基于化学动力学的生物质颗粒燃烧排放NO特性模拟与验证.doc

PAGE8

基于化学动力学的生物质颗粒燃烧排放NO特性模拟与验证

摘要：为研究生物质颗粒燃料燃烧NO排放规律及其生成机理，采用CFD和ChemKin联合仿真，建立试验锅炉燃烧筒CFD网络模型，应用ChemKin接口导入简化的17组分58基元反应机理，建立ChemKin-PSR反应模拟网络，选用ReactionDesignC2_NOx详细机理，对棉秆、玉米秸秆、木质3种生物质颗粒NO排放进行模拟。结果表明，NO生成量：棉秆玉米秸秆木质；NO排放量随过量空气系数的增加先增大后减小，在过量空气系数为1.7附近达到峰值。将模拟结果与试验结果进行比较，证明了模型和化学反应机理的正确性，为生物质燃料燃烧NO排放的预测与控制提供参考。

引言

生物质能源因其对CO2零贡献，且挥发分较煤高，N、S、灰分和固定炭含量较煤低[1]，作为替代化石燃料的可持续能源，其应用日益广泛[2-7]。但其巨大消耗量也会导致NO的排放剧增[8]。NO会伤害人的呼吸器官，造成酸雨，破坏臭氧层等。因此，针对生物质颗粒燃料的NO排放特性愈发成为研究热点。

国内外对生物质燃料NO排放试验研究工作开展较多，赵欣等[9]在生物质燃烧试验平台上研究了3种生物质固体燃料在不同负荷和进气量下燃烧的NO排放，结果发现，NO的排放量随负荷增加而增加，随进气量增加而减少。LunboDuan等[10]研究了3种生物质单独燃烧以及和煤混烧情况下NO的排放，结果表明，混烧时NO排放低于单独燃烧生物质。Winter[11]，张鹤丰[12]，MaryoriDíaz-Ramírez[13]，MurariMohonRoy[14]，EvelynCardozo[15]，GerhardStubenberger[16]，TakeroNakahara[17]等均针对不同生物质燃料NO排放进行了试验研究，然而试验研究花费大、周期长，且不能直接解释NO生成机理，因此，采用数值模拟方法研究生物质燃料燃烧NO排放规律及其生成机理显得十分必要[18]。

国内外有关燃料燃烧过程中NO转化机理的研究比较广泛[19-25]，而针对生物质燃料燃烧的并不多。本文采用CFD和ChemKin联合仿真，对生物质颗粒燃料NO排放特性和机理进行研究。ChemKin是由美国Sandia国家实验室开发的大型气相化学反应动力学软件，是燃烧领域普遍使用的模拟计算工具[26]。本文首先对所选燃烧器在Fluent中进行网络建模，结合化学反应机理得到燃烧器温度场和气流速度场，然后根据相关参数在ChemKin中建立适当的反应器网络模型，对3种生物质颗粒燃料燃烧的气相反应进行模拟仿真，得到NO的排放规律，并用试验结果加以验证。

1模型建立

1.1Fluent建模及网格划分

本文所采用的试验装置如图1所示，燃料器选用PelletBiocontrol20型生物质燃料器。

试验所用燃烧器是一种顶置喂料式成型颗粒燃烧器，其额定燃烧功率在木质燃料工质下标定为20kW(满载)，通过风机来控制配风量。试验中采用木质颗粒、玉米秸秆颗粒、棉秆颗粒3种燃料。表1为3种生物质的挥发分组分的摩尔（体积）分数[27]。试验采用4kg/h的入料速度进行燃烧试验。风机入口风速控制为6、7、8m/s，对应的空气量为25.92、30.24、34.56m3/h[28]。各燃料工业分析、每千克各燃料完全燃烧所需的理论空气量TAV（theoreticalairvolume）和理论烟气量如表2所示，具体计算可参考文献[29]。

利用Fluent对燃烧筒结构进行三维建模、网格划分（如图2所示）及边界条件设置。在Mesh中划分三维模型的网格时，对流体区域分别选择四面体和六面体混合网格，通过Sweep、Patch、Conforming、Sizing、Inflation等方法来进行划分；在结构细小处，对网格进行加密以获得较好的网格质量。最终网格数为362782，节点数为65584，平均网格畸变度为0.233，最大网格畸变度为0.81，网格质量较好。求解设置EDC涡耗散有限速率化学反应模型，使用详细阿累尼乌斯化学动力学机理，燃烧过程湍流模拟采用Reynolds平均法（RANS）k-ε双方程模型。组分输运模型选用speciestransport，该模型可以由用户自定义反应机理。

1.2NOx化学机理的选取

NOx详细排放机理选用ChemKin中ReactionDesign发展的的C2_NOx机理。C2_NOx压力相关机理包括99个反应组分和694个基元反应，在较宽反应域下详细描述了碳氢化合物的氧化和NOx的机理。应用于CFD计算的化学反应机理要进行大量的简化，反应机理的简化要求对于给定的精度保证描述燃烧准确性，省略对燃烧过程没有明显