詆氧燃燒是高溫空氣燃燒技術(shù)的核心內(nèi)容之一，具有火焰體積成倍擴大、火焰溫度場分布均勻、低NO。排放等顯著優(yōu)點‘1]．由燃燒理論可知，當(dāng)采用較高溫度的助燃空氣時，穩(wěn)定燃燒所需的氧濃度較低舊，因此實現(xiàn)低氧燃燒的前提是必須先將助燃空氣預(yù)熱到較高昀溫度。
工業(yè)中為實現(xiàn)低氧燃燒，常用的措施有:①低空氣過剩系數(shù)，燃燒區(qū)域的氧濃度依舊很南而且潛力有限②二次供風(fēng)避免了高溫區(qū)集中，NO。的排放濃度顯著降低[ 4_a，但整個爐膛中氧濃度和常規(guī)燃燒差不多，并且這種生物質(zhì)燃燒機體積龐大，成本較高，③高速射流采用高速燒嘴，使?fàn)t內(nèi)大量燃燒產(chǎn)物回流，稀釋燃燒區(qū)的氧濃度，在保證高的噴出速度時極難兼顧煙氣的順利排出，而且卷吸的煙氣往往只是和射流邊界上的部分空氣進行混合，實際大部分燃燒區(qū)域氧濃度依然很高并不能很好地實現(xiàn)低氧燃燒[ 61．④煙氣再循環(huán)，即利用爐外排煙來稀釋空氣中氧濃度7]，由于風(fēng)機不能承受高溫，導(dǎo)致蓄熱體用量增多和管路復(fù)雜，只適合在小型爐窯上利用，為了能更好地實現(xiàn)低氧燃燒技術(shù)，最好能開發(fā)出可以自身組織爐膛中煙氣循環(huán)來沖淡空氣中氧含量的生物質(zhì)燃燒機。
1煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機的開發(fā)
為了克服以上一些低氧燃燒技術(shù)的缺點，本文考慮采用燒嘴磚來組織爐內(nèi)煙氣的回流，使助燃空氣在燒嘴磚中就和煙氣充分混合，為此提出將收縮擴張結(jié)構(gòu)用于生物質(zhì)燃燒機的空氣通道升發(fā)出了煙夏德宏等:煙氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機燃燒過程的數(shù)值模擬氣自循環(huán)式低氧生物質(zhì)燃燒機。
由伯努力方程可知，在位勢能不變的情況下，動能和壓力能互相轉(zhuǎn)化，所以空氣經(jīng)過縮放通道的喉部時壓力能向動能轉(zhuǎn)化，在此形成負(fù)壓區(qū)，由于喉部有一個側(cè)通道與爐膛連通，因此當(dāng)助燃空氣通過縮放通道喉部時能卷吸大量的煙氣，這樣可使噴嘴噴出的壓縮氣體與其誘導(dǎo)的氣流充分混合，保證助燃空氣在燃燒之前就被稀釋到較低的氧含量。
2 燃燒過程數(shù)值模擬
2.1物理模型及網(wǎng)格劃分
物理模型如圖2所示，選取爐膛大小為2000 mmX2 000m mX5 000 mm，生物質(zhì)燃燒機居中布置，生物質(zhì)燃燒機對面為煙氣出口，使用GAM BIT軟件對上述模型進行網(wǎng)格劃分，對于規(guī)則的爐膛采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，以加快數(shù)值模擬計算的速度和精度，對于不太規(guī)則的生物質(zhì)燃燒機，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，在網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT后需要光順網(wǎng)格并交換單元面，以此改善岡格的質(zhì)量。
2.2數(shù)學(xué)模型及方程離散
本文模擬采用的數(shù)學(xué)模型如下
(1)輻射換熱模型- P-1模型．P-l輻射模型是P-N模型中最筒單的類型，其出發(fā)點是把輻射強度展開為正交的球諧函數(shù)。
(2)流動模型——雙方程模型，雙方程模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理、數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的闡，該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。
