一次空氣的噴入量對蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響

李鵬　王連勇

摘要：文章利用fluent流體軟件對采用空氣分級燃燒方式的蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響因素進(jìn)行了數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)控制預(yù)燃室內(nèi)一次空氣的噴入量，可增大火焰體積和溫度的分布數(shù)值，增強(qiáng)爐溫分布的均勻性和降低NOx排放。

關(guān)鍵詞：蓄熱式燒嘴；預(yù)燃室；預(yù)熱方式；溫度場；NOx；燃燒性能 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK233 文章編號：1009-2374（2015）15-0070-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.036

1 概述

高溫空氣燃燒技術(shù)是一項(xiàng)全新型燃燒技術(shù)，具有預(yù)熱空氣高、節(jié)能效果顯著和適用各種燃料性等特點(diǎn)，已在冶金、化工和機(jī)械等領(lǐng)域取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。該技術(shù)的關(guān)鍵在于燃燒過程是在高溫低氧氣氛中進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)真正意義上的高溫空氣燃燒，形成了與傳統(tǒng)燃燒迥然不同的火焰特性，而實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒方法主要是燃料的分級燃燒和空氣的分級燃燒。

筆者工作中所設(shè)計的加熱爐也采用了蓄熱式燃燒方式對工件進(jìn)行加熱，所使用的蓄熱式燒嘴采用的燃燒方法是后者，即空氣的分級燃燒，因此本文以此類型的蓄熱式燒嘴為研究對象，利用FLUENT流體計算軟件對該類蓄熱式燒嘴展開數(shù)值分析，研究該類燒嘴的參數(shù)設(shè)置對溫度場和NOx排放濃度的影響。

2 蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

此類蓄熱式燒嘴燃燒的煤氣主要是城市煤氣、天然氣、液化氣等高熱值煤氣，此類煤氣熱值高，空燃比大，因此一般采用煤氣不預(yù)熱，空氣蓄熱預(yù)熱的燃燒方式，通過設(shè)置輔助煙道排出爐內(nèi)約15%的煙氣。此類蓄熱式燒嘴的特點(diǎn)是燃料噴口置于中心，空氣分為2級供給燒嘴燃燒，即一次空氣和二次空氣。一次空氣為不預(yù)熱的冷空氣，二次空氣為通過蓄熱體預(yù)熱后的高溫空氣。燃料先與一次空氣在混合噴口內(nèi)燃燒，這時的燃燒是不完全燃燒，然后在爐膛內(nèi)再與二次高溫空氣混合進(jìn)行二次的完全燃燒。

3 計算模型及網(wǎng)格劃分

計算模型為專門為測試燒嘴性能設(shè)計制作的實(shí)驗(yàn)性加熱爐。該加熱爐為矩形結(jié)構(gòu)，設(shè)計的理論供熱負(fù)荷為585kW。爐膛結(jié)構(gòu)尺寸為3000mm長×1000mm寬×1200mm高，測試的蓄熱式燒嘴布置在爐子側(cè)墻中部，輔助排煙的煙氣出口布置在燒嘴對面?zhèn)葔Γ艧熆谥睆綖?00mm。一次空氣入口直徑為35mm，燃?xì)馊肟谥睆綖?0mm，二次空氣出口直徑為30mm，混合噴口為碗型結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為200mm深×100mm直徑；混合噴口中心距二次空氣出口中心的中心間距75mm?？紤]計算的經(jīng)濟(jì)性和對稱性，選擇燒嘴和爐膛結(jié)構(gòu)的1/4對稱體為模擬對象。蓄熱式燒嘴和爐膛采用六面體網(wǎng)格劃分，燃料、空氣進(jìn)口和煙氣出口采用貼面網(wǎng)格。

4 控制方程

本文以FLUENT軟件為計算工具，采用k-ε湍流雙方程模型、PDF燃燒模型，該模型不僅考慮了氣體的吸收系數(shù)和發(fā)散系數(shù)對爐膛溫度的影響，同時可使用灰體光段模型進(jìn)行非灰體輻射計算。燃燒過程產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）的生成機(jī)制有熱力型和快速型兩種。

