基于甲醇燃燒數值模擬的爐膛結構優化

王振輝，孫曉婷，杜夢軒

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

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基于甲醇燃燒數值模擬的爐膛結構優化

王振輝，孫曉婷，杜夢軒

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

為對爐膛結構進行優化，研究了不同爐膛長徑比對甲醇燃燒室的溫度分布及甲醛污染物排放的影響。以700 kW甲醇鍋爐為例，對甲醇燃料的燃燒過程進行數值模擬，將在Chemkin中得到的甲醇燃燒動力學反應機理導入Fluent軟件中，并進行模擬分析。結果表明，爐膛最佳長徑比為0.41時燃燒室內的燃燒最穩定，甲醛排放量達到最低值。

燃燒學；甲醇；鍋爐；爐膛；溫度分布；甲醛

為了緩解能源危機，尋求清潔可替代燃料的工作刻不容緩。甲醇是一種清潔含氧燃料，具有廣闊的應用前景[1]。同時，研究表明，醇類燃料是適合中國國情的可替代燃料[2]。與汽油、柴油相比，甲醇辛烷值較高，抗爆性好，并且火焰傳播速度快；較高的含氧特性使燃燒更加充分，污染物相對較少，有利于提高燃燒效率，降低污染；同時較高的氣化潛熱有利于降低燃燒最高溫度，提高工質密度[3-5]。甲醇的缺點是十六烷值低，著火性能差，不易壓燃也不易被點燃；熱值相對汽油、柴油要低，在燃燒前必須進行霧化，細化液滴[6-8]。以甲醇為燃料的鍋爐雖然價格低廉，清潔環保，但熱值低，短時間內可能存在供能不足的情況，難以滿足生產的需要。

目前，國內外許多學者的研究主要集中在甲醇和其他燃料的混合燃燒中[9]，而對于單純的甲醇燃料的噴霧和燃燒的數值模擬方面的研究較少。因此，借助Fluent軟件針對鍋爐爐膛長徑比對甲醇鍋爐的影響進行了對比模擬研究，以期為爐膛結構優化提供參考。

1 甲醇鍋爐物理模型

700 kW甲醇鍋爐的燃燒系統如圖1所示，燃燒室為圓柱形結構，爐膛直徑為D，長度為L，空氣進口直徑為0.25 m，其中，燃料噴嘴選Fluent自帶的壓力旋流霧化噴嘴，噴霧錐角為40°，噴射壓力設為1 MPa，甲醇噴嘴直徑為0.005 mm，燃料從中心噴出。

圖1 甲醇鍋爐的燃燒系統Fig.1 Combustion system of methanol boiler

2 數值模擬方法

2.1 建立數學模型

本文選擇標準k-ε模型。標準k-ε模型假定流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略[10-11]；非預混燃燒模型可以預測中間組分的生成，但在預測甲醇氧化的過程中并沒有預測到甲醛污染物的生成，所以選擇通用有限速率模型的EDC模型，它詳細地考慮了各種化學反應[12]；選擇DO輻射模型，它允許在輻射過程中包含有離散的第二相顆粒的影響[13]；壓力旋流霧化噴嘴因結構簡單、耗能少、霧化質量好，得到廣泛的應用[14]。

基于有限體積法用壓力基求解器求解方程，采用一階精度迎風差分離散格式，通過SIMPLE算法對壓力、速度進行耦合。在模擬計算的過程中，先采用一階定常隱式格式求解連續相；得到穩定的連續相流場后，接著再加入離散相DPM模型；離散相和連續相進行耦合求解，在連續相對離散相產生影響的同時，離散相也對連續相有一定的影響，對離散相和連續相進行交替求解，直到二者均收斂，這樣就實現了耦合計算；選用Pressure-swirl-atomizer霧化模型，定義噴射源，顆粒類型選擇droplet[15-16]。