(3)燃燒模型-PDF模型，守恒標(biāo)量的PDF模型僅適用于擴散燃燒問題，該方法假定了反應(yīng)是受混合速率控制，即反應(yīng)已達到化學(xué)平衡狀態(tài)，每個單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強度所控制，該方法通過求解混合物分?jǐn)?shù)及其方差的輸運方程獲得組分和溫度場，而不是直接求解組分和能量的輸運方程。
對于控制方程的離散采用有限體積法，該方法使用三種不同的空間離散格式，即冪律格式、二階迎風(fēng)格式和Q UICK格式，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法，該算法的初始的壓力場和速度場是協(xié)調(diào)的，并且對壓力場作欠松弛處理，迭代計算時比較容易得到收斂解。
2.3邊界條件及計算工況
生物質(zhì)燃燒機空氣和煤氣進口都采用第1類邊界條件，即給定速度與溫度；爐膛出口邊界采用壓力出口條件；固體壁面設(shè)為絕熱邊界，沒有熱通量和質(zhì)量通量，壁面無滑移條件假定，壁面上速度為零。
本文模擬采用的計算工況如下:燃料為發(fā)生爐煤氣，熱值為5 500kJ。m_。，預(yù)熱到300 0C,空氣預(yù)熱到700℃煤氣和空氣的流量分別為100 ffl3 011-1和1850 ffl3。h_1．在不改變邊界條件和計算工況的前提下，本文模擬了四個喉部面積不同的生物質(zhì)燃燒機，其具體的計算參數(shù)如表1所示．模擬計算，著重分析了氧含量、壓力變化和溫度分布幾方面的燃燒特性。
3燃燒狀況對比分析
3.1 氧含量及壓力的變化
本文通過FLUENT可以計算整個計算區(qū)域的平均氧含量，四個生物質(zhì)燃燒機的卷吸量和平均氧含量如表2所示，由表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著喉部面積的縮小，煙氣的卷吸量越來越大，爐膛中氧的平均體積分?jǐn)?shù)從4.14%降到1.67%．在實際的生物質(zhì)燃燒機設(shè)計過程中，可以通過設(shè)計合理的喉部面積來控制卷吸量，獲得具有理想氧含量的助燃空氣，實現(xiàn)氧含量可控的低氧燃燒。
四個生物質(zhì)燃燒機都在喉部形成了負(fù)壓，爐膛中的相對壓力為0，通過該生物質(zhì)燃燒機后四個生物質(zhì)燃燒機的阻力損失和喉部負(fù)壓如表2所示，可以看出:隨著喉部面積的變小，最低負(fù)壓急劇降低，從這點可以看出，煙氣的卷吸量和喉部的負(fù)壓成對應(yīng)關(guān)系，喉部的負(fù)壓是煙氣卷吸的驅(qū)動力；同時生物質(zhì)燃燒機的阻力損失也顯著增大，在生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計過程中需要注意生物質(zhì)燃燒機的壓力損失要與嘴前空氣壓力合理配置，否則難以達到合理的流動與燃嬈。
3.2火焰長度
圖4為CO體積分?jǐn)?shù)分布圖，由于發(fā)生爐煤氣中的主要成分為CO，CO燃盡的區(qū)域即為火焰的邊緣，因此可以由CO的體積分?jǐn)?shù)分布來確定火焰的長度，由上文可知，生物質(zhì)燃燒機A、B、C和D的卷吸量逐漸增多，所以由圖4可以看出，隨著卷吸的煙氣量增多，火焰長度逐漸變短，而文獻的結(jié)論是詆氧燃燒會使火焰體積膨脹、火焰加長，出現(xiàn)這種差異的最主要原因是變壓卷吸式的低氧燃燒方式在沖淡氧含量的同時還預(yù)熱了空氣，助燃空氣中氧含量雖然降低，但由于其溫度升高，燃燒速度不但沒有降低，反而加快燃料的燃燒，因此隨著煙氣卷吸量的增多火焰長度會逐漸變短。
3.3溫度的變化
由圖3的沿爐膛中心線的溫度變化曲線可以看出，隨著卷吸量的增加，燃料能在溫度更高和氧含量更低的情況下燃燒，燃料進入爐膛后的燃燒速度加快，火焰的高溫區(qū)域逐漸靠近生物質(zhì)燃燒機，整個火焰的高溫區(qū)域越來越大，有利于整個爐膛的爐溫均勻[ 10]．爐膛中的最高溫度隨著卷吸量的增大逐漸增大，爐膛中的平均溫度也得到大幅度提高，在燃料供給不變的情況下，爐溫升高，說明卷吸的煙氣起到了高溫余熱的直接回收作用，本計算模型由于爐膛較小，因此爐溫的變化比較明顯；在實際應(yīng)用中，由于爐膛較大，效果可能沒有這么明顯，但是從模擬計算的結(jié)果可以進一步證明煙氣再循環(huán)起到了節(jié)約燃料、提高爐膛溫度和燃燒穩(wěn)定性等多方面的作用。