進(jìn)口空氣速度對(duì)小型燃油鍋爐燃燒影響的數(shù)值分析

李越勝，羅燕來，甘云華，卓獻(xiàn)榮，江志銘，賀春輝，楊澤亮

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院，廣東佛山528300；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640；3.廣州亞斯克節(jié)能科技有限公司，廣東廣州511483）

進(jìn)口空氣速度對(duì)小型燃油鍋爐燃燒影響的數(shù)值分析

李越勝1，羅燕來2，甘云華2，卓獻(xiàn)榮3，江志銘1，賀春輝1，楊澤亮2

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院，廣東佛山528300；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640；3.廣州亞斯克節(jié)能科技有限公司，廣東廣州511483）

針對(duì)不同進(jìn)口空氣速度對(duì)臥式小型燃油鍋爐燃燒情況的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，分析了爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)口空氣流速增大時(shí)，鍋爐爐膛內(nèi)的流體速度、最高溫度有所增大，而二氧化碳的排放有所降低，鍋爐爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布都變得更加均勻。這主要是由于空氣速度的增大，提供了更多的氧氣，同時(shí)增強(qiáng)了燃料與氧氣間的混合，使得化學(xué)反應(yīng)速率增大，爐膛內(nèi)燃燒更充分，傳熱傳質(zhì)過程都有所改善。但過大的進(jìn)口空氣流速會(huì)增大鍋爐的損耗，帶走更多的熱量而降低爐膛內(nèi)的溫度。因此，選擇合適的進(jìn)口空氣速度有利于燃油鍋爐的安全高效運(yùn)行。

燃油鍋爐；數(shù)值分析；燃燒特性；進(jìn)口空氣速度

工業(yè)鍋爐是我國(guó)重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，同時(shí)也是一種高耗能設(shè)備[1-3]。鍋爐的設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的，不僅需要建立數(shù)學(xué)模型選取相應(yīng)參數(shù)，還要依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，手工計(jì)算難以滿足設(shè)計(jì)方案多樣化、周期短等要求[4-5]。而計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為鍋爐的設(shè)計(jì)和分析提供了便利[6-8]。采用數(shù)值分析的方法可以節(jié)約大量人力物力，對(duì)燃油鍋爐進(jìn)行研究是十分有必要的[8-9]。學(xué)者對(duì)燃油鍋爐進(jìn)行了相關(guān)的模擬分析，為設(shè)計(jì)改進(jìn)鍋爐性能，提高鍋爐質(zhì)量和效率提供了參考[10-11]。燃油燃?xì)忮仩t效率、污染物排放特性等都是學(xué)者們關(guān)注的研究方面。李柳強(qiáng)[12]通過影響因子多元回歸的方法分析得到影響燃油鍋爐熱效率最主要的因素是排煙溫度、排煙處干煙氣體積和過量空氣系數(shù)。何金橋等[13]建立了爐膛內(nèi)油霧燃燒的非預(yù)混燃燒模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)速過大或過小都會(huì)增加碳煙顆粒物的生成，對(duì)提高燃油的利用效率提供了參考。姚芝茂等[14]對(duì)小型燃油鍋爐的大氣污染物排放特征和影響因素進(jìn)行了探討，同時(shí)對(duì)我國(guó)小型燃油鍋爐的排放現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。

然而，目前對(duì)于小型燃油鍋爐爐膛內(nèi)燃燒情況的數(shù)值研究還較少。本文結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（Computational Fluid Dynamics，CFD），通過不同進(jìn)口空氣速度對(duì)臥式小型燃油鍋爐燃燒情況的影響進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，針對(duì)鍋爐的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的變化情況進(jìn)行了研究。通過以上分析，在鍋爐設(shè)計(jì)方面取得了一些分析結(jié)果，豐富了燃油鍋爐的研究，對(duì)工程問題具有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型描述

