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宿迁基于化学动力学的 生物质颗粒燃料燃烧排放NO特性模拟与验证

来源: 发布时间:2019-02-25 5459 次浏览

  摘要:为研究生物质能源颗粒燃烧NO排放规律及其生成机理,采用CFD和ChemKin联合仿真,建立试验锅炉燃烧筒CFD网络模型,应用ChemKin接口导入简化的 17组分58基元反应机理,建立ChemKin-PSR反应模拟网络,选用Reaction DesignC2_NOx详细机理,对棉秆、玉米秸秆、木质3种生物质颗粒燃料NO排放进行模拟。结果表明,NO生成量:棉秆>玉米秸秆>木质;NO排放量随过量空气系数的 增加先增大后减小,在过量空气系数为1.7附近达到峰值。将模拟结果与试验结果进行比较,证明了模型和化学(Chemistry)反应机理的 正确性,为hjc黄金城官网燃烧NO排放的 预测(predict)与控制提供参考。
  0引言
  生物质能源因其对CO2零贡献,且挥发分较煤高,
  N、
  S、灰分和固定炭含量较煤低[1],作为替代(用一物质代替另一物质(多为强者取代弱者的地位))化石燃料的 可持续能源,其应用日益广泛[2-7]。但其巨大消耗量也会导致NO的 排放剧增[8]。NO会伤害人的 呼吸器官,造成酸雨,破坏超氧层等。因此,针对生物质能源颗粒的 NO排放特性愈发成为研究热点。
  国内外对hjc黄金城官网NO排放试验研究工作开展较多,赵欣等[9]在生物质燃烧试验平台上研究了3种生物质固体燃料在不同负荷和进气量下燃烧的 NO排放,结果发现,NO的 排放量随负荷增加而增加,随进气量增加而减少。Lunbo Duan等[10]研究了3种生物质单独燃烧以及和煤混烧情况下NO的 排放,结果表明,混烧时NO排放低于单独燃烧生物质。Winter[11],张鹤丰[12],Maryori Díaz-Ramírez[13],Murari MohonRoy[14],Evelyn Cardozo[15],Gerhard Stubenberger[16],Takero Nakahara[17]等均针对不同hjc黄金城官网NO排放进行了试验研究,然而试验研究花费大、周期长,且不能直接说明NO生成机理,因此,采用数值模拟方法(method)研究hjc黄金城官网燃烧NO排放规律及其生成机理显得十分必要[18]。
  国内外有关燃料燃烧过程中NO转化机理的 研究比较广泛[19-25],而针对hjc黄金城官网燃烧的 并不多。本文采用CFD和ChemKin联合仿真,对生物质能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)颗粒NO排放特性和机理进行研究。ChemKin是由美国Sandia实验室开发的 大型气相化学反应动力学App,是燃烧领域普遍使用(use)的 模拟计算工具[26]。本文首先对所选燃烧器在Fluent中进行网络建模,结合化学反应机理得到燃烧器温度场和气流速度场,然后根据相关参数在ChemKin中建立适当的 反应器网络模型,对3种生物质能源颗粒燃烧的 气相反应进行模拟仿真,得到NO的 排放规律,并用试验结果加以验证。
  1模型(model)建立
  1.1Fluent建模及网格划分
  本文所采用的 试验装置如1所示,燃料器选用Pellet Biocontrol20型hjc黄金城官网器。
  试验所用燃烧器是一种顶置喂料式成型颗粒燃烧器,其额定燃烧功率在木质燃料工质下标定为20kW(满载),通过风机来控制(control)配风量。试验中采用木质颗粒、玉米秸秆颗粒、棉秆颗粒3种燃料。表1为3种生物质的 挥发分组分的 摩尔(体积)分数[27]。试验采用4kg/h的 入料速度进行燃烧试验。风机入口风速控制为6、7、8m/s,对应的 空气量为25.92、30.24、34.56m3/h[28]。各燃料工业分析、每千克各燃料完全燃烧所需的 理论空气量TAV(theoretical air volume)和理论烟气量如表2所示,具体计算可参考文献[29]。
  利用Fluent对燃烧筒结构进行三维建模、网格划分(如2所示)及边界条件设置。在Mesh中划分三维模型(model)的 网格时,对流体区域分别选择四面体和六面体混合网格,通过Swee
  P、Patc
  H、Conformin
  G、Sizin
