新型多段式自預(yù)熱燃燒器設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

陳冬林，成珊，贠英，鄧濤

(長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙，410076)

目前有眾多新型燃燒方式，如旋流燃燒[1-2]、富氧燃燒[3-4]、火焰冷卻技術(shù)[5]、分級燃燒[6-7]和流化床技術(shù)[8-9]等，但這些燃燒方式不能兼顧高效和低污染，也不能適用于低品質(zhì)燃料?，F(xiàn)階段，高溫空氣燃燒(也稱為低氧稀釋溫和燃燒)因同時具有節(jié)約能源、火焰穩(wěn)定和低NOx排放等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了業(yè)界的研究熱點(diǎn)。高溫空氣燃燒通常在燃燒室外裝有蓄熱式或回?zé)崾綋Q熱器。蜂窩蓄熱體以其熱慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊而成為一種常用換熱裝置，但它對材料性能要求很高，例如：需要有很高的比熱容和換熱系數(shù)，能夠承受巨大的溫差和頻繁的換向，以及具有抗氧化和抗腐蝕能力。此外，由于含塵煙氣極易導(dǎo)致堵塞和結(jié)渣，蜂窩蓄熱體很難在燃煤和燃燒其他生物質(zhì)燃料的鍋爐上使用。為了解決上述問題，本文作者提出一種新型多段式自預(yù)熱燃燒器。該燃燒器不需要外部裝置輔助加熱，自身可實(shí)現(xiàn)預(yù)熱過程。

1 多段式自預(yù)熱燃燒器結(jié)構(gòu)及原理

多段式自預(yù)熱燃燒器見圖1，包括空氣進(jìn)口風(fēng)箱、高溫?zé)煔饣亓鞴?、空氣管和燃?xì)夤?部分，自身可實(shí)現(xiàn)預(yù)熱過程，且不會導(dǎo)致堵塞或結(jié)渣。其主要特點(diǎn)是：(1) 空氣進(jìn)入進(jìn)口風(fēng)箱后，在冷卻高溫?zé)煔饣亓鞴軆?nèi)煙氣的同時得到第1次預(yù)熱；(2) 燃料/空氣進(jìn)入高溫?zé)煔饣亓鞴軆?nèi)的燃料/空氣管后與高溫?zé)煔饣亓鞴軆?nèi)逆向流動的高溫?zé)煔獍l(fā)生強(qiáng)對流換熱，使得空氣得到第2次預(yù)熱，燃料得到第1次預(yù)熱；(3) 當(dāng)燃料/空氣離開高溫?zé)煔饣亓鞴軆?nèi)的燃料/空氣管進(jìn)入一端封閉的燃燒室后，與逆向流動的火焰和高溫?zé)煔獍l(fā)生直接混合及強(qiáng)對流換熱，使空氣得到第3次加熱，燃料得到第2次加熱。燃燒器與鍋爐的連接示意圖見圖2。

為達(dá)到更好的預(yù)熱效果及滿足不同工況的需求，燃料管與空氣管的數(shù)量及布置形式可以是單根或多根，多根的情況下可以采用“一”字形排列、“十”字形排列或圓形排列等。

圖1 燃燒器與燃燒室示意圖Fig.1 Schematic diagram of burner and combustion chamber

圖2 燃燒器與鍋爐連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection of burner and boiler

2 數(shù)值模擬

通過 Parente等[10]的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究對照可知：在Fluent軟件中，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型以及EDC燃燒模型進(jìn)行高溫空氣燃燒的模擬時，燃燒室內(nèi)的平均速度和溫度與實(shí)際偏差在 5%以內(nèi)，模擬結(jié)果可以認(rèn)為是符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，本研究利用商業(yè)軟件Fluent6.3完成數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 物理模型

構(gòu)建燃燒器及燃燒室模型時，為研究多段式自預(yù)熱燃燒器內(nèi)的傳熱狀況和燃燒室內(nèi)的流場和壓力分布，以及與使用傳統(tǒng)燃燒器時燃燒室內(nèi)的溫度場相對比，特構(gòu)建了圖3所示的4個燃燒器模型以及表1所示的8個燃燒室模型。燃燒器利用隔板增加空氣在進(jìn)口風(fēng)箱內(nèi)的流程及停留時間，燃燒器模型1～4分別為無隔板、三隔板、五隔板、七隔板模型。燃燒室模型1～8中將燃燒室簡化為1個圓柱筒，采用自預(yù)熱燃燒器時從圓柱筒同一端開口分別噴射入空氣、燃料和排放煙氣，采用傳統(tǒng)燃燒器燃燒時則在另一端開口排放煙氣。燃燒室長度固定為3 m，燃燒室半徑為0.30～1.00 m，見表1。