1.1 物理模型

通過對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的臥式小型燃油鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，探討在不同進(jìn)口空氣速度的條件下，鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒情況變化。以柴油作為燃料，采用擴(kuò)散式燃燒器，燃燒時(shí)所需的空氣不與燃料進(jìn)行預(yù)先混合，而在燃燒器噴口后進(jìn)行擴(kuò)散混合并燃燒。由于鍋爐實(shí)際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為便于模擬計(jì)算和分析，在實(shí)際系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)鍋爐模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化和假設(shè)。在本計(jì)算模型中，只保留鍋爐爐膛的基本外形，不考慮鍋爐中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的部件，如鍋爐外皮、煙囪組件等。同時(shí)，爐膛內(nèi)的爐墻、水管等均簡(jiǎn)化為絕熱壁，設(shè)置爐膛尾部為煙氣出口。因而，將鍋爐爐膛簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱形，如圖1所示。其直徑為700 mm，長(zhǎng)度為2 220 mm。采用單管擴(kuò)散式燃燒器結(jié)構(gòu)，在爐膛左端中心處設(shè)置燃燒器圓形燃料噴口，其直徑為28 mm，圓環(huán)形空氣入口外徑為100 mm，內(nèi)徑為28 mm。

在Gambit中對(duì)本研究對(duì)象進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分?？紤]模型結(jié)構(gòu)形狀比較規(guī)則，采用Map形式的網(wǎng)格，網(wǎng)格元素類型格式選擇Quad。采用爐膛內(nèi)火焰溫度的變化來考核網(wǎng)格獨(dú)立性，最終選用網(wǎng)格數(shù)量為15 540的網(wǎng)格劃分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可以得到較為精確的結(jié)果。

圖1 鍋爐爐膛幾何模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

鍋爐爐膛內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)及燃燒過程均遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒方程，由此建立并研究燃燒過程的控制微分方程和模型。

考慮穩(wěn)態(tài)問題，則質(zhì)量守恒方程為

式中：ρ為密度；u為速度矢量；t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程為

式中：p為壓強(qiáng)；f為質(zhì)量力；μ為動(dòng)力黏度。

能量守恒方程為

式中：T為溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Φ為耗散函數(shù)。

組分守恒方程為

式中：Yi為第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ji為組分i的擴(kuò)散通量；Ri為凈反應(yīng)速率；Si為源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。

在模擬計(jì)算中，燃料在鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒簡(jiǎn)化為空間單步化學(xué)反應(yīng)。

2 計(jì)算方法

通過CFD軟件Fluent對(duì)控制方程進(jìn)行求解。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，選擇Eddy Dissipation模型計(jì)算燃料的輸送和燃燒，燃料燃燒不發(fā)生在壁面，沒有彌散相粒子反應(yīng)，燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)為體積反應(yīng)。輻射傳熱模型采用P1模型。采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。壓力方程采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，其他方程采用一階迎風(fēng)格式離散。采用基于壓力速度耦合方式的SIMPLE算法。以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，設(shè)置計(jì)算區(qū)域的各個(gè)邊界條件，具體設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

在本實(shí)驗(yàn)，柴油和空氣分別作為反應(yīng)中的燃料和氧化劑。計(jì)算過程中，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為23%（環(huán)境中的空氣），燃料在燃燒器噴口附近被點(diǎn)燃。

3 結(jié)果與討論

通過改變不同進(jìn)口參數(shù)，考察其對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒情況的影響，可以為鍋爐的設(shè)計(jì)和使用提供一定的參考。利用建立的數(shù)值模擬模型，通過改變不同入口邊界條件的設(shè)置，獲得爐膛內(nèi)燃燒情況的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析和探討鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒特性。

3.1 進(jìn)口空氣速度對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)部速度場(chǎng)的影響

鍋爐爐膛內(nèi)的流體流動(dòng)所形成的速度分布對(duì)整個(gè)鍋爐爐內(nèi)燃燒和傳熱有著十分重要的影響。圖2為在不同進(jìn)口空氣速度條件下（8 m/s、10 m/s、12 m/ s），鍋爐爐膛內(nèi)部的速度分布。

