基于微火焰燃燒的新型低氮燃燒器模擬優(yōu)化

宋佳霖，程星星，孫榮峰，王志強(qiáng)，耿文廣，張興宇，趙改菊，員冬玲，王魯元

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)能源研究所 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省能效與低碳工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

天然氣作為一種高效清潔的能源越來(lái)越受業(yè)界重視，許多燃煤電廠也加快了“煤改氣”進(jìn)程。煤炭是我國(guó)主要能源，但其燃燒會(huì)產(chǎn)生大量污染物，為此我國(guó)采取多種手段對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。煤炭消費(fèi)從2000年的67.5%降低到2020年的55%，同步降低12.5%；天然氣從2000年的2.8%增長(zhǎng)到10%[1]。大力發(fā)展天然氣能源能緩解我國(guó)能源與環(huán)境的矛盾問(wèn)題，而天然氣鍋爐的“低氮燃燒”是解決污染問(wèn)題的有效方式[2-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)低氮燃燒問(wèn)題開(kāi)展大量研究，設(shè)計(jì)原理包括煙氣再循環(huán)、貧燃預(yù)混燃燒、旋流燃燒、分級(jí)燃燒[6-9]等。王子葉[10]在Chemkin平臺(tái)建立了軸向分級(jí)預(yù)混燃燒室模型，并在溫度1 973 K的燃燒室內(nèi)研究了當(dāng)量比、停留時(shí)間等對(duì)NOx排放量影響，結(jié)果表明相比于常規(guī)貧預(yù)混燃燒，AFS燃燒在高溫區(qū)有更低的NOx排放。Ahrens等[11]運(yùn)用模擬軟件對(duì)摻混特性的影響進(jìn)行了分析，研究表明提高主燃區(qū)火焰的摻混均勻度有利于降低NOx排放。

采用高速射流火焰也是控制NOx生成的有效手段?；蓥蝃12]研究了穩(wěn)定射流擴(kuò)散火焰的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)燃料稀釋以后火焰面向燃料側(cè)移動(dòng)且火焰的尺寸減小。燃料稀釋降低了燃料濃度，反應(yīng)區(qū)域向燃料側(cè)移動(dòng)，同時(shí)提高了燃料進(jìn)口速度，使氣流加快混合，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)變小，火焰尺寸減小。陳陽(yáng)等[13]對(duì)軸對(duì)稱射流火焰燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)改變射流入口壓力及速度脈動(dòng)，可以有效控制燃燒不穩(wěn)定性。沈燕等[14]對(duì)矩形噴口射流火焰的軸向溫度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)火焰中心軸向溫度隨自身火焰長(zhǎng)度呈三段式分布，第2段火焰溫度最高，NO生成主要集中在該區(qū)域。

前人研究多對(duì)現(xiàn)有經(jīng)典燃燒器進(jìn)行改進(jìn)，鮮見(jiàn)針對(duì)高速射流式燃燒器的研究?，F(xiàn)有燃燒器的NOx排放量可達(dá)到國(guó)家的最新標(biāo)準(zhǔn)30 mg/m3，但燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本過(guò)高且可改進(jìn)空間較小。故本文提出一結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的新型高速射流式低氮燃燒器，并運(yùn)用雷諾時(shí)均模擬的方法對(duì)該低氮燃燒器在微火焰尺度狀態(tài)下的燃燒進(jìn)行優(yōu)化模擬，比較了4種口徑下燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)及NO分布情況，并分析了不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒室溫度及污染物排放的影響。

1 數(shù)學(xué)、物理模型及數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型與控制方程

本文以一新型高速射流式低氮燃燒器為研究對(duì)象，研究了其在微小火焰尺度燃燒狀態(tài)下的溫度場(chǎng)及污染物生成情況。燃燒室整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，燃燒室整體為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為230 mm，整體長(zhǎng)度為550 mm，甲烷與空氣從燃燒室一側(cè)通入，另一側(cè)設(shè)為煙氣出口。燃燒器的立體結(jié)構(gòu)如圖2所示，燃燒器俯視圖如圖3所示。燃燒器整體直徑為70 mm，高度為30 mm，整體采用空氣進(jìn)口與燃?xì)膺M(jìn)口相間的布置方式，大孔為空氣入口，小孔為甲烷入口。該布置方式使燃?xì)馀c空氣混合更均勻且將傳統(tǒng)燃燒器的大火焰細(xì)化為數(shù)股小火焰，不但增大了火焰的散熱面積，降低火焰溫度，還增大了火焰整體直徑，拉長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度使其充滿爐膛，使得爐膛整體溫度分布更加均勻，有效減小了中心火焰高溫區(qū)的面積，從而達(dá)到控制NOx排放的目的。

