多入口多孔介質(zhì)燃燒器的數(shù)值模擬

舒文靜++郭雪巖

摘要： 在多入口燃燒器內(nèi)加入多孔介質(zhì)，以甲烷/空氣為燃料，采用非預(yù)混燃燒的數(shù)值模擬方法，探究多入口燃燒器的燃燒情況.對比多孔介質(zhì)燃燒與空間自由燃燒，分析了“超焓燃燒”現(xiàn)象；在多孔介質(zhì)燃燒基礎(chǔ)上，探究不同當(dāng)量比對燃燒溫度的影響；在多孔介質(zhì)燃燒和不同當(dāng)量比的基礎(chǔ)上探究污染物CO和CO2的排放情況.結(jié)果表明：多孔介質(zhì)燃燒可以實(shí)現(xiàn)“超焓燃燒”特性，燃燒火焰溫度高于自由空間燃燒溫度；當(dāng)量比對燃燒溫度影響很大，隨著當(dāng)量比的增大，燃燒器內(nèi)最高燃燒溫度升高，但燃燒過程存在一個(gè)最佳當(dāng)量比0.6，超過該當(dāng)量比后最高溫度將不再變化；多入口多孔介質(zhì)燃燒有助于減少CO和CO2的生成量.

關(guān)鍵詞：

多孔介質(zhì)燃燒器； 超焓； 非預(yù)混燃燒； 當(dāng)量比； 數(shù)值模擬

中圖分類號： TQ 052.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Numerical Simulation of Methane/air Combustion in

a Multinozzle Porous Media Burner

SHU Wenjing， GUO Xueyan

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Numerical investigation on combustion characteristics of methane and air in a multinozzle porous medium combustor with nonpremixed combustion model has been conducted.Comparison between porous medium combustion and tradition combustion has been made to investigate “excess enthalpy combustion”.When combustion in porous medium was conducted，effects of equivalence ratio on the combustion temperature and emissions of CO and CO2 were explored.The results showed that combustion in porous medium could realize the “excess enthalpy combustion”.The maximum combustion temperature was obviously higher than that of tradition combustion.And it increased with the rising of equivalent ratio.However，there existed an optimum equivalence ratio of 0.6 in this study.Beyond this value，the maximum combustion temperature kept constant.The multinozzle porous medium burner could reduce the production of CO and CO2.

Keywords：

porous medium burner； excess enthalpy combustion； nonpremixed combustion； equivalent ratio； numerical simulation

多孔介質(zhì)燃燒是一種新型燃燒技術(shù).相對于傳統(tǒng)自由空間燃燒，該技術(shù)拓寬了火焰穩(wěn)定性極限，降低了污染物排放，輻射輸出更高，并通過多孔介質(zhì)蓄熱能力預(yù)熱新鮮燃料，實(shí)現(xiàn)了“超焓燃燒”.凌忠錢等[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了多孔介質(zhì)燃燒中的“超焓燃燒”，驗(yàn)證了“超焓”現(xiàn)象.Kotani等[2]較早使用泡沫多孔介質(zhì)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，并提出利用雙層多孔介質(zhì)駐定火焰.文獻(xiàn)[3-4]介紹了燃燒的一些理論背景和當(dāng)量比、多孔介質(zhì)材料、熱負(fù)荷、進(jìn)口速度等參數(shù)對火焰溫度、燃燒穩(wěn)定性、污染物排放等的影響.史瑞俊等[5]、姜海等[6]也對多孔介質(zhì)燃燒進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒穩(wěn)定、污染物排放低的特點(diǎn).近年來，雙層多孔介質(zhì)燃燒器受到了廣泛的關(guān)注，Hsu等[7]、Khanna等[8]利用部分氧化鋯泡沫材料進(jìn)行雙層多孔介質(zhì)研究，Zhou等[9]、Gao等[10]利用氧化鋁小球堆積床進(jìn)行雙層多孔介質(zhì)研究.以上有關(guān)雙層多孔介質(zhì)研究均表明：上、下孔隙率不同的雙層多孔介質(zhì)燃燒器，其火焰極易穩(wěn)定在兩層多孔介質(zhì)交界面處.Gao等[11]實(shí)驗(yàn)研究了上、下游采用不同多孔材料時(shí)對多孔介質(zhì)燃燒的影響，介紹了不同多孔材料燃燒的優(yōu)缺點(diǎn).多入口燃燒器主要用于工業(yè)鍋爐.王俊等[12]研究了多股流入口燃燒器，得出了多股流多噴口燃?xì)馊紵髋c大氣式燃?xì)庠钕啾龋瑹嵝矢?，?jié)能效果顯著.徐瓊輝等[13]利用數(shù)值方法研究了多股流噴口數(shù)量和排列方式對火焰結(jié)構(gòu)和溫度分布的影響.Mi等[14]數(shù)值模擬了進(jìn)口直徑對平行多入口燃燒器燃燒的影響.

