環保處理機的加熱爐仿真模擬研究

杜建蓉張志誠

（1.北京航空航天大學，北京 110191；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

環保處理機的加熱爐仿真模擬研究

杜建蓉1張志誠2

（1.北京航空航天大學，北京 110191；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

基于某環保企業生物處理機中加熱爐的尺寸建立幾何模型，并根據實際參數設置燃燒組分及其他條件，選取可實現湍流模型及有限速率、渦流耗散模型對加熱爐進行數值模擬，模擬結果表明：受火焰影響，加熱爐中心處溫度高于周圍，速度較大，結構有待優化。

加熱爐；數值仿真；溫度分布

某環保企業的餐廚垃圾處理機屬于“資源型”，即依靠添加高效菌種發酵將餐廚垃圾變成有機肥料和飼料，使其資源化。影響微生物的活性及反應的主要因素是溫度和水分。加熱爐燃燒甲烷產生的熱氣體傳導傳熱是處理機的主要加熱方式。加熱爐由燃燒風機、耐火筒組成的花墻及爐體3部分組成。該設備采用完全預混式燃燒器，實現燃氣和空氣的全部預混，并使其在加熱爐內表面內完全燃燒。由于燃燒風機結構復雜，且預混氣體進入加熱爐后完全燃燒，遂簡化燃燒模型，省略燃燒風機，僅保留加熱爐的進氣口。耐火筒由固定架固定，放置在距加熱爐進氣口約1.5m處，用于促進并穩定燃燒，均勻氣體分布，使爐內氣體充分接觸。

圖1 簡化模型圖

目前國內餐廚垃圾處理機的加熱方式主要有3種：第一種為電熱，對分布于不同位置的電阻通電，通過熱傳導加熱，適合小型設備；第二種是應用太陽能及微波輻射等新能源提供高溫條件，有待推廣應用；第三種是通過加熱爐燃氣產生熱氣體，依靠熱傳導或對流方式提供熱量，適宜大型處理設備，技術操作上可借鑒其他設備的加熱爐。本文所研究加熱爐為燃氣加熱，通過對實際加熱爐結構的簡化建模、CFD分析，研究加熱爐內流場的分布情況，方便后續優化結構，提高熱效率。

一、建立模型

1.幾何模型

對處理機中加熱爐進行建模，簡化模型如圖1所示。燃燒器簡

化為圓形預混氣體入口，忽略固定架對燃燒流場的影響，只保留耐火筒。加熱爐總長2.6m，進氣口直徑72mm，耐火筒長200mm，材料為剛玉管，內半徑25mm，外半徑為42mm，材料參數參考《傳熱和傳質基本原理》進行設定，排布方式如圖2所示。

表1 燃燒方程參數

圖2 剛玉管排布

表2 出入口邊界條件

2.網格劃分

應用ICEM分區域劃分網格。由于耐火筒排布相切，結構復雜，單獨劃分1個區域用非結構網格劃分，其前后的流場均用結構網格分別劃分。再將生成的3部分網格合并，網格數量89萬。相比只用非結構網格，網格質量提高，數量減少，精確度和效率均提高。

3.數學模型

燃燒是包含激烈化學反應的湍流流動，遵守質量、組分、動量和能量的守恒定律，應用流體力學的基本控制方程描述燃燒過程。包括連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程。湍流模型選擇可實現湍流模型，燃燒模型選取有限速率、渦流耗散模型，輻射模型選擇P1輻射模型。初始化時，先計算冷流場，再針對預混氣體入口處部分加高溫點火。

4.計算參數

燃燒選擇甲烷氧氣兩步反應，燃燒方程參數詳見表1，邊界條件參數詳見表2。操作壓強定義為大氣壓。

不同材料參數設置如下。

（1）甲烷空氣兩步反應混合物

密度：理想氣體(ideal-gas)；比熱容：混合法則(mixing-law)；吸收系數：灰氣體加權平均模型(wsggm-domain-based)。

由于燃燒產物為氣體，顆粒產物忽略不計，所以散射折射均忽略不計。其他參數的設置均默認。

（2）單獨氣體材料設置

將的比熱容設置為隨溫度改變的多段多項式(piecewise-polynomial)，多項式的系數值默認即可，其他氣體設置與其相同。

（3）固體材料設置

創建新的固體材料，選擇材料鋁，更改其化學方程式為氧化鋁，更改其密度、比熱容及熱導率使其與耐火筒材料剛玉相符，參數參考《傳熱和傳質基本原理》設置。邊界條件中，傳熱條件選擇熱通量，熱通量損失為0，輻射系數為0.85，其他設置默認。加熱爐的其他爐墻部分選擇默認材料鋁，參數默認。邊界條件中，傳熱條件同樣選擇熱通量，熱通量損失為883W/m2，輻射系數為0.7，其他默認。

