超低熱值煤氣燃燒過程的數(shù)值模擬

張健,李國岫,虞育松,李清海,張衍國

(1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京100044; 2.清華大學(xué)熱能動(dòng)力工程與熱科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

在工業(yè)生產(chǎn)的某些工藝過程中會(huì)有大量的超低熱值氣體產(chǎn)生,這種氣體含通常有大量惰性氣體,發(fā)熱量極低、著火困難、燃燒性能差,過去只能空放,造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。為了有效利用這些低品質(zhì)的氣體,除了根據(jù)低熱值煤氣的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專門的燃燒器外,還可以通過高溫預(yù)熱、煙氣回流、富氧燃燒以及摻燒其他高熱值煤氣等措施,目前已經(jīng)可以使3M J/m3以上熱值的低熱值煤氣著火與穩(wěn)燃[1-2],但是更低熱值氣體的燃燒利用很少見到報(bào)道。本文將為熱值僅為1.2～3.0 MJ/m3的高爐煤氣放散氣設(shè)計(jì)一種新型的燃燒系統(tǒng),并采用數(shù)值模擬方法對該燃燒系統(tǒng)的燃燒特性進(jìn)行分析。

1 高爐煤氣放散氣燃燒系統(tǒng)

該新型燃燒系統(tǒng)主要由低熱值煤氣燃燒器與獨(dú)特的蓄熱體結(jié)構(gòu)組成。運(yùn)行時(shí)助燃空氣經(jīng)過燃燒器的蝸殼式進(jìn)氣口后可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流;燃燒用的煤氣從接近燃燒器出口的小孔中高速射出,射出方向和空氣的流動(dòng)垂直,確保兩種氣體充分混合。在噴口前的區(qū)域煤氣空氣繼續(xù)混合,然后進(jìn)入燃燒室燃燒。該燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 燃燒系統(tǒng)簡圖

系統(tǒng)的獨(dú)特之處是在燃燒室中加裝了蓄熱體。蓄熱體由耐火材料砌筑而成,運(yùn)行時(shí)被加熱成一個(gè)熾熱體,當(dāng)超低熱值煤氣與空氣的混合氣進(jìn)入燃燒室時(shí),蓄熱體將熱量傳入混合氣,使混合氣溫度升高,進(jìn)而著火以及燃燒。隨著燃燒的進(jìn)行,煙氣中的熱量又傳入蓄熱體中,使蓄熱體保持在較高的溫度運(yùn)行。蓄熱體具有高溫和儲(chǔ)熱性能,可以被看作為一種點(diǎn)燃板,使超低熱值煤氣更容易著火和燃燒。蓄熱體三層耐火材料的特殊結(jié)構(gòu),可以使煤氣與空氣的混合氣在燃燒室中產(chǎn)生阻流,具有鈍體穩(wěn)燃功能,可以防止噴口處的空氣與煤氣流速過快,因此在燃燒時(shí)不發(fā)生脫火。由于阻流的作用,部分高溫燃燒產(chǎn)物會(huì)反向流回噴口附近形成回流區(qū),也有利于混合氣流的穩(wěn)定著火。

2 物理與數(shù)學(xué)模型

在超低熱值煤氣燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用數(shù)值模擬方法對低熱值煤氣燃燒系統(tǒng)的溫度分布、組分濃度分布進(jìn)行計(jì)算和分析,能夠?yàn)槿紵到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

2.1 物理模型

為全面模擬燃燒器流動(dòng)和燃燒特性,要求物理模型盡可能地與實(shí)物一致,為此選擇全尺寸的三維數(shù)值模擬進(jìn)行研究,模型的建立利用了FLUENT的前置軟件 Gambit,燃燒系統(tǒng)物理模型如圖 2所示。

圖2 燃燒系統(tǒng)物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,湍流燃燒模型采用物質(zhì)輸運(yùn)和通用有限速率化學(xué)反應(yīng)模型。采用分離解法,壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)的耦合采用SIMPLE算法,控制方程的離散采用二階中心差分[3]。

2.3 網(wǎng)格的劃分

采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格對燃燒系統(tǒng)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 燃燒系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

