环保处理机的加热炉仿真模拟研究

2015-12-26杜建蓉张志诚

中国设备工程 2015年1期

关键词：加热炉甲烷流场

杜建蓉张志诚

（1.北京航空航天大学，北京 110191；2.东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000）

环保处理机的加热炉仿真模拟研究

杜建蓉1张志诚2

（1.北京航空航天大学，北京 110191；2.东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000）

基于某环保企业生物处理机中加热炉的尺寸建立几何模型，并根据实际参数设置燃烧组分及其他条件，选取可实现湍流模型及有限速率、涡流耗散模型对加热炉进行数值模拟，模拟结果表明：受火焰影响，加热炉中心处温度高于周围，速度较大，结构有待优化。

加热炉；数值仿真；温度分布

某环保企业的餐厨垃圾处理机属于“资源型”，即依靠添加高效菌种发酵将餐厨垃圾变成有机肥料和饲料，使其资源化。影响微生物的活性及反应的主要因素是温度和水分。加热炉燃烧甲烷产生的热气体传导传热是处理机的主要加热方式。加热炉由燃烧风机、耐火筒组成的花墙及炉体3部分组成。该设备采用完全预混式燃烧器，实现燃气和空气的全部预混，并使其在加热炉内表面内完全燃烧。由于燃烧风机结构复杂，且预混气体进入加热炉后完全燃烧，遂简化燃烧模型，省略燃烧风机，仅保留加热炉的进气口。耐火筒由固定架固定，放置在距加热炉进气口约1.5m处，用于促进并稳定燃烧，均匀气体分布，使炉内气体充分接触。

图1 简化模型图

目前国内餐厨垃圾处理机的加热方式主要有3种：第一种为电热，对分布于不同位置的电阻通电，通过热传导加热，适合小型设备；第二种是应用太阳能及微波辐射等新能源提供高温条件，有待推广应用；第三种是通过加热炉燃气产生热气体，依靠热传导或对流方式提供热量，适宜大型处理设备，技术操作上可借鉴其他设备的加热炉。本文所研究加热炉为燃气加热，通过对实际加热炉结构的简化建模、CFD分析，研究加热炉内流场的分布情况，方便后续优化结构，提高热效率。

一、建立模型

1.几何模型

对处理机中加热炉进行建模，简化模型如图1所示。燃烧器简

化为圆形预混气体入口，忽略固定架对燃烧流场的影响，只保留耐火筒。加热炉总长2.6m，进气口直径72mm，耐火筒长200mm，材料为刚玉管，内半径25mm，外半径为42mm，材料参数参考《传热和传质基本原理》进行设定，排布方式如图2所示。

表1 燃烧方程参数

图2 刚玉管排布

表2 出入口边界条件

2.网格划分

应用ICEM分区域划分网格。由于耐火筒排布相切，结构复杂，单独划分1个区域用非结构网格划分，其前后的流场均用结构网格分别划分。再将生成的3部分网格合并，网格数量89万。相比只用非结构网格，网格质量提高，数量减少，精确度和效率均提高。

3.数学模型

燃烧是包含激烈化学反应的湍流流动，遵守质量、组分、动量和能量的守恒定律，应用流体力学的基本控制方程描述燃烧过程。包括连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。湍流模型选择可实现湍流模型，燃烧模型选取有限速率、涡流耗散模型，辐射模型选择P1辐射模型。初始化时，先计算冷流场，再针对预混气体入口处部分加高温点火。

4.计算参数

燃烧选择甲烷氧气两步反应，燃烧方程参数详见表1，边界条件参数详见表2。操作压强定义为大气压。

不同材料参数设置如下。

（1）甲烷空气两步反应混合物

密度：理想气体(ideal-gas)；比热容：混合法则(mixing-law)；吸收系数：灰气体加权平均模型(wsggm-domain-based)。

由于燃烧产物为气体，颗粒产物忽略不计，所以散射折射均忽略不计。其他参数的设置均默认。

（2）单独气体材料设置

将的比热容设置为随温度改变的多段多项式(piecewise-polynomial)，多项式的系数值默认即可，其他气体设置与其相同。

（3）固体材料设置

创建新的固体材料，选择材料铝，更改其化学方程式为氧化铝，更改其密度、比热容及热导率使其与耐火筒材料刚玉相符，参数参考《传热和传质基本原理》设置。边界条件中，传热条件选择热通量，热通量损失为0，辐射系数为0.85，其他设置默认。加热炉的其他炉墙部分选择默认材料铝，参数默认。边界条件中，传热条件同样选择热通量，热通量损失为883W/m2，辐射系数为0.7，其他默认。

