產(chǎn)品詳情
摘要:借助于先前推導的簡化理論解,利用分段線性函數(shù),構(gòu)建了生物質(zhì)燃燒機內(nèi)溫度分布曲線、可燃極限和最大半周期。該解適用于絕熱條件下往復式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機。結(jié)果表明,當流速小于0 12m。S-l H寸|理論解預(yù)測的可燃極限與實驗取得了相同的趨勢,增大流速可以獲得較小的可燃極限。而流速大于Q 17 m。S-I喊增大流速對擴展可燃極限的影響很小。同時,小孔徑的多孔介質(zhì)更有利?。簲U展可燃極限。預(yù)測的最大半周期與流速的乘積與固體和氣體熱容的比值呈線性關(guān)系;生物質(zhì)燃燒機的長度對最大半周期有顯著的影響。增大生物質(zhì)燃燒機的長度將導致較大的最大半周期。預(yù)測的可燃極限和推導出的最大半周期為生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計和進一步改善提供了指導。
引 言
預(yù)混氣體惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機中往復流動下的超絕熱燃燒(RSCP)不僅能夠拓展可燃極限,而且具有可控的污染物排放。鑒于RSCP這些優(yōu)良的特性,國外近年來開展了大量的研究。Hoffmann等¨1的實驗研究表明,甲烷/空氣混合物的貧可燃極限可以擴展到當量比0 026,在所研究的工況范圍內(nèi),當燃燒溫度達到1500 K左右時,尾氣中氮氧化物的體積分數(shù)小于1×10_6,而一氧化碳的排放對流速和使用的多孔介質(zhì)有強烈的依賴關(guān)系。鄧洋波【21研究了多孔介質(zhì)內(nèi)往復式流動下的超絕熱燃燒。利用多孔介質(zhì)中超絕熱燃燒還可以實現(xiàn)硫化氫自解成硫元素和氫氣舊,克服了常規(guī)熱分解法需要供給大量熱量和分解率低等的弊端。C ontarin等H利用數(shù)值模擬的方法,分析了一種兩端帶有換熱器的往復式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機,對于甲烷與空氣的混合物,在當量比0 15~0 7的范圍內(nèi),熱效率達到50%~80%。
迄今對RSCP的研究多集中在實驗和數(shù)值研究,還沒有關(guān)于RSCP可燃極限和最大半周期的研究報道。Bo reskov掣8提出了高切換頻率的簡化模型。Nieken等‘8分析了往復半周期為無限大和無限小的兩種極限隋況,通過簡化一個準穩(wěn)態(tài)乎衡模型,得到了一個與重要的控制參數(shù)相關(guān)聯(lián)的簡化模型,模型可以預(yù)測燃燒區(qū)域最高溫度,以及燃燒器兩側(cè)的溫度梯度。Cittadini等‘1在前人研究的基礎(chǔ)上,通過簡化推導,可以預(yù)測往復式催化生物質(zhì)燃燒機的最小長度、最大半周期、最大和最小的氣流入口速度等。文獻[8]報道了關(guān)于RS CP簡化解的初步研究,該解適用于預(yù)混氣體的、單一的惰性多孔材料往復式生物質(zhì)燃燒機。本文在此基礎(chǔ)上,通過與實驗和數(shù)值模擬的對比利用分段線性函數(shù)做進一步的推導,構(gòu)建生物質(zhì)燃燒機接近可燃極限時的溫度分布,分析得出可燃極限、最大半周期以及兩者的影響因素。
1 簡化理論解的分析
1 1 構(gòu)造生物質(zhì)燃燒機內(nèi)固體溫度分布
文獻[8]通過往復式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機與穩(wěn)態(tài)逆流生物質(zhì)燃燒機的類比將RSCP模型簡化為兩個常微分方程:多孔介質(zhì)溫度的最大值和組分的微分方程