2.4 初始及邊界條件

本文研究的超低熱值煤氣,針對各個(gè)大小型鋼鐵廠的煤氣放散氣,可燃成分主要是CO,惰性氣體為N2。具體的質(zhì)量含量分?jǐn)?shù)及煤氣熱值見表1。

表1 初始條件的定義

空氣、煤氣入口設(shè)為質(zhì)量流量入口邊界;煙氣出口設(shè)為壓力出口邊界;蓄熱體設(shè)為定溫條件;其余壁面設(shè)為絕熱、無滑移靜態(tài)邊界條件。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 蓄熱體對燃燒特性的影響

為了分析耐火磚式蓄熱在超低熱值燃?xì)馊紵兴鸬淖饔?本文首先在無蓄熱體機(jī)構(gòu)下進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算。圖4和圖 5是當(dāng)煤氣熱值為5.9 M J/m3和5.8 M J/m3時(shí)燃燒室溫度場的模擬結(jié)果。

圖4 熱值為5 900 k J/Nm3燃燒溫度場(K)

從圖4可以看到,當(dāng)煤氣熱值為5.9 M J/m3時(shí)燃燒室因煤氣與氧氣發(fā)生了反應(yīng)產(chǎn)生火焰,,燃燒最高溫度為2 147℃。但是當(dāng)煤氣熱值為5.8M J/m3時(shí),由圖5可以看到燃燒室中沒有火焰的產(chǎn)生,最高溫度僅僅為空氣的預(yù)熱溫度377℃,說明煤氣沒有燃燒。因此可以確定,在無蓄熱體結(jié)構(gòu)的情況下,這種燃燒器只能燃燒熱值5.9 M J/m3以上的低熱值煤氣。

圖5 熱值為5 800 k J/Nm3燃燒溫度場(K)

在該燃燒器中加裝蓄熱體,然后采用熱值為2 090 kJ/m3的超低熱值燃?xì)膺M(jìn)行數(shù)值計(jì)算,煤氣與空氣在進(jìn)氣管內(nèi)、蓄熱體前和蓄熱體區(qū)域的溫度場分布的模擬結(jié)果見圖6。

圖6 燃燒系統(tǒng)中心平面溫度場(K)

從圖6可以看到,煤氣經(jīng)過一個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火后開始燃燒,沒有回火或脫火發(fā)生,證明加裝蓄熱體結(jié)構(gòu)后該新型燃燒系統(tǒng)可以燃燒熱值為2 090 k J/m3的超低熱值煤氣,說明蓄熱體對擴(kuò)展低熱值煤氣的可燃限具有較大影響;煤氣燃燒的最高燃燒溫度為1 224.7℃。煤氣的理論燃燒溫度可由下式計(jì)算[4]:

式中:Q DW為煤氣低位發(fā)熱值,這里取2 090 k J/m3; Q空和Q煤為空氣、煤氣帶入的熱量,煤氣溫度為常溫,帶入的熱量可忽略,空氣的預(yù)熱溫度為400℃,帶入的熱量為565 k J/m3;V產(chǎn)為煤氣的煙氣產(chǎn)生量,kg/kg;cp為煙氣的比熱容,kJ/(kg·K)。

通過理論計(jì)算,理論燃燒溫度為1 229℃,與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差在1%以內(nèi),驗(yàn)證數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性。

3.2 預(yù)熱溫度對燃燒特性的影響

為了分析空氣預(yù)熱溫度對煤氣燃燒過程的影響,取熱值為2 090～2 300 k J/m3的煤氣在不同空氣預(yù)熱溫度下對最高燃燒溫度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,模擬計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 空氣預(yù)熱溫度對最高燃燒溫度的影響

從表2可知,在相同的熱值條件下,空氣預(yù)熱溫度每升高100℃,超低熱值煤氣的燃燒溫度升高20～25℃。在相同的空氣預(yù)熱溫度下,煤氣的熱值每升高100 k J/m3,煤氣的燃燒溫度升高30～50℃。由此可知,空氣預(yù)熱溫度每升高200℃等同為煤氣熱值升高100 k J/m3燃燒溫度的升高量。由此可知,空氣預(yù)熱溫度對于超低熱值煤氣可燃限的提高以及燃燒的穩(wěn)定性有重要影響。