2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

圖3 燃燒器模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of burner model

表1 燃燒室模型尺寸Table 1 Combustion chamber model size

為加快計(jì)算速度以及獲得更精確的模擬結(jié)果，盡可能地使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分。選用k-ε湍流模型和EDC燃燒模型及DO輻射模型計(jì)算。使用分離求解器，并采用 SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度耦合[11]。所有的控制方程均采用一階迎風(fēng)格式。

燃燒器設(shè)計(jì)燃料為高爐煤氣，其熱值很低，主要成分(體積分?jǐn)?shù))為CO 25%，CO215%，N255%和其他微量成分。假定混合物滿足理想氣體狀態(tài)方程，混合物比定壓熱容cp通過溫度與比熱容的多項(xiàng)式確定。

在相同的熱負(fù)荷下，自預(yù)熱與傳統(tǒng)燃燒器邊界條件均設(shè)定為：速度進(jìn)口(空氣50 m/s，燃料45 m/s，300 K)，壓力出口(101 kPa)。

初始化采用all-zones計(jì)算平均值。計(jì)算結(jié)果為：能量方程殘差小于10-6，其他殘差小于10-4，且監(jiān)測到進(jìn)出口質(zhì)量流量偏差在10-6kg/s以內(nèi)，計(jì)算收斂。

2.3 煙氣卷吸率計(jì)算

煙氣卷吸率決定反應(yīng)物和產(chǎn)物的混合均勻程度。高溫?zé)煔饣亓鲙淼姆磻?yīng)物強(qiáng)烈稀釋是實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒的 1個至關(guān)重要的條件。煙氣卷吸率(Kv)定義為卷吸的煙氣質(zhì)量流量(有效截面積上總的質(zhì)量流量減去進(jìn)口的空氣和燃料質(zhì)量流量)與進(jìn)口的空氣和燃料質(zhì)量流量之比，即，

在自預(yù)熱燃燒器對應(yīng)的燃燒室模型中，在任何yz平面上，向燃燒室內(nèi)部方向流動的質(zhì)量流量(Minlet)必須等于向出口方向流動的質(zhì)量流量(Moutlet)，即Minlet(x)=Moutlet(x)。煙氣卷吸量可根據(jù)向燃燒室內(nèi)部的質(zhì)量流量確定，即

此處A(x)代表x處的yz平面上速度向燃燒室內(nèi)部方向的面積。對于相同的空氣和燃料進(jìn)口質(zhì)量流量，Minlet(x)越大表示煙氣卷吸量越高，對于Moutlet(x)同樣適用。

向燃燒室內(nèi)部方向的質(zhì)量流量(Minlet)及煙氣卷吸率(Kv)均通過CFD數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算而得。

3 結(jié)果及分析

3.1 燃燒室內(nèi)壓力場和速度場

圖4和圖5所示分別為燃燒室x方向上xOy平面的壓力分布圖和速度矢量圖。從圖4和圖5可以看出：所有的燃燒室模型模擬結(jié)果都有一個共同點(diǎn)：有1個向燃燒室內(nèi)部的中心流，然后，射流在燃燒室內(nèi)發(fā)生回流并向燃燒室進(jìn)口方向流動。

在半徑小于0.75 m即半徑長度比小于0.25時，由于燃燒室內(nèi)壓力較高，射流不能到達(dá)燃燒室的末端，燃燒室的后半部分射流卷吸的煙氣量很少，平均速度低。在燃燒室半徑增加后，燃燒室內(nèi)壓力下降，射流能順利到達(dá)燃燒室末端，平均速度增大。從圖5可以看出：在燃燒室后半部有渦流區(qū)。

3.2 煙氣卷吸率

圖6所示為x方向離入口距離的煙氣卷吸率。從圖6可以看出：在燃燒室長度固定為3 m的情況下，煙氣卷吸率隨半徑增大而增大；半徑長度比增大后，爐內(nèi)壓力分布較為均勻，射流能到達(dá)在燃燒室內(nèi)后部，從而整體的煙氣卷吸率增加。

圖4 爐膛xOy平面壓力分布圖Fig.4 xOy plane pressure distribution in chamber

圖5 爐膛xOy平面速度矢量圖Fig.5 xOy plane speed vector diagram in chamber

圖6 燃燒室長度為3 m、燃燒室半徑r不同時的煙氣卷吸率Fig.6 Flue gas recirculation rate with different chamber radius at chamber length of 3 m

從圖6還可以看出：在多數(shù)燃燒室中，隨射流向燃燒室內(nèi)部運(yùn)動，即與燃燒室進(jìn)出口處的距離x增加，更多的煙氣被卷吸入射流內(nèi)，煙氣卷吸率(Kv)上升。