圖2 不同進(jìn)口空氣速度條件下爐膛內(nèi)速度場(chǎng)

由圖中可以看出，隨著進(jìn)口空氣速度的增大，鍋爐爐膛內(nèi)流體整體流速呈上升趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)口空氣速度為8 m/s和10 m/s時(shí)，爐膛內(nèi)流體平均速度分別為7.3 m/s和8.1 m/s。而當(dāng)進(jìn)口空氣速度增大到12 m/s時(shí)，爐膛內(nèi)流體平均速度增大到9.0 m/s。爐膛內(nèi)較高的流體流速增強(qiáng)了高溫流體對(duì)水管管壁的沖刷，有利于爐膛內(nèi)的傳熱。由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口空氣速度的增大，爐膛內(nèi)的流體流速分布更為均勻，局部高流速區(qū)域變得不明顯。在進(jìn)口空氣速度較低時(shí)，爐膛內(nèi)速度分布不均勻，局部流體流速較快，但平均流速偏低，這將引起局部換熱較差，降低鍋爐的熱效率且不利于爐膛內(nèi)的設(shè)備安全運(yùn)行。因而，設(shè)置較高的進(jìn)口空氣速度有利于鍋爐爐膛內(nèi)的傳熱。但過大的流速會(huì)使得爐膛內(nèi)受熱面的磨損作用增強(qiáng)，縮短鍋爐的使用壽命。因而需要綜合考慮，選擇合適的進(jìn)口空氣速度，滿足實(shí)際需要。

圖3 不同進(jìn)口空氣速度條件下爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)

3.2 進(jìn)口空氣速度對(duì)爐膛內(nèi)火焰溫度場(chǎng)的影響

燃料和空氣分別送入爐膛中，一邊混合，一邊燃燒，形成擴(kuò)散燃燒火焰。圖3為在不同進(jìn)口空氣速度條件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），鍋爐爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口空氣速度增大，爐膛內(nèi)的火焰有變小的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)口空氣速度為8 m/s時(shí)，火焰延伸到接近鍋爐爐膛末端，進(jìn)口空氣速度增大后，火焰變短并穩(wěn)定在爐膛的中上部。當(dāng)進(jìn)口空氣速度為10 m/s時(shí)，爐膛內(nèi)的最高溫度為1 940 K，而其他兩個(gè)工況下的溫度均低于此溫度，進(jìn)口空氣速度為8 m/s和12 m/s時(shí)，爐膛內(nèi)的最高溫度分別為1 870 K和1 890 K。可以看到，在高進(jìn)口空氣速度條件下，爐膛內(nèi)的溫度分布更為均勻，但爐膛內(nèi)的溫度有所下降。這是由于當(dāng)進(jìn)口空氣速度增大，帶來更多的氧氣，同時(shí)爐膛內(nèi)速度場(chǎng)分布更為均勻，有利于燃料與氧化劑之間的混合和相互反應(yīng)，燃燒更充分。

圖4 不同進(jìn)口空氣速度條件下火焰面化學(xué)反應(yīng)速率

如圖4所示，為在不同進(jìn)口空氣速度條件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），火焰面的化學(xué)反應(yīng)速率變化。由圖中可以看到，當(dāng)進(jìn)口空氣速度增大時(shí)，火焰中的化學(xué)反應(yīng)速率呈增大的趨勢(shì)?；瘜W(xué)反應(yīng)速率的增大說明了進(jìn)口空氣速度的增大，的確使得燃燒過程加強(qiáng)，從而引起了爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)變化。另一方面，高速火焰對(duì)回流的卷吸作用增強(qiáng)，也使得爐膛內(nèi)的溫度分布更為均勻[11]。但流速的增大會(huì)帶走更多的熱量從而使得爐膛內(nèi)的溫度有所降低。鍋爐爐膛內(nèi)均勻的溫度分布更加符合鍋爐內(nèi)的傳熱要求，管壁受熱更加均勻，因而應(yīng)該避免進(jìn)口速度的過低或過高，選擇合適的進(jìn)口空氣速度有利于提高燃油鍋爐的效率。