本文以甲烷/空氣作為燃料，在多入口燃燒器基礎(chǔ)上加入多孔介質(zhì)，并與自由空間燃燒特性進(jìn)行對比，分析“超焓燃燒”現(xiàn)象對燃燒溫度和CO、CO2排放特性的影響，詳細(xì)探究在多孔介質(zhì)燃燒基礎(chǔ)上不同當(dāng)量比對燃燒溫度和相應(yīng)狀態(tài)下的CO和CO2排放特性的影響.

1數(shù)值模擬

1.1基本假設(shè)和物理模型

為了簡化計(jì)算，本文假設(shè)：

① 二維穩(wěn)態(tài)湍流模型，忽略氣體輻射，多孔介質(zhì)內(nèi)部的固體輻射傳熱采用有效導(dǎo)熱近似，氣體和固體間視為熱平衡；

② 多孔介質(zhì)視為惰性，各向同性，沒有催化作用；

③ 非預(yù)混燃燒模型中加入燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件GRI3.0.

本文模擬時(shí)采用多入口燃燒器模型，燃燒器內(nèi)徑為61 mm，長度為80 mm.燃燒器幾何尺寸如圖1所示.圖1中模型顯示的燃燒器有三個(gè)氧氣進(jìn)口和三個(gè)燃料進(jìn)口，相關(guān)物性參數(shù)如表1所示.

1.2數(shù)值方法

本文模擬時(shí)采用FLUENT 6.3軟件中的壓力基（pressurebased）求解器，壓力-速度耦合選擇SIMPLE算法，湍流模擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型.流動和組分傳遞的控制方程分別為：

質(zhì)量守恒方程

（φρg）t+（φρgug）x=0

（1）

式中：φ為多孔介質(zhì)孔隙率；ρg、ug分別為多孔介質(zhì)中氣體密度和平均流速；t為時(shí)間，x為x方向坐標(biāo).

組分傳遞方程

t（ρYi）+

SymbolQC@ ·（ρv→Yi）=-

SymbolQC@ ·j→i+Ri+Si

（2）

式中：Ri、j→i、Yi分別為組分i的單位體積的質(zhì)量生成率、摩爾擴(kuò)散通量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρ為密度；v為速度；Si為動量方程源項(xiàng).

動量守恒方程

SymbolQC@ ·（φρgu→u→）=-φ

SymbolQC@ P+

SymbolQC@ ·（φu

SymbolQC@ u→）-R

（3）

式中：R為多孔介質(zhì)阻力項(xiàng)；P為壓力項(xiàng)；u→為速度.

非預(yù)混燃燒模型中的化學(xué)平衡模型假設(shè)層流流動中反應(yīng)物和產(chǎn)物達(dá)到化學(xué)平衡，其熱力學(xué)參數(shù)均與混合物體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān).化學(xué)反應(yīng)平衡模型引入富油燃燒極限（rich flammability limit，RFL），當(dāng)混合物體積分?jǐn)?shù)小于富油極限時(shí)采用化學(xué)平衡計(jì)算各組分濃度；當(dāng)混合物體積分?jǐn)?shù)大于富油極限時(shí)不采用化學(xué)平衡計(jì)算.

密度平均混合分?jǐn)?shù)方程為

t（ρf—）+

SymbolQC@ ·（ρv→f—）=

SymbolQC@ ·μtσt

SymbolQC@ f—+Sm+Suser

（4）

式中：f—、Sm、Suser分別為平均混合物體積分?jǐn)?shù)、氣相反應(yīng)的質(zhì)量傳遞和用戶自定義源項(xiàng)；μt為時(shí)間平均流體黏度.

1.3多孔介質(zhì)區(qū)域阻力系數(shù)

對于各項(xiàng)均勻的多孔介質(zhì)，動量方程源項(xiàng)Sa可定義為

Sa=-μανi+C212ρννi

（5）

式中：α為堆積床多孔介質(zhì)的穿透性；C2為多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)；νi為速度；μ為多孔介質(zhì)的動力黏度.

對于堆積床體，穿透性和內(nèi)部阻力系數(shù)可按照Ergun[15]的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

ΔPL=150μtDP·（1-ε）2ε3·V∞+1.75ρDP·（1-ε）ε3·V2∞

（6）

式中：L為燃燒器的長度；DP為小球的直徑；ε為多孔介質(zhì)的孔隙率；ΔP為多孔介質(zhì)中壓力降；V∞為多孔介質(zhì)中過渡流的流化速度.

