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时间:2019-06-17
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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号:094010多孔介质燃烧-换热器NOx排放的二维数值研究*史俊瑞1,解茂昭2,徐有宁1,马金凤1,薛治家1(1.沈阳工程学院沈阳市循环流化床燃烧技术重点试验室沈阳1101362.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024)(Tel:024-31975539,Email:shijunrui2002@163.com)摘要通过二维单温模型,考虑甲烷燃烧的详细化学反应机理,数值研究多孔介质燃烧-换热器内的燃烧、传热和氮氧化物排放规律。研究主要工作参数过量空气系数和功率对氮氧化物排放的影响。结果表明,过量空气系数和功率对氮
2、氧化物排放有显著的影响。功率一定时,随过量空气系数的增大,燃烧区域温度降低,氮氧化物的排放减少。随着功率的增大,NO的排放呈线性增长。在过量空气系数为0.292,功率为17.5~55Kw的范围内,NO为0.14~30ppm。数值计算结果的有效性通过实验进行了验证。关键词:多孔介质;燃烧-换热器;氮氧化物0引言将多孔介质燃烧器和换热器集成于一体的多孔介质燃烧-换热器,具有热效率高、污染物排放低和功率调节范围宽等显著优点[1-4]。德国Erlangen大学的Trimis和Durst[1]设计了两台多孔介质燃烧-换热器,负荷调节范围分别达到1:10和1:20,过量空
3、气系数为1.1~1.8,热负荷达到1.7~33MW/m3,烟气中CO含量小于10ppm,NOx含量2~20ppm。Xiong等[2]实验研究了60KW的多孔介质燃烧-换热器的稳定性、热效率和污染物排放等。为了最大限度回收燃烧器出口蓄积的热量,研究者又提出了往复流多孔介质燃烧-换热器,即预混气体往复流动,换热器布置在燃烧器的中间[3-4]或两端位置[5-6]。Contarin等[6]的研究表明,往复流多孔介质燃烧-换热器的热效率可以达到80%~90%,尾气中NOx和CO的浓度分别低于1和0.5ppm。Malico等[7]将文献[1]的换热器螺旋形盘管所在空间整体
4、简化为换热器区域,应用二维模型和骨架机理研究了燃烧器内的燃烧和污染物的形成。Malico等预报的氮氧化物排放与实验取得了定性的一致,但在定量上差距很大,预报的氮氧化物是实验值的两倍以上。Contarin等[7]通过一维双温模型,考虑气体弥散效应和热损失,将甲烷燃烧简化为单步总包反应,研究了燃烧器-换热器的热效率,但没有考虑系统的压力损失,也没有报道氮氧化物。Mohamad[8]等使用一维模型和甲烷燃烧的单步反应机理,研究了换热器布置和多孔介质性质等对多孔介质燃烧-换热器热效率的影响。基金项目:辽宁省教育厅科学研究计划资助(2008491),辽宁省博士启动基金(
5、20081073),国家自然科学基金资助项目(50476073)项目(50076005,50476073)国内对多孔介质燃烧-换热器的研究非常薄弱。据笔者了解,只有浙江大学程乐鸣研究组[9]和史俊瑞等[10]开展了该方面的研究。文献[9]开发了渐变型多孔介质燃烧-换热器,研究了燃烧器内的换热和污染物排放。文献[10]使用单步反应机理,通过数值计算研究了多孔介质燃烧-换热器的流动、传热和燃烧。实际上,集新型燃烧、换热技术于一体的多孔介质燃烧内的流动、传热和燃烧机理还远未揭示出来,同时相应产品开发和设计,尚需要大量的研究工作。本文以文献的实验装置[2]为原型,建立
6、二维单温模型,考虑换热器的具体形式和甲烷燃烧的详细机理,主要分析燃烧-换热器内的氮氧化物的排放特性。模型的有效性通过实验进行验证。1数值模拟1.1问题描述为控制计算成本并考虑到实验装置[2]的对称性,只取其中一部分代表整个二维平面作为计算区域,其余部分关于y=0和y=12.7mm两侧对称,如图1所示。燃烧器内填充了直径为6mm的耐高温氧化铝小球,燃烧器的下游嵌入两根直径为12.7mm的换热管,本文称为第一和第二排换热管。而在入口处嵌入直径较小的隔火管(防止回火),用以将燃烧区控制在隔火管的下游处。必须指出的是,文献对隔火管的结构和位置未作说明,本文经过试算并与
7、实验结果相比较,最终确定了该管的尺寸(直径6mm)和位置。图1多孔介质燃烧-换热器示意图1.2控制方程为简化起见,作如下假设:混合气体为理想气体,其在多孔介质中的流动为层流;多孔介质为光学厚介质;气体的辐射相对于多孔介质固体可以忽略;采用单温模型,认为气固两相处于当地热平衡;填充床简化为均匀连续介质,不考虑第一排、第二排换热管和隔火管的边璧效应。基于上述假设,得到:连续性方程:(1)x方向动量方程:(2)y方向动量方程(3)能量守恒方程:(4)组分守恒方程:(5)式中v是速度矢量,,u,v,分别为气体的密度、比热容、横向速度(x方向速度)、纵向速度(y方向速度
8、)和粘度。Yi是混合物中第i种组分的质
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