另外，當(dāng)半徑大于0.75 m后，煙氣卷吸率(Kv)不再出現(xiàn)隨x增加而減小的情況，而是很平穩(wěn)地固定在6以上。這是由于渦流區(qū)已經(jīng)到達(dá)了燃燒室的最里面，不再影響流動情況。

3.3 燃燒器中空氣和燃料預(yù)熱效果

圖7所示為4種不同燃燒器模型中xOy平面的溫度分布圖。由圖7可以看出：在無隔板的燃燒器中，空氣可以被預(yù)熱到900 K左右；三隔板的燃燒器中，為1 000 K左右；五隔板的燃燒器中，為1 100 K左右；七隔板的燃燒器中，為1 200 K左右。4種燃燒器模型中，燃料因?yàn)檫M(jìn)口速度比較大，換熱面積不夠?qū)е骂A(yù)熱效果不佳。

圖7 燃燒器xOy平面溫度分布圖Fig.7 xOy plane temperature distribution in burner

由于采用的換熱管均為光管，換熱系數(shù)較低，若采用如肋片管等增強(qiáng)換熱的方式，則換熱效果會得到進(jìn)一步改善。

高溫空氣燃燒的發(fā)展和研究表明，實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒有2個重要的前提條件：

(1) 燃燒室內(nèi)有強(qiáng)烈的煙氣循環(huán)，氧氣被高度稀釋；

(2) 進(jìn)入燃燒室內(nèi)的空氣被預(yù)熱到較高溫度。

Cavigiolo等[12]發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒所需要的煙氣卷吸率(Kv)與燃料的熱值有關(guān)。比如，燃料為甲烷時，需要Kv＞4，并且爐內(nèi)溫度為800～850 ℃；而燃料為乙烷時，只需要Kv＞3.5，爐內(nèi)溫度為600～650℃。Effuggi等[13-15]發(fā)現(xiàn)：在高煙氣卷吸率(Kv＞5)和高溫(t＞800 ℃)下，低熱值的生物質(zhì)也可以實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒。

由于本燃燒器的設(shè)計(jì)燃料為低熱值的高爐煤氣，當(dāng)煙氣卷吸率和空氣預(yù)熱溫度能達(dá)到較高值時，可認(rèn)為滿足了高溫空氣燃燒所需要的前提條件。

3.4 燃燒室內(nèi)溫度場及燃燼率

分別采用傳統(tǒng)燃燒器和自預(yù)熱燃燒器，對半徑為0.75 m的燃燒室模型進(jìn)行溫度場比較，結(jié)果見圖8。由圖8可以看出：當(dāng)傳統(tǒng)燃燒器按傳統(tǒng)燃燒方式采用較低流速(20 m/s)時，燃燒室內(nèi)已經(jīng)熄火，燃燒無法進(jìn)行。當(dāng)傳統(tǒng)燃燒器采用新型燃燒器相同流速(50 m/s)但無預(yù)熱時，燃燒得以進(jìn)行。

由圖8還可以看出：采用自預(yù)熱燃燒器時，由于有空氣預(yù)熱過程以及高溫?zé)煔饣亓鞯拇嬖?，不僅使得燃燒室內(nèi)的低溫區(qū)更小，而且整個燃燒室內(nèi)的平均溫度更高。

由于采用不同燃燒器時輸入的燃料量和空氣量一致，不同燃燒器的燃火盡率結(jié)果見表2。由表2可以看出：采用自預(yù)熱燃燒器時，燃燒更充分，燃料利用率更高。

圖8 r=0.75時燃燒室xOy平面溫度分布圖Fig.8 xOy plane temperature distribution in r=0.75 chamber

表2 不同燃燒器燃燼率Table 2 Burn-out rate of different burners

4 結(jié)論

(1) 燃燒室半徑長度比影響整體流場分布。半徑長度比小于0.25時，燃燒室壓力分布不均，射流速度在燃燒室內(nèi)迅速降低，卷吸率亦隨之迅速下降。

(2) 在空氣流速較高(50 m/s)的情況下，通過增加其燃燒器內(nèi)的流動路程，可顯著提升空氣預(yù)熱溫度。

(3) 采用多段式自預(yù)熱燃燒器的情況下，空氣可以預(yù)熱到1 200 K以上。當(dāng)燃燒室半徑長度比超過0.25時，煙氣卷吸率(Kv)可以容易地超過6，滿足了低熱值氣體實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒所需要的前提條件。

(4) 煙氣卷吸率與預(yù)熱溫度共同影響高爐煤氣的燃燒狀況。與傳統(tǒng)燃燒相比，使用這種新型多段式自預(yù)熱燃燒器保證了低熱值燃料對卷吸率與預(yù)熱的要求，不僅燃燒穩(wěn)定，更重要的是可回收煙氣熱量，使得燃燒室內(nèi)的平均溫度升高，不可逆熱損失和傳熱損失減小，燃料利用率升高。

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