通過式（6）可得到黏性阻力系數(shù)1/a和慣性阻力系數(shù)C2的計(jì)算式分別為

1a=150（1-ε）2D2Pε3

（7）

C2=3.5（1-ε）DPε3ε

（8）

2結(jié)果與討論

2.1多孔介質(zhì)中“超焓燃燒”分析

所謂“超焓” 是指在原有混合氣具有的焓基礎(chǔ)上再添加一部分焓之后的狀態(tài)，是采用多孔介質(zhì)取代自由空間，利用其相對于氣體而言更強(qiáng)大的蓄熱功能實(shí)現(xiàn)熱反饋，即將燃燒產(chǎn)生的熱量及尾氣中的余熱用于加熱反應(yīng)區(qū)上游的預(yù)混合氣，從而使燃燒反應(yīng)大大增強(qiáng).在忽略對外熱損失的情況下，火焰溫度可超過與未經(jīng)預(yù)熱的混合氣狀態(tài)相應(yīng)的絕熱火焰溫度，故又稱“超絕熱燃燒” .多孔介質(zhì)的存在可拓寬混合氣的燃燒極限，明顯改善燃燒室的換熱性能，強(qiáng)化介質(zhì)對新鮮混合氣的預(yù)熱.多孔介質(zhì)中混合氣的燃燒溫度和燃燒室的溫度明顯升高.

本文對多孔燃燒和自由空間燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬和對比，溫度云圖如圖2所示，

圖中溫度云圖的標(biāo)度范圍一致，易于比較.從圖中可知：自由空間燃燒中，氣體剛進(jìn)入燃燒器后就立即混合并迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)；而多孔介質(zhì)燃燒中，氣體剛進(jìn)入燃燒器后，由于多孔介質(zhì)的存在，氣體混合并不是很充分，因此在燃燒器上半部分區(qū)域燃燒緩慢，但在中、下游區(qū)域反應(yīng)明顯加快，溫度迅速升高，且明顯高于自由空間燃燒溫度.為了更進(jìn)一步分析多孔介質(zhì)燃燒的“超焓燃燒”現(xiàn)象，圖3給出了燃燒器軸向中心處溫度分布，圖中進(jìn)口當(dāng)量比均為0.6，且進(jìn)口速度都相同.從圖中可以看出，多孔介質(zhì)燃燒溫度明顯高于自由空間燃燒溫度，多孔介質(zhì)燃燒最高溫度（2 100 K左右）比自由空間燃燒最高溫度（1 800 K左右）高出300 K左右，實(shí)現(xiàn)了“超焓燃燒”.自由空間燃燒中燃燒器進(jìn)口處溫度

高于多孔介質(zhì)燃燒，在火焰向下游傳播過程中燃燒溫度上升梯度大，但是在燃燒器中、下游，燃燒溫度明顯比多孔介質(zhì)燃燒的低.

因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)的存在，進(jìn)口處氣體燃燒速率低于自由空間燃燒速率，因此在燃燒器上半部分溫度上升慢.但燃燒一段時(shí)間后，熱量在多孔介質(zhì)聚集并通過固體骨架的導(dǎo)熱、輻射等方式對新鮮氣體進(jìn)行預(yù)熱，使得氣體在向下游傳播過程中溫度上升較快，燃燒溫度達(dá)到“超焓燃燒”溫度.

2.2當(dāng)量比對燃燒溫度的影響

溫度特性是觀察火焰燃燒特性的主要方面，它直接反映燃燒器內(nèi)的燃燒狀況，對傳熱機(jī)理分析、火焰面特性研究和燃燒產(chǎn)物生成控制都具有指導(dǎo)作用.進(jìn)口當(dāng)量比控制的是進(jìn)口燃料和氧氣的體積流量比例，這對燃燒溫度有至關(guān)重要的影響.因此，本文考察了不同當(dāng)量比時(shí)燃燒器內(nèi)燃燒溫度分布以及軸向中心處溫度分布，分別如圖4、5所示.本文將燃燒器平均分為兩部分，上半部分稱為預(yù)熱區(qū)域，下半部分稱為燃燒區(qū)域.

從圖5可以看出，燃燒器內(nèi)的燃燒溫度逐漸升高，最后趨于平穩(wěn)，燃燒反應(yīng)進(jìn)行到下游區(qū)域燃燒基本完成，因此溫度趨于平穩(wěn).在當(dāng)量比為0.6時(shí)，溫度達(dá)到最高，為2 000 K左右.燃燒溫度高是因?yàn)闅怏w在多孔介質(zhì)燃燒過程產(chǎn)生大量熱量，通過導(dǎo)熱和輻射對預(yù)混區(qū)域的氣體進(jìn)行預(yù)熱，使得燃料燃燒得更完全，且火焰基本穩(wěn)定在燃燒器的中、上游.從圖5可以看出，當(dāng)量比對燃燒溫度

影響很大.燃燒溫度沒有燃燒區(qū)域的高是因?yàn)槿紵飨掠螀^(qū)域進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)

