DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.01.017
生物质回转燃烧器燃烧过程的场协同分析
贾国海，代莉，李立君，田国帅，高自成
(中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙，410004)
摘要：针对生物质回转燃烧器燃烧过程，采用非绝热的混合分数-概率密度函数燃烧模型，并考虑对流和辐射传热损失的影响，对该生物质回转燃烧器燃烧过程进行数值仿真和场协同理论分析，研究生物质回转燃烧器的性能和过量空气系数对生物质回转燃烧器燃烧效果的影响。研究结果表明：当过量空气系数λ为1.8~2.4时，燃烧室内温度较高，且生物质回转燃烧器出口处的CO质量分数较低，表明该生物质回转燃烧器的性能较佳；当过量空气系数为1.2时，速度场与焓值梯度场协同角余弦值≥0.8的区域占整个生物质回转燃烧器的比例最大，速度场和焓值梯度场的协同性最佳，生物质回转燃烧器的燃烧性能最好，此时，生物质回转燃烧器燃烧效果处于最佳状态。
关键词：生物质；回转燃烧器；燃烧性能；数值模拟；场协同
中图分类号：TK16 文献标志码：A
文章编号：1672-7207（2021）01-0168-08
Field synergy analysis of combustion process of biomass rotary burner
JIA Guohai, DAI Li, LI Lijun, TIAN Guoshuai, GAO Zicheng
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)
Abstract: Aiming at the combustion process of a kind of biomass rotary burner, a combustion model of non-adiabatic mixed fractional-probability density function was adopted to simulate the combustion process of biomass rotary burner, and field synergy theory analysis was carried out taking into account the convection and radiative heat transfer losses. The effect of properties and excess air coefficient on combustion efficiency of biomass rotary burner was studied. The results show that when the excess air coefficient λ is between 1.8-2.4, the mass fraction of CO is lower at the exit of biomass rotary burner, while the combustion temperature is higher at this time and the combustion performance of burner is the best. When the excess air coefficient λ is 1.2, the region where the cosine value of the velocity vector and enthalpy gradient angle is bigger than 0.8 has the largest percentage of the whole burner. The velocity field and enthalpy gradient field are in the best synergy and the combustion performance of biomass rotary burner is in the best state.
Key words: biomass; rotary burner; combustion performance; numerical simulation; field synergy