  G、Inflation等方法来进行划分;在结构细小处,对网格进行加密以获得较好的 网格质量。最终网格数为362782,节点数为65584,平均网格畸变度为0.233,更大网格畸变度为0.81,网格质量较好。求解设置EDC涡耗散有限速率化学反应(Chemical reaction)模型,使用详细阿累尼乌斯化学动力学机理,燃烧过程湍流模拟采用Reynolds平均法(RANS)k-ε双方程模型。组分输运模型选用species transport,该模型可以由用户自定义反应机理。
  1.2 NOx化学(Chemistry)机理的 选取
  NOx详细排放机理选用ChemKin中Reaction Design发展的 的 C2_NOx机理。C2_NOx压力相关机理包括99个反应组分和694个基元反应,在较宽反应域下详细描述了碳氢化合物的 氧化和NOx的 机理。应用于CFD计算的 化学反应机理要进行大量的 简化,反应机理的 简化要求对于给定的 精度保证描述燃烧准确性,省略对燃烧过程没有明显影响的 组分和基元反应,减少仿真运算量,因此采用敏感性分析法简化得到17组分58基元反应机理(见表3)。
  应用ChemKin接口将17组分骨架机理导入Fluent中,得到玉米秸秆在入口气流速度为6m/s时温度场的 模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)结果如3所示。
  3表明整个温度场更高温度为1320K,略高于试验测得燃烧器出口的 炉膛测试平均温度1293K[28],但在可接受范围内,这与模型假设中忽略固定碳气化等吸热反应过程的 模型设置有关。中所示的 温度场分布与实际情况相符,高温区主要集中于火帽下方火焰峰面,这是因为火帽的 存在使得该处的 压力较大,同时会产生的 回流也会使局部温度较高。将ChemKin中的 反应机理导入Fluent中,求解计算得到的 模拟结果在一定程度上体现了真实的 燃烧情形。
  1.3 ChemKin网络模拟仿真
  通过DSMOKE模块导出CFD仿真结果的 混合区体积和滞留时间参数,依据Fluent仿真得到的 结果,将参数输入到ChemKin参数设置表中,作为机理反应模型的 初始条件,具体参数见表4所示。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。问题类型选用Constrain Pressure and Solve Energy Equation (Default),化学当量比为1.0、压力为1at
  M、温度为1400K。在ChemKin中建立简化的 理想均相反应器网络,整个网络结构如所示。
  中共有6个PSR(perfectly stirred reactor)反应器,编号为1~6,1个一维柱塞流反应器PFR(plug flow reactor)用来模拟排气管道。反应器1到6分别对应于燃烧筒的 6个反应区域,如4b所示,反应器1为入口区域,反应器2为固相混合区,反应器3为气相混合区域,反应器4为火帽上方燃烧区域,反应器5为火帽下方回流区域,反应器6为燃烧筒出口及其后方区域。

  2模拟结果分析
  2.1各反应器的 NO分布
  5a为在4kg/h进料速度、过量空气系数λ=1.5(25m3/h)下的 玉米秸秆组分输入,各PSR反应器的 C
  O、O2、CO2组分摩尔分数分布。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。O2含量在反应器1、2、3中一直处于高浓度水平,因为这些区域燃烧并不剧烈,O2消耗量较少,在区域3以后,燃烧反应充分,O2含量迅速下降,同时CO2量迅速增加,此时CO生成量在反应器中降到更低点。CO2和O2随后保持水平,达到动态平衡,是燃烧稳定的 区域。
  反应器网络NO的 含量变化如5b所示。在反应器1到3中,燃烧温度较低,气体挥发分的 滞留时间较短,所以生成的 NO量很少;而反应器4以后,燃烧充分,温度升高,O2被大量的 消耗,使得NO浓度大幅度上升,但因为温度低于1500K,即热力型NO的 生成条件,又由于快速型NO的 权重在3种NO中较低,所以此时主要是O2与hjc黄金城官网中的 N元素发生氧化反应生成燃料型NO。从该曲线中可以很好的 预测NO生成的 主要区域,为提出降低NO的 措施提供了理论的 依据。
  2.2不同燃料的 NO排放对比
  对玉米秸秆、棉秆颗粒燃料在进料量为4kg/
  H、风量25m3/
  H、过量空气系数为1.5,木质风量30m3/
  H、过量空气系数为1.4三种工况下燃烧,对模拟烟气管道PFR反应器中NO排放模拟结果处理,得到的 结果如6所示。