圖1 燃燒室模型Fig.1 Burner model

圖2 燃燒器三維模型Fig.2 3D model of burner

圖3 燃燒器俯視圖Fig.3 Top view of burner

本文整個(gè)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及組分守恒方程，具體為

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分守恒方程：

(4)

式中，ρ為密度，kg/m3；ui為i方向速度分量，m/s；uj為j方向速度分量，m/s；τij為黏性應(yīng)力；Fi為體積力，N；cp為恒壓比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，K；u為速度，m/s；pr為微元體所受壓力，N；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ms為質(zhì)量流量，kg/s；μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2；s為混合不均勻度；ws為功，W；Qs為熱量，J；t為時(shí)間，s；c為氣體濃度，mol/L。

1.2 數(shù)值模擬方法

目前，F(xiàn)luent軟件為湍流流動(dòng)的燃燒主要提供直接模擬、大渦模擬、雷諾時(shí)均模擬等。參考其他模擬可知采用大渦模擬與直接數(shù)值模擬的方法在相同網(wǎng)格情況下可以取得更高的模擬精度。由于本文整體燃燒室尺寸偏大，需要網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大，計(jì)算周期過(guò)長(zhǎng)，而雷諾時(shí)均模擬能在較少網(wǎng)格下取得較好的模擬結(jié)果[15]，且其將雷諾時(shí)均模擬方程與湍流輸運(yùn)方程中的高階未知項(xiàng)用時(shí)均量與低階未知項(xiàng)表達(dá)，使方程封閉，在預(yù)測(cè)湍流燃燒上具有一定合理性，符合實(shí)際工程要求[16]。綜合考慮，本文決定采用由雷諾時(shí)均方程出發(fā)的統(tǒng)觀模擬方法。

本文采用雙方程模型中應(yīng)用最廣泛標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型(式(5))。方程模型引進(jìn)了表示各向同性小尺度渦機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能速率的脈動(dòng)動(dòng)能耗散率ε，具有更高的計(jì)算精確度。

(5)

式中，P為壓力，N；U為x方向速度分量，m/s；φ為通用因變量；V為y方向速度分量，m/s；W為z方向速度分量，m/s；Γφ為輸運(yùn)系數(shù)；Sφ為通用因變量的源項(xiàng)。

甲烷燃燒過(guò)程復(fù)雜，包含眾多組分及反應(yīng)。限于實(shí)際條件，采用簡(jiǎn)化的甲烷-空氣兩步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)方程為

(6)

(7)

反應(yīng)反應(yīng)速率分別為

(8)

(9)

式中，k為化學(xué)反應(yīng)速率，mol/(L·s) ；Eα為活化能，J/mol；A為指前因子；R為氣體常數(shù)，J/(mol·kg)；n為反應(yīng)指數(shù)。

1.3 邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了確定模型計(jì)算所需的網(wǎng)格數(shù)量，分別選取65萬(wàn)、95萬(wàn)、150萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量在一定工況下，通過(guò)Fluent對(duì)3種網(wǎng)格下燃燒室內(nèi)中心軸線溫度進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量95萬(wàn)及150萬(wàn)時(shí)，數(shù)據(jù)基本重合。因此可認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量95萬(wàn)時(shí)模擬結(jié)果已足夠精確，故本文選取95萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算。

合理的設(shè)置邊界條件是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性及合理性的基礎(chǔ)。在本文的模擬中：

1)燃燒器模型的燃?xì)馀c空氣入口都采用速度入口邊界條件，入口溫度設(shè)置為300 K，入口水力直徑根據(jù)不同入口口徑模型進(jìn)行設(shè)置，入口速度根據(jù)不同工況設(shè)置，湍流強(qiáng)度為5%。

2)燃燒室出口設(shè)為壓力出口，出口壓力為0，為防止回流，設(shè)置出口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.233，出口水力直徑與湍流強(qiáng)度分別230 mm和5%。

3)氣固交界面采用無(wú)滑移、絕熱邊界。

1.4 模型驗(yàn)證

為獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。鄭建祥等[17]對(duì)一新型燃燒器進(jìn)行了二維數(shù)值模擬并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明其模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性。本文在其整體模型尺寸基礎(chǔ)上將其擴(kuò)展為三維模型，并與前者試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。燃燒室沿軸線方向的溫度分布如圖4所示，可知溫度峰值出現(xiàn)位置及大小基本一致，且溫度總體分布情況也基本趨于一致?？芍?jì)算模型具有可靠性。

圖4 本文模擬與文獻(xiàn)中試驗(yàn)?zāi)M燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度對(duì)比Fig.4 Comparison of the temperature in the combustion chamber along the axial direction and the experimental simulation in the literature

