河北科技大学机械工程学院　孙晓婷



小型甲醇锅炉燃烧过程的数值模拟

河北科技大学机械工程学院孙晓婷

摘要：以1吨的甲醇锅炉作为研究对象，利用fluent研究了不同过量空气系数对甲醇燃烧室的流场结构、燃烧温度及分布、甲醛污染物的排放的影响。模拟结果表明：甲醇锅炉的最佳过量空气系数为1.09。

关键词：甲醇；锅炉；甲醛；过量空气系数

引言

为了改善环境，以清洁燃料代替煤炭作为锅炉的燃料是主要措施之一［1］，甲醇可作为一种新型清洁环保燃料使用，它清洁环保的优点必将受到人们的青睐［2］。本文借助fluent软件，模拟了甲醇燃料的喷雾以及燃烧过程，得到了在不同过量空气系数下甲醇燃烧室内流场的结构、温度分布以及甲醛的排放情况，对探究甲醇清洁高效燃烧提供了重要的指导作用。

1　物理模型及边界条件

以1吨的圆筒形甲醇锅炉为例，锅炉长为2.25m，直径为1.3m，喷嘴直径为0.0045m，空气进口直径为0.2m，简化的锅炉物理模型如图1所示。其中，喷嘴选用的是fluent自带压力旋流雾化喷嘴。

图1　甲醇锅炉的简化物理模型

入口边界条件：连续相选择速度入口，空气流速为20m/s，离散相选择压力旋流雾化模型喷射液滴，燃料的质量流量为0.03kg/s；出口边界条件：设置为压力出口；壁面边界条件：对连续相，在固体壁面施加速度无滑移固体边界条件，对离散相，设置颗粒与壁面碰撞时恢复系数为1。

2　数学模型选择

湍流模型选择标准k-e模型；燃烧模型选择通用有限速率模型；辐射模型选择DO辐射模型；对于液体燃料的喷雾过程，选择压力旋流雾化模型。基于有限体积法用压力基求解器求解方程，采用一阶精度迎风差分离散格式，通过SIMPLE算法进行耦合［3］。在计算模拟的过程中，先采用一阶定常隐式格式求解连续相；得到稳定的连续相流场后，再加入DPM模型；离散相和连续相相互耦合，直到二者均收敛，这样就实现了耦合计算［4］。

3　模拟结果与分析

3.1炉内温度分布

由表1可知，过量空气系数为1.09时的最高温度和平均温度最高。这主要是因为最高温度是由甲醇的燃烧情况所决定的，而平均温度则由炉膛内的整体温度所决定。烟气出口温度是由燃烧效率所决定的，排烟温度越低，锅炉效率越高。

表1　各个工况下炉内温度分布计算结果

3.2炉内烟气的浓度分布

表2　各组分的质量浓度

由表2可知，随着过量空气系数的增加，炉内氧气平均浓度增加，出口氧气浓度在工况2时最低，出口甲醛浓度不断降低。出口氧气浓度低，可以避免燃料的二次燃烧和浪费，并且减少尾气中甲醛的排放。

4　结论

甲醇锅炉的最佳过量空气系数为1.09，在这个状态下，锅炉的甲醛排放浓度最低，锅炉的平均温度和最高温度分别为1135.189K和1380.036K。

参考文献：

［1］陈征.甲醇高效清洁燃烧过程的基础理论研究［D］.天津大学，2007.

［2］刘志锋.醇类替代燃料汽车可行性分析 ［D］.吉林大学，2004.

［3］GONG Changming.Numerical study on combustion and emission in a DISI methanol engine with hydrogen addition ［J］.International Journal of HydrogenEnergy，January 2016，Pages 647-655.

［4］顾毓沁.雾化细度对液体燃料火焰长度和燃烧完全度的影响［J］.科学通报，1966，11（6）∶275-278.