  对比3种颗粒燃料可以发现,木质燃料NO达到峰值的 距离最短,速度最快,而棉秆最慢。在生成量方面,因为燃烧温度都在1500K以下,且空气量充足,所以生成的 NO主要是燃料型NO,3种颗粒燃料的 N元素含量由高到低以此为棉秆、玉米秸秆、木质颗粒,因此棉秆的 生成量大于玉米秸秆大于木质颗粒。三者的 工业分析数据显示,棉秆和玉米秸秆的 灰分量较高[27],导致其NO达到峰值速度相对较慢,但从生成量的 变化量上来看,三者增值仅为5e-6左右,并不明显。
  6的 模拟结果与试验结果[28]进行对比,如表5所示。对比试验结果数据,其中玉米秸秆和木质的 结果较为一致,但棉秆的 预测结果有6%的 偏差,这可能同燃料N中具体的 存在形式相关。在挥发分析出的 过程中,挥发分氮主要以HCN和NH3形式析出,而本文参考Faravellie的 研究用HCN替代燃料中的 挥发分N。
  由表5可知,在相同的 燃烧器负荷和相同空气流速下3种燃料的 NO平均排放值可以发现,木质颗粒的 NO排放更低,棉秆颗粒的 更高,玉米秸秆颗粒介于二者之间。
  这是因为,在1400K温度下HCN向NO的 转化路径是:HCN+MH+CN+
  M、HCN+OH?CN+H2
  O、CN+O?NO+
  C、HCN+OH?HOCN+
  H、HNCO+O2?NCO+HO2、NCO+O?NO+C
  O、HNC+O?NH+CO等一系列反应。CO主要通过反应NCO+O?NO+CO影响NO生成,从平衡常数判断,较低的 CO浓度可促进反应向正方向进行;H2主要通过反应H2+OH?H2O+H产生H基作用于CH2+NO?H+HNCO,使得NO的 上升;N元素含量高以及高温也会导致高NO生成[8]。通过分析棉秆的 输入组分,CO相对含量低,H2相对含量高,在自身元素分析中N的 质量分数是三者中更高,而且与玉米秸秆颗粒相比较,棉秆颗粒的 燃烧温度1283K要高于玉米秸秆的 燃烧温度1259K,因此棉秆NO的 排放量是3种燃料中更高的 。
  2.3不同风量的 NO排放对比
  对于玉米秸秆,在4kg/h进料速度的 工况下,设置不同的 过量空气系数(空气质量流率),范围为1.3~2.0,步长为0.1,得到反应网络系统出口处NO的 分布。如7所示,随着当量比的 增加,NO的 排放出现较快增长,在过量空气系数1.7附近,模型(model)模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)值出现更高排放,随后NO的 排放随过量空气系数的 增加开始下降,过量空气系数的 变化带来燃料过程中氧浓度的 变化,在λ≤1.7前对NO的 生成有较明显促进,这之后对NO的 影响不显著,同时过量空气的 稀释效应一定程度降低了NO的 体积分数,但对NO的 生成量无贡献。
  过量空气系数是通过进气量增加而增大的 ,当λ从1.5变为1.7时,燃烧更加充分,O2随进气量而增多;再继续增大进气量,空气流速增加使得混合气体在炉膛内的 滞留时间变短,同时对NO有所稀释(dilute),因而其浓度降低。
  需要说明的 是,不管模拟结果或是试验数据NO排放值均较高,这除了与燃料自身性质有关外,燃烧器的 结构对其排放也有很大影响。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。张永亮[30]对包括本文研究的 PB-20型燃烧器在内的 3种燃烧器排放进行了测试,结果表明本文选用的 燃烧器NO结果较高。燃烧器结构会影响燃烧参数,从而影响排放。利用本文机理结果,可针对不同的 燃烧器进行模拟研究其排放,从而大大缩减燃烧器的 设计和改进过程。这部分相关原理和模拟研究应成为今后研究方向。
  3结论
  1)根据Fluent对燃烧筒仿真(simulation)结果在ChemKin中建立了PSR等离子体管流反应器模型,对NO排放的 化学过程进行反应动力学模拟。
  2)结果显示各反应器NO浓度分布与温度分布和C
  O、O2、CO2各组分分布有直接关系,NO主要生成在反应(reaction)器4之后,且为燃料型NO。
  3)将不同生物质成型(Forming)燃料NO排放的 模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)结果与试验结果进行对比,两者得出相同的 变化趋势,棉秆成型颗粒的 结果有6%的 偏差,玉米秸秆和木质的 结果较为符合。
  4)不同过量空气系数下的 玉米秸秆模拟结果表明:在过量空气系数为1.7附近时,燃烧产生的 NO排放更高,体积分数为290×10-6;模拟结果与试验结果较为吻合。
  5)验证了选用ReactionDesign的 C2_NOx机理进行CFD和ChemKin联合仿真,可实现生物质能源颗粒NO排放预测,并具有较好的 性。
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