二、数值模拟结果分析

1.烟气浓度分布

为了更近似模拟燃烧工况，甲烷空气预混气体采用两步反应，生成中间产物CO，CO与O2反应生成CO2。模拟结果如图3所示，甲烷质量浓度在中间预混气体流入区域最高，随着反应进行沿中间向外部迅速减少，沿周围区域分布均匀，稳定在0.2%，近似完全燃烧。同理，由于反应为预混燃烧，迅速燃烧，氧气质量浓度从中间区域向四周逐渐降低直至稳定在1.5%。为使燃料完全燃烧，预混气体中，空气过量配比。CO质量浓度分布随着向外扩散的燃烧区域先增大后降低，符合甲烷与氧气的两步反应过程：第一步反应生成CO，第二步反应生成CO2。CO2质量浓度从中间燃烧区域向四周逐渐增大并稳定在14.5%，分布均匀。综合分析，中心区域为火焰燃烧区域，反应剧烈，燃烧完全。

图3 Y=0轴线截面处烟气浓度分布

计算结果中出口处各组分质量浓度分布均匀，反应完全。计算结果中甲烷质量浓度为0，氧气质量浓度为0.2%，CO2质量浓度14.9%，CO质量浓度0。实际加热炉出口处质量浓度为：甲烷质量浓度0.2%，氧气质量浓度0.01%，CO2质量浓度14.5%，CO质量浓度0.2%。通过与实际的对比可知，甲烷与氧气反应并未燃烧完全，有些误差，但总体上燃烧情况吻合，误差在可接受范围。

2.温度分布

如图4所示，温度沿着中心区域先升高后降低，在高温气体通过耐火筒后，温度逐渐降低并分布均匀。火焰燃烧最高温度达到2100K，温度稳定于1550K左右。燃烧中心区域受预混气流影响温度逐渐升高，气流周围区域迅速升温至最高温，耐火筒前端温度分布有很强的不均匀性。由上述分析可知，虽燃烧完全且火焰长度未及耐火筒位置，但温度均匀并达到稳定，需要强化传热，优化结构，使热气体通过耐火筒后辐射均匀，以便后续在加热炉底面、反应仓上部添加辐射传热。出口温度分布如图5所示，出口温度分布均匀，平均温度为1550K左右，高于实际出口温度1500K。造成这一现象的原因：其一是周围壁面散失热量多于设置的参考值；其二是实际燃烧中，即使预混燃料，也并不能达到理想的完全燃烧，高温条件下易产生氮氧化物，消耗氧气，即产生的热量小于近似完全燃烧的热量；其三，该处理机结构复杂，为了便于简化，忽略了一些设施对加热炉的影响，比如某些部分的测温管道设备，也会存在少量热量散失；其四，对于燃烧风机的省略，直接由进气口代替，也对温度造成一定影响。实际温度与计算温度误差小于5%，该计算模拟结果相对准确。

图4 Y=0轴线截面处温度分布

图5 出口处温度分布

3.火焰形状

图6为加热炉燃烧的火焰形状，由于进气口位于中轴线上，预混气体垂直表面送入。即该火焰位于燃烧炉正中位置，近似呈锥状，避免高温火焰燃烧壁面炉衬。

图6 流场中火焰形状

4.流场分布

结合图7及图8中Y=0截面速度场及烟气流线图分析加热炉的流场分布。预混气体流入流场内的中心区域速度为45m/s左右，由于燃烧反应迅速进行，沿着中心区域向燃烧火焰外速度迅速减小。耐火筒对于气流的阻碍明显，在耐火筒后的流场速度逐渐降至5m/s以下。观察流线图可知，热气流流过耐火筒区,由于拐弯进入另一侧流场，在耐火筒一侧外角产生部分零速度区。且流线疏密分布与速度分布基本相符，越靠近出口侧的外侧面流线越密集，有向外挤压趋势。

三、结论

数值模拟方法，可以高度近似地模拟此加热炉的内流场情况。采用此方式可以定性分析并对比优化方案。圆筒型耐火筒以相切形式堆砌，使热流流过耐火筒时从相切的小孔及中空部分流过。这种结构的好处是能够增强辐射换热，使气体与耐火筒充分接触，增加对流场的扰动，使燃烧迅速完成。通过模拟计算对比实际数据可知，误差主要由于未能完全燃烧，但所占比例很小，可忽略不计。同时，如果需要利用壁面温度辐射传热，还应改进耐火筒结构，使热气体通过耐火筒后温度分布均匀。