本文中稱固體溫度高于點火溫度的區(qū)域為高區(qū)域。其中溫度等于固體溫度最大值的區(qū)域稱為高溫平臺區(qū)域具有特指的意義。五。。是點火溫度,式(4)~式(8)為求解固體溫度分布的方程組。圖2是理論計算值與實驗值的比較,本文中的實驗結(jié)果均來自文獻[1]。為了驗證理論解的通用性,分別計算了多孔介質(zhì)規(guī)格為5孔/cm(圖2)和12孔/cm(圖3)兩種生物質(zhì)燃燒機。結(jié)果表明,多孔介質(zhì)材料對RSCP有顯著的影響。圖2的當量比比圖3的當量比稍大,其他工況相同。如圖2、圖3所示,使用小孔徑多孔介質(zhì),更有利于形成高溫區(qū)域,而且小孔徑(12孔/cm)多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機比5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機的最高溫度高36 K。如果兩種規(guī)格的生物質(zhì)燃燒機的工況相同,則理論預(yù)測的最高溫度相應(yīng)地高44 K。這是因為實驗所用的兩種規(guī)格的多孔介質(zhì)的孔隙率均為0 875,但是孔徑不同導致了不同的多孔介質(zhì)衰減系數(shù)和內(nèi)孔表面積【11。小孔徑多孔介質(zhì)具有單位面積內(nèi)更大的內(nèi)孔面積,有利于在上游預(yù)熱混合氣,而茌下游有利于熱量的蓄積,同時有大的衰減系數(shù)有利于形成局部高溫區(qū)。圖4為流速、半周期都較大時理論解和實驗的比較??梢钥闯觯斄魉倥c半周期的乘積較大時,溫度曲線向下游有明顯的位移。圖2~圖4中,理論計算的生物質(zhì)燃燒機兩側(cè)的溫度曲線與實驗值相差不大,但最高溫度高于實驗值兩者的誤差在20%以內(nèi)。這是由于推導理論解日寸,做了很多假設(shè):實際的生物質(zhì)燃燒機中變化很大的氣體的物性、對流傳熱系數(shù)等采用了常數(shù);實驗[11中天然氣中甲烷占88‰與理論解的假設(shè)(100%甲烷)不符,這也可能是造成差異的一個原因;不考慮系統(tǒng)熱損失顯然會導致理論值高于實驗值。為更精確地預(yù)測最高溫度需要改進模型,如考慮系統(tǒng)的熱損失,氣體、固體物性參數(shù)的選取。
1 2可燃極限的預(yù)測及影響因素的討論
實驗和數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,當量比越贏燃燒器高溫區(qū)域越寬。在生物質(zhì)燃燒機的中心部位固體溫度變化很小,存在高溫平臺,溫度曲線類似于梯形。隨著當量比的減小,高溫平臺的寬度減小,溫度曲線逐步衰減為類似于三角形的形狀。據(jù)此,當高溫平臺寬度為零日寸,認為達到可燃極限。重寫式(7)并將式(6)帶入,得到式(9)中隱含著可燃極限,即給定入口氣流速度,對于一個給定的生物質(zhì)燃燒機,通過反復試算,尋找一個使得能夠穩(wěn)定燃燒的最小當量比。式(9)利用一個很小的程序求解,在幾秒之內(nèi)即可完成。而數(shù)值模擬則需20多個周期,用試算法尋求最小當量比。
圖5為理論解求得的可燃極限與實驗值的比較。結(jié)果表明,同樣的工況下,小孔徑多孔介質(zhì)更適合于擴展可燃極限且效果顯著;總的來說,增大流速可以擴展可燃極限,但在不同的流速范圍內(nèi),可燃極限對流速的依賴程度不同。當流速較小時,可燃極限對流速有強烈的依賴關(guān)系,此時增大流速可顯著擴展貧可燃極限。因此,燃燒極低熱值的燃氣不宜采用小流速。流速小于Q 12 m。s_1日寸,理論解預(yù)測的趨勢與實驗值相符。而流速大于0. 12m。s_1時,5孔/cm生物質(zhì)燃燒機的預(yù)測結(jié)果與實驗值預(yù)測的趨勢相反,而12孔/cm預(yù)測的可燃極限變化很小。這說明,理論解財可燃極限的預(yù)測,只適用于流速小于Q 12 m。s_1。而在流速大于Q 17 m。s_1時,流速對可燃極限的影響很小,對于5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機,過大的流速對可燃極限的擴展并不顯著。
圖3和圖5表明,孔隙率相同的多孔介質(zhì),燃氣在小孔徑的多孔介噴燃燒,能夠形成較寬的高溫區(qū)域和溫度最大值,獲得了更小的可燃極限。為了進一步理解多孔材料對最大溫度和可燃極限的影響,圖6比較了兩種規(guī)格的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的最高溫度。結(jié)果表明,在0 05~0 3 m。s_1的流速范圍內(nèi),12孔/cm的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機中的溫度值最大值始終高于5孔/c rri溫度最大值。