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)此新型高速射流式低氮燃燒器在微火焰燃燒狀態(tài)下進(jìn)行了4種孔徑的優(yōu)化對(duì)比模擬，選出最優(yōu)口徑后分別對(duì)不同過(guò)量空系數(shù)(1.1、1.2、1.3、1.4)的燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對(duì)燃燒室內(nèi)高溫區(qū)分布及污染物排放的影響。

2.1 孔徑優(yōu)化模擬分析

模擬控制甲烷入口口徑2 mm不變，射流速度為50 m/s。分別將空氣入口口徑設(shè)置為16、18、20、22 mm，空氣流速設(shè)置為18.75、14.81、12.00、9.92 m/s，模擬對(duì)比其燃燒溫度分布及NO生成情況。

不同空氣入口口徑的燃燒室中心截面溫度分布如圖5所示。由圖5(a)可知，火焰中心溫度最高，為2 400 K左右，沿中心向外溫度逐漸降低，燃燒室大部分溫度處于1 700 K左右。由圖5(b)可知，中心火焰高溫區(qū)呈擴(kuò)張趨勢(shì)，且燃燒室整體溫度提高，大部分區(qū)域溫度在1 900 K左右。由圖5(c)可知，相對(duì)于前2組孔徑下的燃燒情況，其高溫區(qū)域擴(kuò)張較為明顯，燃燒室整體溫度大多在2 000 K以上。由圖5(d)可知，相較于圖5(c)，其燃燒室整體溫度略有上升，但火焰中心溫度從2 600 K降低到2 500 K。燃燒室溫度更趨于均勻。因此，隨著空氣入口口徑的擴(kuò)大，火焰中心高溫區(qū)域擴(kuò)張且燃燒室整體溫度呈升高趨勢(shì)。這是由于在控制甲烷流量流速不變的情況下，增大空氣進(jìn)口口徑，降低空氣流速時(shí)，燃?xì)饧淄榕c空氣混合反應(yīng)燃燒時(shí)間變長(zhǎng)，燃燒釋放出更多的熱量，燃燒室整體溫度升高。而當(dāng)空氣口徑繼續(xù)變大時(shí)(圖5(d))，空氣流速繼續(xù)降低，在燃燒室內(nèi)雖然反應(yīng)燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，由于小火焰散熱面積大，中心高溫火焰向四周散熱，導(dǎo)致火焰中心溫度有所降低而燃燒室整體溫度上升。

圖5 不同口徑燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution along axial direction of combustion chambers with different diameters

本文在軸線方向上每隔20 mm設(shè)置了一個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)點(diǎn)。4種口徑下沿軸線方向上燃燒室內(nèi)相應(yīng)溫度分布如圖6所示。可知空氣口徑為20 mm時(shí)，燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度最高；而空氣口徑為16 mm時(shí)，燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度最低。

圖6 不同口徑燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度分布Fig.6 Temperature distribution along the axial direction of chambers with different diameters

燃燒產(chǎn)生的NO分為燃料型、熱力型、快速型。由于本文模擬研究的新型高速射流式低氮燃燒器使用的是清潔燃料甲烷，不含有氮原子，故無(wú)燃料型NO產(chǎn)生，而快速型NO在整個(gè)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的量相對(duì)其他2種可忽略不計(jì)。綜上，本文將對(duì)熱力型NO的排放情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

熱力型NO的產(chǎn)生主要是因?yàn)槿紵a(chǎn)生高溫，在高溫環(huán)境中，空氣中氮?dú)獗谎趸癁镹O(式(10)、(11))。

N2+O←→NO+N，

(10)

N+O2←→NO+O。

(11)

研究表明，溫度高于1 500 ℃時(shí)，燃燒產(chǎn)生的熱力型NO將呈指數(shù)增長(zhǎng)，溫度每升高100 ℃，NO產(chǎn)生量將增長(zhǎng)數(shù)倍[18]，其生成速率表達(dá)式為

(12)

熱力型NO生成速率不僅與溫度有關(guān)，還與空氣在高溫區(qū)停留的時(shí)間有關(guān)，停留時(shí)間越長(zhǎng)，生成熱力型NO量越高。結(jié)合軸線方向NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，空氣入口為16 mm時(shí)，產(chǎn)生NO量最低。這是由于甲烷流速相同，孔徑不變，燃料輸入量不變，需要氧量不變，故空氣口徑變小時(shí)，其流速變快，高速的空氣在火焰高溫區(qū)停留時(shí)間更短，熱力型NO生成更少。

圖7 不同口徑燃燒室內(nèi)沿軸線方向NO分布Fig.7 Distribution of NO along axis direction in chambers with different diameters