3.3 過量空氣系數(shù)對燃燒特性的影響

該新型燃燒系統(tǒng)為預(yù)混燃燒,可以有效地控制過量空氣系數(shù)。為了分析過量空氣系數(shù)對超低熱值煤氣燃燒效率的影響程度,在不同的過量空氣系數(shù)下對煤氣的燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬。

(1)一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨過量空氣系數(shù)的變化圖7為一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨過量空氣系數(shù)的模擬結(jié)果。

圖7 過量空氣系數(shù)對一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

從圖中可知,在過量空氣系數(shù)小于1.0時(shí),一氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較大;隨著過量空氣系數(shù)的增大,一氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來越小;當(dāng)過量空氣系數(shù)大于等于1時(shí),一氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本無變化,說明在該新型燃燒系統(tǒng)下一氧化碳反應(yīng)完全。分析結(jié)果表明,當(dāng)過量空氣系數(shù)過小時(shí)由于低熱值煤氣含有的可燃?xì)怏w含量極低,可燃成分與氧接觸的幾率相對較小,結(jié)果出現(xiàn)一氧化碳燃燒不完全現(xiàn)象。

(2)過量空氣系數(shù)對燃燒溫度的影響 圖8為不同過量空氣系數(shù)下的燃燒溫度模擬結(jié)果。

圖8 過量空氣系數(shù)對燃燒溫度的影響

由圖可知,燃燒溫度隨著過量空氣系數(shù)的增大先升高后降低,在過量空氣系數(shù)為1.2時(shí),煤氣的燃燒溫度達(dá)到最大值。在煤氣熱值為2 090,2 200, 2 300 kJ/m3三種工況下,當(dāng)過量空氣系數(shù)由0.7提高到1.2時(shí),燃燒溫度分別升高259,264,307℃;當(dāng)過量空氣系數(shù)由1.2提高到1.6時(shí),燃燒溫度分別下降66,77,92℃。過量空氣系數(shù)過大時(shí),由于過量空氣噴入燃燒室將吸收燃燒反應(yīng)熱,使燃燒室內(nèi)平均溫度越低。圖8的模擬,空氣的預(yù)熱溫度達(dá)到400℃,所以溫度降低得比較小。

(3)過量空氣系數(shù)對二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響圖9為不同過量空氣系數(shù)下二氧化碳濃度圖。

由圖9可知,在過量空氣系數(shù)為1.1時(shí)二氧化碳的生成量最大。在過量空氣小于1.0時(shí),一氧化碳燃燒不完全,生成的二氧化碳比較少。在過量空氣系數(shù)由1.1提高到1.6時(shí),二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,是由于一氧化碳反應(yīng)完全,生成的二氧化碳量基本一致,但隨著空氣含量的增加,二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在總的煙氣含量中所占比重下降。

從以上的分析可以得知,在過量空氣系數(shù)在接近1.1時(shí),超低熱值煤氣燃燒效率最高,燃燒穩(wěn)定性最好。

圖9 過量空氣系數(shù)對二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

4 總結(jié)

本文首先提出了一種新型的超低熱值煤氣燃燒系統(tǒng),然后基于數(shù)值模擬方法對該燃燒系統(tǒng)的燃燒特性進(jìn)行了分析。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)該型燃燒系統(tǒng)采用的蓄熱體結(jié)構(gòu),對于擴(kuò)展低熱值煤氣可燃限具有重要作用。

(2)空氣預(yù)熱溫度每升高100℃,低熱值煤氣的最高燃燒溫度升高20～25℃,表明提高

預(yù)熱空氣溫度對于擴(kuò)展低熱值煤氣的可燃限具有重要影響。

(3)只要將助燃空氣預(yù)熱到100℃,燃燒系統(tǒng)就可以使熱值為2 090 k J/m3的煤氣穩(wěn)燃。

(4)過量空氣系數(shù)為1.1時(shí),超低熱值煤氣的燃燒效率最高。

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