生物质能是一种具有广阔应用前景的可再生能源，其排放的污染物比煤炭的低，能替代部分不可再生能源，较好地解决能源问题和环境问题[1-3]。生物质颗粒燃料是生物质能源的重要组成部分，具有高效、环保、易储存运输、易燃等优点，可替代煤炭等化石燃料在炊事、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域应用，近年来在北美、欧盟、中国迅速发展[4-6]。姚宗路等[7]设计了一款能实现三级配风并装有螺旋清灰破渣机构的生物质颗粒燃料燃烧器。王月乔等[8]研究了5种颗粒燃料在PB-20型生物质颗粒燃烧器燃烧时，进料量和空气量对燃烧性能的影响。冯明杰等[9]建立了一种用于焙烧炉的新型燃烧器燃烧过程二维旋转轴数值计算模型，通过数值模拟研究了燃气入口速度、喷口与喉部直径比对其燃烧特性的影响。许杰等[10]建立了二维金属纤维燃烧器物理模型及数学模型，模拟了各工况的燃烧情况，并对各种影响因素进行了分析。蒋绍坚等[11]设计了一款新型木质成型燃料旋流炉排燃烧器，分析了取暖炉在不同过量空气系数和炉排二次风入口角度下炉内速度场、温度场、浓度场的变化。过增元[12-13]提出了场协同强化原理，发现在对流换热中速度场与温度场的协同能够提高换热系数，换热器中冷、热流体温度场间的协同能够提高换热器的效率。吴良柏等[14]从能量方程出发，推导了对流传热传质的场协同方程。王志凯等[15]基于场协同原理对先进旋涡燃烧室在不同来流速度、来流温度、壁面温度及燃气当量比下，数值模拟分析燃烧室的速度场、温度场及其场协同角分布。曾卓雄等[16]针对不同来流速度、来流温度、壁面温度下先进旋涡燃烧室的燃烧性能进行了数值模拟，并对其进行了多场协同分析。DENG等[17]采用实验和数值模拟相结合的方法研究了整体煤气化联合循环(IGCC)燃气轮机的氢燃料先进旋涡燃烧室气流流动特性和燃烧性能。鄂加强等[18]在考虑了对流和辐射传热损失的前提下，对甲醇燃料在醇基燃料燃烧器内扩散燃烧时所建立的阿累尼乌斯有限反应速率模型和漩涡破碎燃烧模型进行了数值仿真和场协同分析。虞君武等[19]通过搭建生物质在鼓泡流化床中气化的数值计算模型，通过数值模拟分析了燃料与空气质量比、初始床高、颗粒粒径以及热边界条件对生物质在空气中气化产物的影响。E等[20]研究了壁流式柴油机微粒捕集器多孔介质燃烧过程中的流动、传热以及温度场的分布规律。目前，针对生物质回转燃烧器的燃烧性能及其场协同机理的研究较少，为此，本文作者建立了生物质回转燃烧器燃烧仿真模型，对生物质回转燃烧器的燃烧过程进行数值仿真，利用多场协同原理对生物质回转燃烧器燃烧性能进行协同分析，以便为提高其他相关燃烧器的燃烧性能和设计优化提供参考。
图1 生物质颗粒回转燃烧器结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of biomass particle rotary burner
1 生物质回转燃烧器工作原理
本文模拟对象为本团队设计的一种生物质颗粒回转燃烧器，其主要构成部件为螺旋进料机构、回转燃烧室、小燃烧室和联接法兰，如图1所示。燃烧器在工作的同时，将生物质颗粒投放到进料口，从而落入进料螺旋管中，在螺旋管快速、平稳、均匀螺旋推动作用下，生物质颗粒进入小燃烧室。驱动电机驱动链条传动机构旋转，从而带动回转燃烧室旋转。搅动筋板倾斜地焊接在回转燃烧室内壁上，随着燃烧室旋转，搅动筋板带动生物质颗粒燃料旋转，从而增强了翻动效果，这也延缓了燃料溢出的时间。生物质颗粒燃料在小燃烧室内被干燥后在小燃烧室出口处完成燃烧。风机源源不断地将气流从二次风口和一次风口吹入，提供生物质颗粒完成1次燃烧所需要的空气。风机将空气从二次风口继续吹入，促使生物质颗粒燃料更加充分燃烧，从而降低污染物的排放。生物质颗粒燃料随着回转燃烧室一起转动，从而防止生物质颗粒燃料在燃烧室底部结渣。
生物质颗粒燃料通过螺旋进料机构输送，在燃烧室与由风机喷射到燃烧区域的空气混合进行燃烧。在较短时间内生物质颗粒回转燃烧器就可以达到稳态燃烧，故研究稳定状态下燃烧器的燃烧特性即可。
2 有限元模型的建立
在数值仿真计算之前，通过Pro/E软件建立生物质颗粒回转燃烧器的三维模型，如图2所示。在不影响计算精度的情况下，适当简化燃烧器表面倒角和细小结构，将使仿真模型的计算收敛速度更快，从而缩短仿真计算时间。通过Gambit软件对燃烧器模型进行几何处理并划分燃烧器模型体网格。燃烧器的有限元网格模型如图3所示，其节点数为1 104 429个，网格数为338 087个。
图2 燃烧器三维模型
