回转窑内生物质高温空气燃烧过程数值模拟

1、 9期楼波等:回转窑内生物质高温空气燃烧过程数值模拟1107格进行了加密(如图3,共划分了36万多个网格。2.2数学模型学者在回转窑内的流动、燃烧的研究经验,模拟三维稳态离散模型(3d,steady,segregated solver13川。数本文采用FLUENT软件进行计算,参考国内外值模拟中N.S方程求解采用SIMPLE算法;气固两相表1稻壳的物理特性Table 1Physical characteristics of rice husk 图1HTAC回转窑生物质燃料燃烧实验台Fig.1Biomass incineration in rotary kilnwith HTAC图2燃料和空气入

2、口示意图Fig.2Entrance offuel and air inside the rotary kiln间的湍流计算采用标准髓e双方程模型(k-e model;用混合分数一概率密度函数(mixturefraction PDF模型模拟气相湍流燃烧;用P-1辐射模型(P-1radiationmodel计算辐射传热;采用双匹配速率模型(twocoin.畔ing rates“蒯模拟稻壳挥发份的析出;采用动力扩散控制燃烧模型(kinetics.diffusionlimitedmodel计算焦炭燃烧;采用基于拉格朗日的随机颗粒轨道(sto.chastictracking方法模拟稻壳颗粒的运动轨迹。图

3、3计算模型网格不意图Fig.3Grid atrmlgement of rotary kiln calculation model2.2.1质量、动量和能量守恒方程业at+丢(伊;=.s。(1叠(刚+蠡(刚j=一襄+生axj懈佴(2式中,D密度,kg/o;p静压,Pa;i、uji、j方向的即时速率,m/s;髫i、菇ii、j方向的坐标长度,m;S。、5嘶质量源项和动量源项,kg/(m3s、kg/(m2s2;Z'ij应力张量,Pa;Pg;重力在i方向上的分量,ks/(矗s2。麦(础=麦雌+孑u盟柙/az_u;+Q一+Q一。(3式中,日显焓,J/ks;A热导率,W/(mK;C。质量分数加权比热

4、,J/(kgK;。湍流粘度,ks/(ins;o"H焓的Prandtle数;Q耐、QR、S。辐射换热、化学反应热和热汇项,W/m3。2.2.2标准肛e方程旦Ot(肚+麦(咖i=毫(户+11.,Ok:】+Gk+Gb一店一YM+Sk(4竺燃55件d 一气里乞z 互篓.墨一铋依一奶姗鼢三空一回转窑 9期楼波等:回转窑内生物质高温空气燃烧过程数值模拟个工况下的温度分布均表明回转窑内生物质燃料燃烧存在水分蒸发、挥发分逸出燃烧和焦炭燃烧的3个区间(加热干燥区、热解燃烧区、焦炭燃尽区。图4a中,加热干燥区为0。0.2m处,挥发分逸出燃烧区为0.20.9m,焦炭燃尽区为0.91.9m。图4b中,加热干

5、燥区为00.35m处,挥发分逸出燃烧区为O.35。0.75m,而焦炭燃尽区为0.751.40m处。图4c高温低氧燃烧工况中,加热干燥区为O0.06m处,挥发分逸出燃烧区为0.060.60m处,而焦炭燃尽区在O.60。1.25m处。空气温度低时,加热干燥区延长,氧量的充足利于燃烧发展,可缩短整个燃烧过程。传统燃烧(图4b窑内存在挥发分和焦炭燃烧图5窑内轴截面速度分布(ms一两个局部高温点,最高温度达到2000K,与出H烟气rig5Velocity distribution along axial direction inside the温差达到600K。相同的入1:3温度1073K下,采用高ro

6、tary kiln(m.s。温低氧的HTAC技术(图4a,局部最高温度只有3.3组分场1650K,低于热力型NO。产生温度,将大大降低NO。图6表示工况3下回转窑轴截面上的C02、02的生成。高温空气温度提高到1273K(图4e时,炉和CO的浓度分布。从图中可以看出,窑内C02、02内温差将进一步减小,温度场也更加均匀,提高了燃和CO的浓度分布与窑内温度(图4c分布有很大关烧的稳定性。系:工况3由于高温低氧燃烧,很快就开始燃烧,燃烧的范围较大,在0.061.25m区域,但由于氧量供给不足,最后尚有一定浓度的CO,要使燃烧完全,必须要再补充空气。图4窑内轴截面温度分布(KFig.4Temperatm'e distributing along axial direction i璐ide t圮rotary kiln(K3.2速度场分布稻壳在3种不同工况下燃烧,回转窑内轴截面(茗=0的速度场分布如图5所示。从图中可以看出,燃料在燃烧过程中,因体积膨胀,流速会增加,改变速度场。工况1因燃烧的推迟,在0.2m以后速度场都有扰动,而工况2主要集中在1.2m以前区域,工况3为低氧燃烧均匀,速度场也明显较均匀。图6工况3下窑内轴截面组分体积分数分布Fig.6Volume fraction distribution alongradial￥1圮tion