通過(guò)對(duì)比4種口徑下的燃燒室溫度分布與污染物排放情況，發(fā)現(xiàn)在甲烷入口口徑2 mm，空氣入口口徑16 mm時(shí)，其火焰中心高溫區(qū)域面積相對(duì)最小，燃燒室內(nèi)整體溫度分布均勻，NO生成量達(dá)到相對(duì)較低水平。

2.2 燃燒工況優(yōu)化

甲烷入口口徑2 mm，空氣入口口徑16 mm時(shí)，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)下的燃燒及污染物排放情況進(jìn)行模擬，燃燒室中心截面溫度分布如圖8所示。可知隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大，火焰中心高溫區(qū)面積明顯變小，燃燒室整體溫度呈降低趨勢(shì)。這是由于隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，通入空氣量更多，空氣流速加快，高速的射流空氣在燃燒室內(nèi)與甲烷混合反應(yīng)時(shí)間更短，反應(yīng)區(qū)小且高速的空氣本身在流動(dòng)過(guò)程中帶走大量熱量，降低了中心火焰高溫區(qū)域面積與溫度。

圖8 不同過(guò)量空氣系數(shù)下燃燒室內(nèi)沿軸線方向溫度分布Fig.8 Temperature distribution along the axial direction of combustor under different excess air coefficient

4種過(guò)量空氣系數(shù)下，燃燒室沿軸線方向的溫度分布如圖9所示，可知過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，其軸線上溫度最高，達(dá)到2 300 K左右；過(guò)量空氣系數(shù)為1.4時(shí)，軸線上溫度整體在1 800 K左右，相對(duì)較低，燃燒情況較好。

圖9 不同過(guò)量空氣系數(shù)下燃燒室內(nèi)沿軸向方向溫度分布Fig.9 Temperature distribution along the axial direction under different excess air coefficients

4種過(guò)量空氣系數(shù)下，燃燒室內(nèi)沿軸線方向NO分布如圖10所示。

圖10 不同過(guò)量空氣系數(shù)下燃燒室內(nèi)沿軸線方向NO分布Fig.10 Distribution of NO along the axis direction with different excess air coefficients

由圖10可知，增大過(guò)量空氣系數(shù)可以有效降低NO生成。過(guò)量空氣系數(shù)從1.1增大到1.2時(shí)，NO排放量從412 mg/m3降低到137 mg/m3。過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)置為1.4時(shí)，NO排放最低，為52 mg/m3，現(xiàn)了“低氮燃燒”。原因在于甲烷入口流速50 m/s，為高速射流狀態(tài)，而過(guò)量空系數(shù)為1.4時(shí)，所需空氣量較大，進(jìn)流速度(26.25 m/s)達(dá)到高速流動(dòng)狀態(tài)，在此工況下整個(gè)燃燒處于強(qiáng)湍流狀態(tài)，抑制了燃燒室整體溫度，有效減小局部高溫區(qū)域的面積，且在該流速下，空氣在火焰中心高溫區(qū)停留時(shí)間更短，達(dá)到了減小NO生成的目的。而傳統(tǒng)燃燒器NO排放量會(huì)隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大而增大。這是由于隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大，燃燒室內(nèi)氧化氛圍加強(qiáng)，空氣中的氮更易被氧化為NO而造成污染。本文新型低氮燃燒器采用一種高速射流式設(shè)計(jì)，空氣在高溫火焰和強(qiáng)氧化性氛圍內(nèi)停留時(shí)間更短，達(dá)到了低氮燃燒效果。因此將過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)置為1.4，可有效降低燃燒室高溫區(qū)面積且NO排放很低。

3 結(jié) 論

1)本文提出的新型燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，可減少NO排放。這是由于空氣與甲烷入口采用了相間布置形式且入口空氣以高速射流狀態(tài)噴入，這種設(shè)計(jì)不但使燃料燃燒更充分，火焰分布均勻，避免了局部高溫區(qū)域產(chǎn)生，還降低了空氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，達(dá)到了抑制NO生成的目的。

2)與傳統(tǒng)燃燒器相比，新型燃燒器將傳統(tǒng)燃燒器的一個(gè)火焰細(xì)化為多股小火焰，增大了散熱面積，降低了火焰溫度，有效抑制了NO的生成。

3)控制甲烷進(jìn)口口徑2 mm，空氣進(jìn)口口徑為16 mm時(shí)，燃燒室整體溫度分布更低，火焰中心高溫區(qū)域面積更小，污染物NO生成量更低。

4)過(guò)量空系數(shù)對(duì)燃燒室溫度及NO排放有很大影響。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，燃燒室整體溫度和污染物NO排放量下降。過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.4時(shí)，燃燒室整體溫度達(dá)到最低，且溫度分布均勻，生成NO很低為52 mg/m3。