Fig. 2 Three-dimensional model of burner
图3 燃烧器有限元网格模型
Fig. 3 Finite element mesh model of burner
3 理论模型和计算方法
通过Fluent软件模拟该生物质回转燃烧器稳定工况下的燃烧特性，其中，采用k-ε方程模型模拟湍流流动，采用P-1模型模拟辐射传热，采用随机跟踪模型模拟离散相颗粒轨迹，采用动力-扩散限制模型模拟焦炭燃烧，采用两步竞相反应模型模拟挥发分热解，采用混合分数/概率密度函数方法(mixture fraction/probability density function(PDF)模拟气相湍流燃烧。利用mixture fraction/PDF方法将燃烧简化为1个混合问题。
3.1 组分输送方程
在混合分数模型中，流体的瞬时热化学状态与守恒量即混合分数f相关。混合分数f根据燃料与氧化剂的质量分数(包括其中的惰性成分)计算得到[7]：
(1)
式中：wi为元素i的质量分数；下标ox表示氧化剂；fuel表示燃料。混合分数是燃烧和未燃烧燃料流元素(C和H等)在所有组分(CO2，H2O和O2等)中的局部质量分数。有关平均混合分数的输运方程和有关平均混合分数的均方值的守恒方程分别由式(2)和式(3)计算求得：
(2)
(3)
式中：
为f的时均值；
为f的脉动均方值；vav为平均速度，m/s；μt为湍流黏度，kg/(m·s)；σt为湍流Prandtl数；Sm为化学反应引起的源项，kg/(m3·s)；Cg和Cd为模型常量，分别取2.86和2.00；ρ为流体密度，kg/m3；k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率，m2/s3；t为时间，s。
3.2 P-1辐射模型方程
辐射热流qr为[11]
(4)
式中：a为吸收系数；σs为散射系数；G为入射辐射，W/m2；C为线性各向异性相位函数系数。
引入参数Γ=[3(a+σs)-Cσs]-1，式(4)则可化为[10]：
(5)
G的输送方程为
(6)
式中：SG为用户定义的辐射源项，W/m2；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)。
使用P-1模型时，求解G的输送方程以得到当地辐射强度。将式(5)和式(6)合并得[10]
(7)
式中：T为物体的温度，K。将
的表达式直接代入能量方程，可以获得由于辐射所引起的热量源。
3.3 双匹配速率模型
用双匹配速率模型(two competing rates model)模拟生物质挥发分的析出，参数选取根据生物质的热解特性确定[10]。
(8)
式中：mv(t)为t时刻已析出的挥发分质量，kg；ww,0为颗粒初始挥发分质量分数；mp,0为喷射源的初始颗粒质量，kg；ma为颗粒的含灰量，kg；α1和α2为生成率因子；R1和R2为竞争性析出速率常数，在不同温度范围内控制着析出速率。
3.4 动力扩散控制燃烧模型
焦炭表面反应速率在动力扩散控制燃烧模型中同时受到扩散过程和化学反应动力学的控制，所以，焦炭的燃烧速率为[11]
(9)
式中：D0为吸收系数，D0=C1[(Tp+T∞)/2]0.75/dp；R为化学反应速率常数，R=C2exp(-E/(RTp))，kg/(kg·s)；Tp为焦炭颗粒绝对温度，K；mp为焦炭颗粒质量，kg；dp为焦炭颗粒直径，m；pox为焦炭颗粒周围的气相氧化剂分压，Pa。
3.5 场协同理论
“场协同原理”(field synergy principle)[12-14]从二维层流边界层能量方程出发，引入源强化的概念，发现对流换热的物理机制是有内热源的导热问题，热源强度决定了对流换热的强度。吴良柏等[14]基于热质传递的能量方程，发现有质量传递的总传热量取决于流体流速和焓值梯度以及流速与焓值梯度场协同角，应该尽可能减小速度场与焓值梯度场协同角，从而强化换热。
对流传热传质过程的场协同方程如下：
(10)
(11)
(12)
式中：Ny为沿y方向扩散进入微元体的质量流量，kg/s；cp为流体比定压热容，J/(kg·K)；Tw为流体温度，K；qw为壁面处的对流换热量，J；α为速度矢量与焓值梯度的夹角，(°)。
式(12)表明：在速度和焓值梯度一定时，强化对流换热的有效途径是减小二者之间的夹角α。为表征速度场和焓值梯度场的协同性，速度和焓值梯度的局部协同角定义如下：
(13)
从式(13)可见，在整个对流传热区域内，控制对流传热的强度可以改变流速、焓值梯度和流体的物性，还可以控制速度和焓值梯度的方向。