產(chǎn)生的大量的煙氣帶來了大量的熱量，且反應(yīng)產(chǎn)生的CO在該區(qū)域會繼續(xù)燃燒產(chǎn)生熱量.從圖4可以看出，若當(dāng)量比過大則燃燒不完全，若當(dāng)量比過小，過量空氣的存在使得預(yù)混氣體的空截面流速增加，火焰穩(wěn)定燃燒的難度增大，燃燒質(zhì)量不佳，從而降低了多孔介質(zhì)中的溫度.因此，預(yù)混燃?xì)庠诙嗫捉橘|(zhì)中燃燒存在一個(gè)較佳的當(dāng)量比.當(dāng)量比為0.2時(shí)，燃燒溫度很低，最高為1 000 K左右，此時(shí)燃燒屬于富氧燃燒；隨著當(dāng)量比增大，燃燒溫度逐漸升高；當(dāng)量比為0.6左右時(shí)，燃燒溫度達(dá)到最高，此時(shí)燃料和氧氣燃燒反應(yīng)充分；隨著當(dāng)量比繼續(xù)增大，當(dāng)量比大于1時(shí)屬于富油燃燒，燃料燃燒不完全，燃燒溫度不會繼續(xù)上升.因此，在本文的模擬條件下，當(dāng)量比為0.6時(shí)為最佳當(dāng)量比，燃料燃燒反應(yīng)充分.

2.3污染物排放特性

多孔介質(zhì)燃燒因?yàn)槠洹俺嗜紵碧匦裕紵a(chǎn)生的CO會減少.圖6為自由空間燃燒和多孔介質(zhì)燃燒時(shí)污染物排放曲線.在燃燒器預(yù)熱區(qū)域CO2質(zhì)量濃度迅速上升，而CO在一段時(shí)間后才慢慢生成，且在燃燒器下游區(qū)域生成較多，然后逐漸趨于平緩或下降.這說明燃燒反應(yīng)開始后，火焰隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行向下游移動，燃燒不完全，產(chǎn)生CO，但燃燒器下游的多孔介質(zhì)有蓄熱功能，可回收大量的高溫?zé)煔庥酂?，在火焰面下游區(qū)域形成高溫多孔介質(zhì)區(qū)域，進(jìn)一步降低了CO的排放.

量比為0.2時(shí)，污染物生成量均很低，特別是CO，此時(shí)燃燒屬于富氧燃燒，燃料燃燒充分，CO生成量很少；隨著當(dāng)量比增大，CO和CO2生成量均增多；特別是當(dāng)量比為0.8時(shí)，CO生成量最大，此時(shí)燃料過余，燃燒反應(yīng)不充分，CO質(zhì)量濃度增大；在最佳當(dāng)量比（0.6）時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行到水平長度為0.02 m時(shí)才開始生成CO和CO2，說明火焰位置在此處，燃燒充分.隨著燃燒的進(jìn)行，CO2增加較快，而CO生成不多且平緩.燃燒反應(yīng)在此時(shí)已穩(wěn)定.從圖6可以看出，自由空間燃燒和多孔介質(zhì)燃燒時(shí)污染物排放情況不同，在自由空間反應(yīng)開始時(shí)，生成CO和CO2的速度較快，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO的產(chǎn)生量高于多孔介質(zhì)，并從下游排出.因此，多孔介質(zhì)燃燒可減少污染物排放，且隨著當(dāng)量比增大，燃燒產(chǎn)生的CO和CO2增多.當(dāng)超過最佳當(dāng)量比時(shí)，燃燒反應(yīng)不完全，CO生成量加快.

3結(jié)論

本文采用非預(yù)混燃燒模型對多入口多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了自由空間燃燒和多孔介質(zhì)燃燒的燃燒溫度特性，考察了當(dāng)量比對多孔介質(zhì)燃燒器、燃燒特性和污染物排放量的影響，得到以下結(jié)論：

（1） 多孔介質(zhì)燃燒可實(shí)現(xiàn) “超焓燃燒”，且最高燃燒溫度明顯高于自由空間燃燒溫度.“超焓燃燒”具有燃燒效率高、可擴(kuò)展貧燃極限、節(jié)約燃料等優(yōu)勢.

（2） 燃燒溫度受進(jìn)口當(dāng)量比的影響很大，會隨著當(dāng)量比增大而升高，且存在一個(gè)最佳當(dāng)量比，此時(shí)燃燒溫度最高.超過最佳當(dāng)量比時(shí)，最高溫度趨于不變.本文計(jì)算得出的最佳當(dāng)量比為0.6.

（3） 多孔介質(zhì)燃燒能有效降低污染物CO的生成.CO和CO2的生成量會隨著當(dāng)量比增大而增加.但當(dāng)量比大于最佳當(dāng)量比時(shí)，燃燒屬于富油燃燒，燃燒反應(yīng)不充分，CO的生成量最高.

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