作為研究對象，利用fluent研究了不同過量空氣系數(shù)對甲醇燃燒室的流場結構、燃燒溫度及分布、甲醛污染物的排放的影響。模擬結果表明：甲醇鍋爐的最佳過量空氣系數(shù)為1.09。

關鍵詞：甲醇；鍋爐；甲醛；過量空氣系數(shù)

引言

為了改善環(huán)境，以清潔燃料代替煤炭作為鍋爐的燃料是主要措施之一［1］，甲醇可作為一種新型清潔環(huán)保燃料使用，它清潔環(huán)保的優(yōu)點必將受到人們的青睞［2］。本文借助fluent軟件，模擬了甲醇燃料的噴霧以及燃燒過程，得到了在不同過量空氣系數(shù)下甲醇燃燒室內流場的結構、溫度分布以及甲醛的排放情況，對探究甲醇清潔高效燃燒提供了重要的指導作用。

1　物理模型及邊界條件

以1噸的圓筒形甲醇鍋爐為例，鍋爐長為2.25m，直徑為1.3m，噴嘴直徑為0.0045m，空氣進口直徑為0.2m，簡化的鍋爐物理模型如圖1所示。其中，噴嘴選用的是fluent自帶壓力旋流霧化噴嘴。

圖1　甲醇鍋爐的簡化物理模型

入口邊界條件：連續(xù)相選擇速度入口，空氣流速為20m/s，離散相選擇壓力旋流霧化模型噴射液滴，燃料的質量流量為0.03kg/s；出口邊界條件：設置為壓力出口；壁面邊界條件：對連續(xù)相，在固體壁面施加速度無滑移固體邊界條件，對離散相，設置顆粒與壁面碰撞時恢復系數(shù)為1。

2　數(shù)學模型選擇

湍流模型選擇標準k-e模型；燃燒模型選擇通用有限速率模型；輻射模型選擇DO輻射模型；對于液體燃料的噴霧過程，選擇壓力旋流霧化模型?；谟邢摅w積法用壓力基求解器求解方程，采用一階精度迎風差分離散格式，通過SIMPLE算法進行耦合［3］。在計算模擬的過程中，先采用一階定常隱式格式求解連續(xù)相；得到穩(wěn)定的連續(xù)相流場后，再加入DPM模型；離散相和連續(xù)相相互耦合，直到二者均收斂，這樣就實現(xiàn)了耦合計算［4］。

3　模擬結果與分析

3.1爐內溫度分布

由表1可知，過量空氣系數(shù)為1.09時的最高溫度和平均溫度最高。這主要是因為最高溫度是由甲醇的燃燒情況所決定的，而平均溫度則由爐膛內的整體溫度所決定。煙氣出口溫度是由燃燒效率所決定的，排煙溫度越低，鍋爐效率越高。

表1　各個工況下爐內溫度分布計算結果

3.2爐內煙氣的濃度分布

表2　各組分的質量濃度

由表2可知，隨著過量空氣系數(shù)的增加，爐內氧氣平均濃度增加，出口氧氣濃度在工況2時最低，出口甲醛濃度不斷降低。出口氧氣濃度低，可以避免燃料的二次燃燒和浪費，并且減少尾氣中甲醛的排放。

4　結論

甲醇鍋爐的最佳過量空氣系數(shù)為1.09，在這個狀態(tài)下，鍋爐的甲醛排放濃度最低，鍋爐的平均溫度和最高溫度分別為1135.189K和1380.036K。

參考文獻：

［1］陳征.甲醇高效清潔燃燒過程的基礎理論研究［D］.天津大學，2007.

［2］劉志鋒.醇類替代燃料汽車可行性分析 ［D］.吉林大學，2004.

［3］GONG Changming.Numerical study on combustion and emission in a DISI methanol engine with hydrogen addition ［J］.International Journal of HydrogenEnergy，January 2016，Pages 647-655.

［4］顧毓沁.霧化細度對液體燃料火焰長度和燃燒完全度的影響［J］.科學通報，1966，11（6）∶275-278.