3.6 边界条件和初始条件设定
本文采用k-ε湍流模型模拟稳定工况下的生物质回转燃烧器的燃烧特性。燃料和空气的入口边界采用速度入口条件，温度设为常数，采用湍流强度和水力直径的方法定义湍流。出口边界设为压力出口条件，在选择湍流模型后，设定出口处为回流湍流。壁面边界条件设为绝热以模拟绝热燃烧过程。壁面设定为无滑移条件，近壁区采取壁面函数法来模拟。离散格式中压力插补格式采用PRESTO格式，对流项采用QUICK格式。
3.7 模型的有效性验证
为了对仿真模型进行试验验证，建立相应的生物质回转燃烧器试验台架。试验所用生物质颗粒燃料为杉木木质颗粒燃料，由生物质颗粒燃料成型机压制成圆柱形，直径为6 mm，颗粒燃料长度为15 mm左右。工作过程主要为：由螺旋输送机输送木质颗粒燃料，输送机的输送量保持在12 kg/h；将热风枪通电，利用热风加热燃烧器约10 min；在热风枪通电工作的同时，风机也开始工作，向燃烧室内开始鼓风；当检测到火焰后，热风枪断电停止工作；调节进风阀门，使燃烧室的进风量发生变化。生物质回转燃烧器燃烧试验台架如图4所示。
将坐标原点设在燃烧器进料入口处的中心线上，并以燃烧器长度方向为中心轴线方向。燃烧器燃烧温度试验值与仿真值对比见图5。从图5可以看出：生物质回转燃烧器燃烧温度的试验结果与仿真结果较吻合，其相对误差最大值为11.9%，这是因为仿真过程中将模型进行了适当简化。
图4 燃烧器燃烧试验台架
Fig. 4 Combustion test device of burner
图5 燃烧器燃烧温度试验值与仿真值对比
Fig. 5 Comparison of test temperature and simulation temperature of burners’ combustion
4 仿真结果分析
生物质燃料选为杉木颗粒，固定碳占21.415%(质量分数，下同)，挥发分占64.895%，水分占11.920%，灰分占1.770%，低位发热量为16 760 J/g。设燃料输入量为12 kg/h，对过量空气系数为1.0，1.4，1.8和2.4这4种工况下生物质颗粒燃烧器燃烧的温度场和CO浓度进行数值模拟。
4.1 燃烧模拟结果分析
图6所示为不同过量空气系数下燃烧器中心线处CO质量分数的模拟结果。从图6可见：在不同过量空气系数下，CO质量分数沿着燃烧器中心线逐渐增加，当达到最大值后又逐渐下降，这说明在燃烧反应前期，生物质燃料较多而供应的空气不足，从而造成生物质燃料的不完全燃烧反应，导致此时CO质量分数逐渐增加；生物质燃料在回转燃烧室旋转作用下分布较均匀，从而使生物质燃料逐渐完全燃烧，相应的CO质量分数逐渐降低。从图6还可看出：在燃烧反应后期，当过量空气系数λ为1.8和2.4时，CO质量分数达到最低，说明较大的过量空气系数可以显著降低CO的生成。
图6 燃烧器中心线处CO质量分数与过量空气系数的关系
Fig. 6 Relationship between CO mass fraction along the center line of burner and excess air coefficients
图7所示为不同过量空气系数下燃烧器中心轴向燃烧温度。从图7可见：在不同过量空气系数下，燃烧温度沿着燃烧器中心线先逐渐增加，当达到最大值后又逐渐下降。
图7 燃烧器中心线温度与过量空气系数的关系
Fig. 7 Relationship between temperature along the center line of the burner and excess air coefficients
仿真结果说明：生物质燃烧温度随着燃烧反应的进行逐渐升高；随着火焰前沿面升高，火焰传播速度加快，燃烧更完全，辐射释放热量更多，燃烧温度更高；随着燃烧反应进行，在距离燃料入口较远处，生物质燃料质量逐渐减少，燃烧反应相应减弱，燃烧温度逐渐降低。从图7可知：过量空气系数λ为1.4，1.8和2.4时的最大燃烧温度比λ为1.0时的燃烧温度高，可见较大的过量空气系数有利于生物质燃料产生快速而完全的燃烧反应，从而增加燃烧器热负荷，强化换热。
图8 燃烧器场协同角余弦分布图
Fig. 8 Cosine value of field synergy angle distribution of burner
综上所述，在过量空气系数λ为1.8~2.4时，CO的质量分数较低，同时，燃烧温度也较高。故当过量空气系数λ为1.8~2.4时，燃烧器性能较佳。