二、數值模擬結果分析

1.煙氣濃度分布

為了更近似模擬燃燒工況，甲烷空氣預混氣體采用兩步反應，生成中間產物CO，CO與O2反應生成CO2。模擬結果如圖3所示，甲烷質量濃度在中間預混氣體流入區域最高，隨著反應進行沿中間向外部迅速減少，沿周圍區域分布均勻，穩定在0.2%，近似完全燃燒。同理，由于反應為預混燃燒，迅速燃燒，氧氣質量濃度從中間區域向四周逐漸降低直至穩定在1.5%。為使燃料完全燃燒，預混氣體中，空氣過量配比。CO質量濃度分布隨著向外擴散的燃燒區域先增大后降低，符合甲烷與氧氣的兩步反應過程：第一步反應生成CO，第二步反應生成CO2。CO2質量濃度從中間燃燒區域向四周逐漸增大并穩定在14.5%，分布均勻。綜合分析，中心區域為火焰燃燒區域，反應劇烈，燃燒完全。

圖3 Y=0軸線截面處煙氣濃度分布

計算結果中出口處各組分質量濃度分布均勻，反應完全。計算結果中甲烷質量濃度為0，氧氣質量濃度為0.2%，CO2質量濃度14.9%，CO質量濃度0。實際加熱爐出口處質量濃度為：甲烷質量濃度0.2%，氧氣質量濃度0.01%，CO2質量濃度14.5%，CO質量濃度0.2%。通過與實際的對比可知，甲烷與氧氣反應并未燃燒完全，有些誤差，但總體上燃燒情況吻合，誤差在可接受范圍。

2.溫度分布

如圖4所示，溫度沿著中心區域先升高后降低，在高溫氣體通過耐火筒后，溫度逐漸降低并分布均勻。火焰燃燒最高溫度達到2100K，溫度穩定于1550K左右。燃燒中心區域受預混氣流影響溫度逐漸升高，氣流周圍區域迅速升溫至最高溫，耐火筒前端溫度分布有很強的不均勻性。由上述分析可知，雖燃燒完全且火焰長度未及耐火筒位置，但溫度均勻并達到穩定，需要強化傳熱，優化結構，使熱氣體通過耐火筒后輻射均勻，以便后續在加熱爐底面、反應倉上部添加輻射傳熱。出口溫度分布如圖5所示，出口溫度分布均勻，平均溫度為1550K左右，高于實際出口溫度1500K。造成這一現象的原因：其一是周圍壁面散失熱量多于設置的參考值；其二是實際燃燒中，即使預混燃料，也并不能達到理想的完全燃燒，高溫條件下易產生氮氧化物，消耗氧氣，即產生的熱量小于近似完全燃燒的熱量；其三，該處理機結構復雜，為了便于簡化，忽略了一些設施對加熱爐的影響，比如某些部分的測溫管道設備，也會存在少量熱量散失；其四，對于燃燒風機的省略，直接由進氣口代替，也對溫度造成一定影響。實際溫度與計算溫度誤差小于5%，該計算模擬結果相對準確。

圖4 Y=0軸線截面處溫度分布

圖5 出口處溫度分布

3.火焰形狀

圖6為加熱爐燃燒的火焰形狀，由于進氣口位于中軸線上，預混氣體垂直表面送入。即該火焰位于燃燒爐正中位置，近似呈錐狀，避免高溫火焰燃燒壁面爐襯。

圖6 流場中火焰形狀

4.流場分布

結合圖7及圖8中Y=0截面速度場及煙氣流線圖分析加熱爐的流場分布。預混氣體流入流場內的中心區域速度為45m/s左右，由于燃燒反應迅速進行，沿著中心區域向燃燒火焰外速度迅速減小。耐火筒對于氣流的阻礙明顯，在耐火筒后的流場速度逐漸降至5m/s以下。觀察流線圖可知，熱氣流流過耐火筒區,由于拐彎進入另一側流場，在耐火筒一側外角產生部分零速度區。且流線疏密分布與速度分布基本相符，越靠近出口側的外側面流線越密集，有向外擠壓趨勢。

三、結論

數值模擬方法，可以高度近似地模擬此加熱爐的內流場情況。采用此方式可以定性分析并對比優化方案。圓筒型耐火筒以相切形式堆砌，使熱流流過耐火筒時從相切的小孔及中空部分流過。這種結構的好處是能夠增強輻射換熱，使氣體與耐火筒充分接觸，增加對流場的擾動，使燃燒迅速完成。通過模擬計算對比實際數據可知，誤差主要由于未能完全燃燒，但所占比例很小，可忽略不計。同時，如果需要利用壁面溫度輻射傳熱，還應改進耐火筒結構，使熱氣體通過耐火筒后溫度分布均勻。

圖7 Y=0截面速度場

圖8 煙氣流線分布圖

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