本文模擬選用的空氣的含氧量為21%，氮?dú)鉃?9%，選用的燃料為天然氣。

5 一次空氣速度對溫度場和NOx濃度場的影響

由此類空氣分級燃燒方式的蓄熱式燒嘴的燃燒原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在混合噴口內(nèi)的不完全燃燒對爐膛內(nèi)燃料的再次燃燒以及NOx的排放濃度有著重要的影響，當(dāng)蓄熱式燒嘴的結(jié)構(gòu)及尺寸確定的情況下，一次空氣的噴入速度對混合噴口內(nèi)的燃燒狀況有著直接的影響。本文主要分析了三組不同流速參數(shù)下（見表1）時爐內(nèi)溫度場的特點(diǎn)和NOx濃度場的特點(diǎn)。

表1 流速參數(shù)表

流速參數(shù) 參數(shù)① 參數(shù)② 參數(shù)③

一次空氣流速Va/（m/s） 0 30 60

二次空氣流速Vb/（m/s） 54 51 48

煤氣流速Vf/（m/s） 24 24 24

公用參數(shù)：燃料溫度300K；一次空氣溫度300K；二次空氣溫度1273K；空氣過剩系數(shù)α=1.05

5.1 一次空氣速度對溫度場的影響

圖1 三種參數(shù)下的溫度場

通過圖1模擬顯示的溫度場可以看出，一次空氣噴入速度的變化，燒嘴的燃燒性能出現(xiàn)明顯變化。隨著一次空氣噴入速度逐漸加大，燒嘴混合噴口的出口溫度顯著增大，當(dāng)一次空氣速度達(dá)到60m/s時，燒嘴混合噴口的出口溫度達(dá)到1505K；但是火焰的最高溫度卻是逐漸降低，由參數(shù)①條件下的2550K降到參數(shù)③條件下的2300K；而且隨著一次空氣噴入速度逐漸加大，燒嘴的火焰的體積逐漸變大，火焰溫度大于1600K的高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)散。爐溫分布的均勻性增強(qiáng)。

初步分析認(rèn)為，造成這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)橐淮慰諝馀c燃料在混合噴口內(nèi)的燃燒是不完全燃燒，混合噴口內(nèi)燃料多而助燃空氣少，燃料未完全燃燒，這種不完全燃燒所產(chǎn)生的結(jié)果就是燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱ξ赐耆紵娜剂掀鸬搅藰O好的稀釋作用，使燃料在出混合噴口時便具有了很高的速度和溫度。這種含有大量未燃燒燃料的高溫高速燃燒氣體在燒嘴的混合噴口噴出時，同時會卷吸大量的爐膛煙氣降低了火焰溫度，而且這種高速高溫的燃燒氣體具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力。因此，隨著一次空氣噴入速度增加，蓄熱式燒嘴燃燒火焰溫度降低，火焰體積變大。

5.2 一次空氣速度對NOx濃度場的影響

為了研究一次空氣速度對NOx濃度場的影響，沿著火焰長度方向剖取10個斷面，計算每個斷面上的NO的濃度，將計算的結(jié)果繪制圖表，見圖2：

圖2 不同參數(shù)下NO濃度

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，一次空氣速度對NO濃度的影響與對溫度場影響不同，與一次空氣噴入速度并不是成比例變化。當(dāng)一次空氣后噴入后，NO的濃度大大降低了，特別是當(dāng)一次空氣速度在30m/s時，NO的濃度降低了約60%；但是一次空氣速度達(dá)到60m/s時NO濃度并沒有進(jìn)一步降低，卻是有所上升，但上升幅度并不是很大。分析其原因是因?yàn)樵谝淮慰諝馑俣冗_(dá)到60m/s時，爐膛溫度在這三種情況下最高，導(dǎo)致熱力型NO增多的緣故，但由于火焰的最高溫度降低和爐溫均勻性增強(qiáng)緣故，NO濃度并沒有出現(xiàn)較大的增加。

6 結(jié)語

對于采用空氣分級燃燒方式的蓄熱式燒嘴，一次空氣速度對燒嘴性能影響很大。一次空氣在混合噴口內(nèi)與燃料的不完全燃燒對燃料在爐膛內(nèi)的再次燃燒有重要影響。當(dāng)沒有一次空氣噴入時，燒嘴燃燒體現(xiàn)為火焰體積小，溫度梯度大且生成較多的NOx，隨著噴入的一次空氣速度逐漸變大時，燒嘴燃燒的火焰體積變大，溫度梯度逐步減小，火焰溫度均勻性增強(qiáng)，NOx產(chǎn)生濃度也大大降低。模擬結(jié)果表明，這種燃燒方式可增加火焰長度，爐溫均勻性較好且NOx產(chǎn)生濃度較低。而且通過數(shù)值模擬，也為該類燒嘴在工程中的應(yīng)用提供可靠依據(jù)，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）endprint