2.2 網格敏感性分析

為了確保模擬計算結果的穩定性，需要對數值模擬結果進行網格敏感性分析。以爐膛長度為1.95 m、直徑為0.8 m的甲醇鍋爐為例，劃分網格為151 300，201 320，271 186，351 550，412 600等5種情況并進行模擬得到計算結果收斂所需的時間。圖2為網格數對收斂時間的影響曲線，從圖2中可以看出，收斂時間隨著網格數量增加趨于同一個結果，誤差在可接受范圍內，故選取27萬左右的網格來進行計算，達到網格無關性要求。

圖2 網格數對收斂時間的影響曲線Fig.2 Influence curve of grid number on convergence time

2.3 網格劃分及邊界條件選取

利用Gambit軟件建立幾何模型并進行網格劃分，劃分結果如圖3所示。為了提高網格質量，將模型分割成兩部分，然后進行網格劃分，分割后相鄰區域之間交界面處的流動可以相互傳遞，噴嘴部分采用六面體/契形非結構化網格，爐膛部分采用四面體/混合非結構化網格。入口邊界條件：連續相設置為速度入口，空氣流速為15 m/s，離散相選擇壓力旋流霧化模型噴射液滴，燃料的質量流量為0.04 kg/s，進口燃料溫度為300 K。出口邊界條件：設置為壓力出口。壁面邊界條件：對連續相，在固體壁面施加速度無滑移固體邊界條件，設置壁面溫度為343 K，對離散相，顆粒與壁面碰撞時發生彈性反射，恢復系數為1。

圖3 甲醇鍋爐的網格模型Fig.3 Mesh of methanol boiler

為了方便使用Fluent軟件對甲醇鍋爐燃燒過程進行數值模擬，做出如下假設[17-20]：

1)不考慮燃料與氧化劑的混合過程。

2)不考慮離散相顆粒之間的相互作用。

3)流動認為是完全湍流。

4)燃燒過程中的氣體被看作理想氣體，不考慮空氣的壓縮性。

3 模擬結果與分析

3.1 不同爐膛長度對溫度和出口甲醛濃度的影響

由圖4可以看出，隨著爐膛長度的增加，爐膛內的最高溫度也增加，并且平均溫度也呈現出上升的趨勢，這主要是因為甲醇燃料的燃燒更加完全，并且爐膛長度大于1.95 m后最高溫度和平均溫度的增加速度變大；爐膛出口平均溫度隨著爐膛長度的增加逐漸降低，這主要是因為爐膛長度的增加使散熱量增加，并且當爐膛長度大于1.95 m后溫度降低速度緩慢。這說明隨著爐膛長度的增加，爐膛內的燃燒狀況得到很大程度的改善，并且溫度分布趨向均勻。t1為爐膛最高溫度和平均溫度的差值，t2為最高溫度和出口溫度的差值。從圖中可以看出，隨著爐膛長度的增加，t1逐漸降低但降低速度緩慢，t2逐漸增加并且當爐膛長度大于1.95 m時增加速度變慢。這是由于爐膛長度的增加，促使爐膛內各組分的混合更加充分，并且延緩了甲醇燃料的燃燒放熱過程，同時煙氣回流促使爐膛溫度分布變得更均勻，擴大了燃料燃燒區域，這說明增加爐膛長度有利于爐膛內的燃料燃燒。

圖4 不同爐膛長度的溫度曲線圖Fig.4 Temperature curve image at different furnace lengthes

圖5 不同爐膛長度時出口甲醛濃度曲線圖Fig.5 Export CH2O concentration curve image at different furnace lengthes

圖5為不同爐膛長度時出口甲醛的濃度曲線圖。從圖5可以看出，出口甲醛濃度隨著爐膛長度的增加而降低，并且在爐膛長度大于1.95 m后甲醛濃度降低速度變小，這主要是因為甲醛的生成和爐膛內的溫度分布有關，爐內溫度越高，甲醛生成越少，相反，爐內溫度越低，甲醛生成增加。