4.2 过量空气系数对场协同影响分析
应用“场协同原理”分析生物质颗粒燃烧器燃烧性能。图8所示为燃烧室内速度矢量与焓值梯度夹角的余弦在过量空气系数分别为1.0，1.4，1.8和2.4时的分布。从图8可知：燃烧室内的焓值梯度与速度矢量夹角的余弦较小的区域随着过量空气系数从1.0增大到1.2逐渐扩大，表明协同度越来越低；而当过量空气系数从1.2增大1.8时，该区域逐渐缩小，表明协同度越来越高。结果表明，燃烧室内速度矢量与焓值梯度的协同角分布在很大程度上受过量空气系数变化的影响。这是因为燃烧反应的剧烈程度会随着过量空气系数的变化而变化，温度场随之变化，燃烧室内气体也因燃烧产热的膨胀程度而变化，从而速度场发生变化，所以，燃烧室内速度矢量与焓值梯度夹角的余弦分布会随着过量空气系数的变化而变化。
为便于统计分析，当|cosα|≥0.8时，生物质回转燃烧器燃烧性能协同性达到最佳。生物质回转燃烧器燃烧过程场协同计算结果如表1所示。
表1 生物质回转燃烧器燃烧过程场协同计算结果
Table 1 Synergy related results of combustion process of biomass rotary burner
图9所示为|cosα|≥0.8时不同过量空气系数下协同性最好区域占整个生物质回转燃烧器燃烧室的比例。从图9可知：生物质回转燃烧器燃烧传热过程的燃烧最优区域在过量空气系数为1.2左右时最大，所占比值为29.2%；生物质回转燃烧器燃烧传热过程速度矢量与焓值梯度协同性较好，表明此时生物质回转燃烧器燃烧过程燃烧速率最大，其燃烧效率最高。
图9 不同过量空气系数下的燃烧最优区域比值
Fig. 9 Ratio of optimal combustion area under different excess air coefficients
5 结论
1) 温度变化较大的区域主要集中在回转燃烧器的中间部位，其他区域的燃烧温度较小，基本保持不变。
2) 当过量空气系数从1.0增大到1.2时，协同角余弦急剧变大，达到峰值；当过量空气系数从1.2增大到1.4时，协同角余弦急剧变小；而当过量空气系数从1.4增大到1.8 时，协同角余弦又逐渐增加，这是因为较大的过量空气系数会使得燃气温度降低，燃烧效果反而会降低。
3) 生物质回转燃烧器燃烧过程的最优区域在过量空气系数为1.2左右时最大，所占比值为29.2%；生物质回转燃烧器燃烧过程速度矢量与焓值梯度协同性较好，表明此时生物质回转燃烧器燃烧过程燃烧速率最大，燃烧效率最高。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期： 2020 -07 -20; 修回日期： 2020 -09 -22
基金项目(Foundation item)：中国博士后科学基金资助项目(2016M592455)；湖南省教育厅科学研究项目(17B278)；湖南省高校科技创新团队支持计划项目(2014207) (Project(2016M592455) supported by the Postdoctoral Science Foundation of China; Project(17B278) supported by the Scientific Research Program of Department of Education of Hunan Province; Project(2014207) supported by the Science and Technology Innovation Team of Universities of Hunan Province)
通信作者：贾国海，博士，硕士研究生导师，从事生物质燃料燃烧特性研究；E-mail: jiaguohai86@126.com
引用格式： 贾国海, 代莉, 李立君, 等. 生物质回转燃烧器燃烧过程的场协同分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(1): 168-175.
Citation: JIA Guohai, DAI Li, LI Lijun, et al. Field synergy analysis of combustion process of biomass rotary burner[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(1): 168-175.
