噴口間距對蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響

李 鵬王 超（.大連昌榮爐業(yè)股份有限公司，遼寧 大連 60；.東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽 089）

噴口間距對蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響

李 鵬1王 超2
（1.大連昌榮爐業(yè)股份有限公司，遼寧 大連 116021；2.東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

利用fluent流體軟件分析噴口間距對空氣分級燃燒方式的蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響。研究結果表明，噴口間距對燒嘴的性能很大，改變二次空氣噴口與煤氣噴口的中心間距，可以明顯改變爐內(nèi)的溫度場和流場。

蓄熱式燒嘴；噴口間距；溫度場；流場

高溫空氣燃燒技術在近幾年得到了高速發(fā)展及實際應用。而實現(xiàn)高溫低氧燃燒的方法中最常見的是燃料的分級燃燒和空氣的分級燃燒。筆者參與的工程項目中采用的蓄熱式燒嘴所使用的燃燒方法是空氣的分級燃燒，因此本文以此類型的蓄熱式燒嘴為研究對象，利用FLUENT流體計算軟件研究該類燒嘴的燒嘴頭結構。分析噴口間距對蓄熱式燒嘴性能的影響。

2 蓄熱式燒嘴結構及特點

此類蓄熱式燒嘴的特點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。一次空氣為不預熱的冷空氣，二次空氣為通過蓄熱體預熱后的高溫空氣。煤氣先與一次空氣在預燃室內(nèi)燃燒，然后噴入爐膛與二次高溫空氣進行二次燃燒。燒嘴結構如圖1所示。

3 噴口間距對溫度場影響

為了研究二次空氣噴口和煤氣噴口間距對溫度場、流場的影響，引入一個無量綱數(shù)I，定義為二次空氣噴口中心線和煤氣噴口中心線的距離與預燃室半徑之比：式中：

L——二次空氣噴口中心線與煤氣噴口中心線的距離；D——預燃室直徑。

本文FLUENT數(shù)值模擬采用標準κ-ε湍流模型來模擬湍流流動；燃燒反應基于Spalding簡單燃燒反應系統(tǒng)假設（SCRS），β-PDF燃燒模型，同時可使用灰體光段模型進行非灰體輻射計算。在一次空氣空氣流速為30m/s的條件下，共討論了I=2.0，I=2.8，I=4.4，I=5.2四個無量綱量的影響效果。四種情況下溫度場如圖2所示。可以明顯看出，當I由2增大到2.8時，火焰的最高溫度由2127℃（2400K）降到1928℃（2201K）；爐膛平均溫度上升了近150℃，高溫區(qū)域（1697K的溫度線所包圍的區(qū)域）占據(jù)了大半個爐膛體積；火焰長度增加，火焰中部1851K的溫度線由I=2.0時的約1.4m增加到I=2.8時的2.1m。當I增大到4.4時，火焰體積極度增大，火焰溫度峰值降低到1645℃（1918K），高溫區(qū)域溫度相比I=2.8時升高近100℃，且其體積幾乎充滿了整個爐膛；火焰結構發(fā)生了變化，火焰中部高溫區(qū)（1918K溫度線所包圍的區(qū)域）出現(xiàn)了約0.5m長的中斷區(qū)，而后此高溫區(qū)域又在爐膛中后部以長約1.8m，最寬處約1m的圓錐形“火團”形狀出現(xiàn)；當I=5.2時，即二次高溫空氣噴口位于爐膛左壁面中間位置處，火焰又出現(xiàn)局部高溫，火焰高溫區(qū)域縮短變窄。

4 噴口間距對流場的影響

四種情況下流場分布圖如圖3所示。

從它們的流場圖中不難看出二次高溫空氣與煤氣噴口間距對流場分布的影響。當I=2.0時，二次空氣噴口與煤氣噴口間距較小，兩股射流很快進行了混合燃燒，在兩者之間很難實現(xiàn)回流區(qū)低氧煙氣的利用，表現(xiàn)為火焰長度較短，體積較小。

當I值逐漸增大時，二次空氣與煤氣射流流股之間的回流區(qū)變大，噴口壁面處的回流現(xiàn)象逐漸明顯，合適的煙氣回流將會增加燃燒室內(nèi)氣體的攪拌程度，降低燃燒空間局部的氧含量，從而使火焰體積增大。但是，當I值變大時，射流的穿透能力也會相應減小，靠近爐膛頂部的回流區(qū)受到較大限制，會對燃料的二次燃燒產(chǎn)生不利的影響，所以，I值不可太大。

結語

通過本文的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)這種對于采用空氣分級燃燒方式的蓄熱式燒嘴來說，二次空氣噴口和煤氣噴口間距對燒嘴的性能很大。改變二次空氣噴口與煤氣噴口的中心間距，對爐內(nèi)的溫度場和流場影響較為明顯。因此在實際的項目當中，工程設計人員應該根據(jù)爐子的結構和尺寸，對于蓄熱式燒嘴選用不同的結構參數(shù)，能在很大程度上獲得較好的爐內(nèi)溫度場和流場。

[1]王力軍，蔡九菊，鄒宗樹，郝玉玲.高溫低氧燃燒爐內(nèi)等溫流場特性的數(shù)值分析[J]. 東北大學學報（自然科學版），2003，24（02）：159-161.

[2] WANG Ai-hua, CAI Jiu-ju, XIE Guowei. Numerical Simulation of Combustion Characteristics in High Temperature Air Combustion Furnace[M]. Joural of Iron and Steel Research, International, 2009, 16（02）: 06-10.

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