3.2 不同爐膛直徑對溫度和出口甲醛濃度的影響

由于爐膛呈對稱分布，所以取Z=0截面來觀察爐膛內的溫度分布，圖6為不同爐膛直徑時的溫度分布云圖，從圖中可以看出，隨著爐膛直徑的增加，即爐膛長徑比的增加，爐膛局部高溫區越來越小，溫度波動逐漸變小，整個爐膛溫度分布更加均勻。

圖6 不同爐膛直徑的溫度分布云圖Fig.6 Temperature contours at different furnace diameters

圖7為不同爐膛直徑的溫度曲線圖。由圖7可知，燃燒室的最高溫度、平均溫度、出口溫度均隨著爐膛直徑的增加逐漸減小，這是由于燃燒室直徑變大，燃燒空間變大。t3為最高溫度與出口溫度差，t4為最高溫度與平均溫度差。由圖7可知，爐膛直徑在0.8 m之前，t3，t4均降低，而在0.8 m之后，t3，t4均有增加的趨勢。可以看出爐膛直徑的增加有利于降低爐膛最高溫度，避免局部高溫區，但爐膛直徑不宜過度增加。

圖7 不同爐膛直徑的溫度曲線圖Fig.7 Temperature profile of different furnace diameters

圖8為不同爐膛直徑的出口甲醛濃度曲線圖。由圖8可知，隨著爐膛直徑的增加，出口甲醛濃度不斷增加，在直徑大于0.8 m后甲醛濃度增加速度變大。這主要是因為甲醛的生成和爐膛內的溫度分布相關，爐內溫度越高，甲醛生成越少，相反，爐內溫度越低，甲醛生成增加。

圖8 不同爐膛直徑的出口甲醛濃度曲線圖Fig.8 Export CH2O concentration image at different furnace diameters

4 結 論

1)隨著爐膛長度的增加，爐內最高溫度和平均溫度均增加，爐膛出口平均溫度降低，爐膛長度為1.95 m時是爐內溫度增加速度的一個轉折點，此時爐內溫度維持在一個較高的水平，出口甲醛濃度相對最低。

2)隨著爐膛直徑的增加，爐內最高溫度、平均溫度和出口溫度均降低，爐膛直徑為0.8 m時，溫度波動最小，出口甲醛濃度相對最低。

3)甲醇鍋爐的爐膛最佳長徑比為0.41，此時燃燒室內的燃燒最穩定，溫度分布最均勻，甲醛排放量相對最低。

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Structure optimization of boiler furnace based on methanol combustion numerical simulation

WANG Zhenhui, SUN Xiaoting, DU Mengxuan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to study the influence of different ratio of length and diameter of chamber to the temperature distribution of methanol combustion and the emission of formaldehyde pollutants, taking methanol boiler of 700 kW as example, the combustion process of methanol fuel is numerically simulated, then the reaction methanism of methanol combustion kinetics obtained from Chemkin is imported into Fluent, and the simulation analysis is conducted. The results show that when the ratio of length and diameter of chamber is 0.41, the combustion in the chamber is most stable, and the emission of formaldehyde is the lowest.

combustion science; methanol; boiler; furnace; temperature distribution; formaldehyde

1008-1534(2016)06-0491-05

2016-07-03;

2016-08-01；責任編輯：馮 民

王振輝(1960—)，男，河北深州人，教授，碩士生導師，主要從事高效傳熱傳質與節能、空調與制冷節能技術等方面的研究。

E-mail:zhenhuiwang@126.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06009

王振輝，孫曉婷，杜夢軒.基于甲醇燃燒數值模擬的爐膛結構優化[J].河北工業科技,2016,33(6):491-495. WANG Zhenhui, SUN Xiaoting, DU Mengxuan.Structure optimization of boiler furnace based on methanol combustion numerical simulation[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):491-495.