多孔介质燃烧-换热器NOx排放的二维数值研究

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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