圖7表明增加三可以擴展可燃極限。流速較小時,增加三對擴展可燃極限的效果很顯著,但是在流速大于0 15 m。s_1時,流速對可燃極限的影響很小,與圖5的趨勢相同。但是三的增大意味著較大的壓力降。實驗將三由0 20 m延長到0 35 m,同時增大了生物質(zhì)燃燒機的內(nèi)徑,結(jié)果可燃極限由0 028擴晨到0 026,與圖7理論解預(yù)測的趨勢相同。
1 3最大半周期的推導及討論
RS CP需要選擇合適的半周期。半周期過小,譬pm葚adLu31第8期 史俊瑞等:往復式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的可燃極限及最大半周期新鮮混合氣未達到燃燒區(qū)就可能被吹出,燃燒效率降低,生物質(zhì)燃燒機也沒有得到有效的利用。實驗表明,當燃氣的入口速度與半周期的乘積等于或大于20倍的生物質(zhì)燃燒機長度時,即生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率較高。而過大的半周期,又導致過高的出口溫度,不利于熱量的蓄積。當半周期高于臨界值時,高溫平臺的寬度低于臨界值反應(yīng)不能夠完全進行,火焰被吹出生物質(zhì)燃燒機外,將此臨界半周期作為Ttyp,。。。目前,還沒有丁。?!难芯浚梢越柚鷶?shù)值模擬來加以分析。數(shù)值計算是用FLU EN T6 1完成的。數(shù)值模擬的模型和算法、甲烷的單步反應(yīng)機理見文獻[4]。圖8為數(shù)值模擬的兀。,…與理論解的比較。在正向半周期結(jié)束日寸,在距生物質(zhì)燃燒機入口很長的一段距離內(nèi),固體溫度與環(huán)境溫度的差異不大,取為To。而生物質(zhì)燃燒機出口端溫度為固體最大溫度,存在著長度最小的高溫平臺。很顯然,此時若利用式(4)~式(8)來構(gòu)建生物質(zhì)燃燒機內(nèi)溫度曲線是不合理的。根據(jù)L。max工況下固體溫度的分布特征,重寫式(7)右端是生物質(zhì)燃燒機的L?!?。式(14)綜合考慮了生物質(zhì)燃燒機長度、供氣參數(shù)、燃氣熱值(△丁甜)和多孔介質(zhì)物性相互間的制約關(guān)系,對于實驗、生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計和操作具有普遍的指導意義。此外,過大的半周期導致火焰靠近出口位置,出口溫庋明顯升高,對燃燒是極其不利的,也不能充分發(fā)揮往復式生物質(zhì)燃燒機的優(yōu)勢。
圖9為生物質(zhì)燃燒機長度對最大半周期的影響。丁。。。。曲線將圖分為兩個區(qū)域,在曲線的上方,半周期大于最大半周期,火焰被吹出生物質(zhì)燃燒機外,因此本文稱為熄火區(qū)域,而在曲線下方,半周期小于最大半周期,可以進行往復燃燒,稱為可往復區(qū)域。圖9表明,氣流速度和/對半周期有很大的影響。
2結(jié) 論
(1)在生物質(zhì)燃燒機接近可燃極限日寸,將生物質(zhì)燃燒機進口溫度假設(shè)為環(huán)境溫度,可以構(gòu)建任意半周期、流速和多孔介質(zhì)的生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的固體溫度曲線。
(2)當高溫平臺寬度為零時,認為生物質(zhì)燃燒機達到了可燃極限。流速小于Q 12 m。s_1時,理論解預(yù)測的趨勢與實驗相同;流速大于0 12 m。s_1時,對于5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機,理論解預(yù)測的趨勢與實驗相反,而12孔/cm生物質(zhì)燃燒機的預(yù)測與實驗相同;流速大于0 17 m。s_1時,流速對可燃極限的影響很小。
(3)當高溫平臺移動到出口處且其長度小于臨界值日寸,認為生物質(zhì)燃燒機接近丁?!?。并推導了其表達式。結(jié)合實驗結(jié)果,得到了RSCP供氣參數(shù)、多孔介質(zhì)比熱容、最大和最小半周期之間的制約關(guān)系。
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