PDF《基于化学动力学的生物质颗粒燃烧排放 NO 特性模拟与验证》

第32 卷第24 期农业工程学报Vol.

32 No.24

2016 年12 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec.

2016 255 基于化学动力学的生物质颗粒燃烧排放 NO 特性模拟与验证 刘婷洁,张学敏 ,林超群,李俊韬 (中国农业大学工学院,北京 100083) 摘要:为研究生物质颗粒燃料燃烧 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 Design C2_NOx 详细机理,对棉秆、玉米秸秆、木质

3 种生物质颗粒 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,证明了模型和化学反应机理的正确性,为生物质燃料燃烧 NO 排放的预测与控制提供参考. 关键词:生物质;

排放控制;

燃料;

NO;

化学动力学;

数值模拟 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.034 中图分类号:S216;

X511 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2016)-24-0255-06 刘婷洁, 张学敏, 林超群, 李俊韬. 基于化学动力学的生物质颗粒燃烧排放 NO 特性模拟与验证[J]. 农业工程学报, 2016, 32(24):255-260. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.034 http://www.tcsae.org Liu Tingjie, Zhang Xuemin, Lin Chaoqun, Li Juntao. Simulation and validation of NO emission characteristics of biomass pellet fuel combustion based on chemical kinetics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 255-260. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.034 http://www.tcsae.org

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,破坏臭氧层等.因此,针对生物质颗粒燃料的 NO 排放特性愈发成为研究热点. 国内外对生物质燃料 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 Mohon Roy[14] ,Evelyn Cardozo[15] , Gerhard Stubenberger[16] ,Takero Nakahara[17] 等均针对不同生 物质燃料 NO 排放进行了试验研究,然而试验研究花费 大、周期长,且不能直接解释 NO 生成机理,因此,采用 数值模拟方法研究生物质燃料燃烧 NO 排放规律及其生 成机理显得十分必要[18] . 收稿日期:2016-03-14 修订日期:2016-11-10 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2015GX003) ;

中国农业大 学教育基金会 大北农教育基金 资助项目(1071-2413003) . 作者简介:刘婷洁,女,河南洛阳人,主要从事生物燃料燃烧与排放方面的 研究.北京 中国农业大学工学院,100083.Email:[email protected]. 通信作者:张学敏,男,内蒙古呼市人,副教授,博士,硕士生导师,主 要从事生物质燃烧和排放方面的研究. 北京 中国农业大学工学院, 100083. Email:[email protected]. 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] ,而针对生物质燃料燃烧的并不多.本文采 用CFD 和ChemKin 联合仿真, 对生物质颗粒燃料 NO 排 放特性和机理进行研究.ChemKin 是由美国 Sandia 国家 实验室开发的大型气相化学反应动力学软件,是燃烧领 域普遍使用的模拟计算工具[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种生物质颗粒燃料 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 模型建立 1.1 Fluent 建模及网格划分 本文所采用的试验装置如图

1 所示,燃料器选用 Pellet Biocontrol

20 型生物质燃料器. 1.进水管 2.锅炉 3.燃烧器 4.进料机构 5.料仓 6.出水管 7.排烟管道 8.烟气/烟尘采样孔 1. Inlet pipe 2. Boiler 3. Burner 4. Feeding mechanism 5. Silo 6. Outlet pipe 7. Exhaust pipe 8. Fume/dust sampling openings 图1试验装置 Fig.1 Test unit 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2016 年256 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

20 kW (满载),通过风机来控制配风量.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

4 kg/h 的 入料速度进行燃烧试验. 风机入口风速控制为

6、

7、

8 m/s, 对应的空气量为 25.

92、30.

24、34.56 m3 /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]. 表1生物质挥发分组分 Table

1 Biomass volatile components 生物质 Biomass H2 CH4 C2H4 C2H6 CO2 CO 棉秆 Cotton stalk/%

35 9.5 3.7 0.1 23.7

28 玉米秸秆 Corn straw/% 24.2 16.2 5.4 0.5 19.3 34.4 木质 Wood/% 17.3 15.7

7 0.3 9.6

50 注:数据来源文献[27]. Note: Data were cited from reference[27]. 表23种燃料的理论烟气量 Table

2 Theoretical flue gas of three fuels 生物质 Biomass Cad/% Had/% Oad/% Nad/% Sad/% 空气量 Theoretical air volume/ (m3 ・kg-1 ) 理论烟气量 Theoretical flue gas volume/(N・m3 ) 木质 Wood 49.35 7.98 33.75 0.13 0.42 5.38 5.73 玉米秸秆 Corn straw 40.47 7.00 32.18 0.92 0.43 4.39 4.76 棉秆 Cotton stalk 40.77 7.04 33.58 1.16 0.50 4.38 4.77 利用 Fluent 对燃烧筒结构进行三维建模、网格划分 (如图

2 所示)及边界条件设置.在Mesh 中划分三维模 型的网格时,对流体区域分别选择四面体和六面体混合 网格,通过 Sweep、Patch、Conforming、Sizing、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

362 782,节点数为

65 584,平均网格畸变度为 0.233,最大网格畸变度为 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. 图2燃烧筒网格划分示意图 Fig.2 Combustion cylinder mesh division schematic 1.2 NOx 化学机理的选取 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........