3.3 進(jìn)口空氣速度對(duì)爐膛內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

分析爐膛內(nèi)的生成物分布能進(jìn)一步反映爐膛內(nèi)的燃燒情況[14]。圖5為在不同進(jìn)口空氣速度條件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），鍋爐爐膛內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口空氣速度增大時(shí)，鍋爐爐膛內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降，并且CO2的分布更加集中，整個(gè)爐膛內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布相對(duì)變得更加均勻。這一變化與爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化是相一致的。燃燒的穩(wěn)定性與爐膛內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布有密切聯(lián)系，均勻的CO2分布表明了燃燒穩(wěn)定性的提高。這是由于進(jìn)口空氣速度的增大，使得爐膛內(nèi)的速度、溫度分布更加均勻，化學(xué)反映速率增大，燃燒更充分，進(jìn)而CO2的分布也變得更加均勻。同時(shí)，進(jìn)口空氣速度的增大，在一定程度上也對(duì)CO2起到了稀釋的作用。因此，合理的燃燒工況可以有效降低CO2的排放。

圖5 不同進(jìn)口空氣速度條件下爐膛內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法探討了進(jìn)口空氣速度對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)燃燒情況的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的臥式小型燃油鍋爐建立了物理模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行了分析。研究表明：

當(dāng)進(jìn)口空氣流速增大時(shí)，鍋爐爐膛內(nèi)的流體速度增大，而爐膛內(nèi)的最高溫度先增大，而后有所下降，CO2的排放也有所減小。在進(jìn)口空氣流速較高的條件下，鍋爐爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布都變得更加均勻。這主要是由于空氣速度的增大，提供了更多的氧氣，同時(shí)增強(qiáng)了燃料與氧氣間的混合，使得化學(xué)反應(yīng)速率增大，爐膛內(nèi)燃燒更充分，傳熱傳質(zhì)過程都有所改善。但過大的進(jìn)口空氣流速會(huì)增大鍋爐的損耗，帶走更多的熱量而降低爐膛內(nèi)的溫度。因此，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素，選擇合適的進(jìn)口空氣速度有利于燃油鍋爐的安全高效運(yùn)行。

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Numerical Analysis of Influence of Inlet Air Velocity on Combustion in Small Oil-Fired Boiler

LI Yuesheng1,LUO Yanlai2,GAN Yunhua2,ZHUO Xianrong3, JIANG Zhiming1,HE Chunhui1,YANG Zeliang2
（1.Shunde Testing Institute,Special Equipment Inspection and Research Institute of Guangdong Province, Foshan 528300,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;3.Guangzhou YaSike Energy Saving Technology Co.,Ltd，Guangzhou 511483,China）

The numerical simulation was carried out to analyze the influence of different inlet air velocitieson combustion in horizontal small oil-fired boiler.The change conditions of the velocity field,temperature field and the mass fraction of carbon dioxide in the furnace were discussed.The results show that when the air inletvelocity increases,the fluid velocity and the maximum temperature in the furnace willincrease,and carbon dioxide emission will decrease.And all of them become more uniform.This is mainly due to the increase of inlet air velocity providing more oxygen and it enhances the mixing of fuel and oxygen,which increases the chemical reaction rate.The combustion in the furnace is more adequate,and the heat and mass transfer process are improved.While,if the inlet air velocity is too high,it will increase the loss ofthe boiler,and take away more heat which willreduce the temperature in the furnace.Therefore,the choice of appropriate inletair velocity is conducive to the safe and efficientoperation of the oil-fired boiler.

oil-fired boiler;numericalanalysis;combustion characteristics;inletair velocity

TK224.1+1

A

1001-6988（2016）06-0001-04

2016-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51376066）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B09100156）

李越勝（1965—），男，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備安全與節(jié)能檢驗(yàn)、管理及研究工作.