明火燒嘴爐內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬

任立言，劉 杰

（中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 工程事業(yè)部，北京100081）

高溫（預(yù)熱）空氣燃燒技術(shù)（HTAC）是一種集高效、節(jié)能、低排放多重優(yōu)勢(shì)于一體的全新型燃燒技術(shù)，早在20世紀(jì)90年代初，日本和德國(guó)就最先開(kāi)始了該技術(shù)的研究[1]。在大力推進(jìn)節(jié)能和環(huán)保的政策下，國(guó)內(nèi)相關(guān)院校和科研院所也積極投入研究和開(kāi)發(fā)工作，運(yùn)用該技術(shù)對(duì)全國(guó)數(shù)十家鋼鐵企業(yè)的熱工設(shè)備進(jìn)行了改造，取得了顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)燒嘴生產(chǎn)廠家在這方面的研究也達(dá)到了國(guó)際水平，某國(guó)產(chǎn)燒嘴（見(jiàn)圖1、圖2）的獨(dú)特之處在于燒嘴頭旋風(fēng)盤的應(yīng)用研究，即使燒嘴在低負(fù)荷工作時(shí)，也可以保證火焰長(zhǎng)度和剛度，同時(shí)可以得到最低的NOx生成量，筆者利用STAR-CD熱流體模擬軟件對(duì)此燒嘴的三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)不同燃?xì)饬髁恳约盁煔饣亓鲗?duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)速度場(chǎng)以及各種煙氣成分的濃度場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)試驗(yàn)起到進(jìn)一步的指導(dǎo)作用。

圖1 燒嘴外部結(jié)構(gòu)圖

圖2 燒嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 原始條件

如圖3所示，燃燒爐爐膛尺寸為4 000 mm×1 000 mm×1 000 mm；燒嘴結(jié)構(gòu)為外混式混合方式，空氣和燃?xì)夥珠_(kāi)供給，保證空氣系數(shù)為1.2；煙氣出口直徑為150 mm。

圖3 燃燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究了燃?xì)饬髁糠謩e為6 m3/h、8 m3/h、10 m3/h和12 m3/h時(shí)有無(wú)煙氣回流對(duì)爐內(nèi)溫度及NOx等煙氣成分的影響。

1.2 控制方程

試驗(yàn)爐的流場(chǎng)控制方程主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流模型、燃燒模型和輻射模型。

1.2.1 試驗(yàn)爐流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程

1.2.2 試驗(yàn)爐流場(chǎng)的能量控制方程

1.3 湍流模型

湍流模型直接影響火焰在燃燒爐內(nèi)的穩(wěn)定性和燃?xì)馀c空氣的混合，本計(jì)算采用RNG-kε湍流模型。

湍流動(dòng)能方程：

湍流耗散率方程：

1.4 燃燒模型

在Spalding提出的湍流預(yù)混燃燒的EBU（Eddy-Break-Up）模型中，認(rèn)為湍流燃燒區(qū)由未燃?xì)夂鸵讶細(xì)獾奈F(tuán)組成，它們的破碎導(dǎo)致這兩種微團(tuán)的迅速接觸，并在二者的交界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，假定湍流燃燒時(shí)化學(xué)反應(yīng)的速率取決于未燃?xì)夂鸵讶細(xì)馕F(tuán)在湍流作用下破碎成更小微團(tuán)的速率，即湍流燃燒過(guò)程由湍流混合過(guò)程來(lái)控制。與其它湍流燃燒模型相比，EBU模型十分簡(jiǎn)單易用，因此在燃燒爐等實(shí)際燃燒系統(tǒng)的數(shù)值模擬中都有廣泛的應(yīng)用[2]。

對(duì)于EBU模型，燃料的反應(yīng)速率為：

在本次計(jì)算中Aebu取值范圍在0.5～2之間。

為了避免模型中簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)忽略了對(duì)燃燒反應(yīng)具有重要影響的CO，滿足工程問(wèn)題的實(shí)際需要，目前常采用兩步反應(yīng)系統(tǒng)[3]，反應(yīng)式為：

在STAR-CD中，當(dāng)選擇NO products時(shí)，即不考慮產(chǎn)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，不需要設(shè)置點(diǎn)火，改變Aebu值可以來(lái)調(diào)整火焰的長(zhǎng)度和溫度。

1.5 輻射模型

在STAR-CD中，輻射模型可以選擇Discrete Beam Model（詳見(jiàn)STAR-CD方法論，這里不再給出）。

1.6 NOx模型

燃燒過(guò)程所排出的NOx一般是指NO和NO2，其中絕大部分是NO，在火焰帶的下游或排放后一部分的NO轉(zhuǎn)化為NO2。按NOx生成機(jī)理方面的研究，分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。由于所用燃料中氮含量很少，故可以不考慮燃料型氮，同時(shí)在本次燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的NOx中NO超過(guò)95%，因此本次數(shù)值模擬只計(jì)算高溫低氧燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的熱力型NO。其反應(yīng)機(jī)理為：

2 計(jì)算結(jié)果的分析及討論

利用STAR-CD提供的上述各種模型，按文中原始條件中的邊界條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，所得結(jié)果見(jiàn)圖4～圖15。

圖4 流量為6 m3/h時(shí)O2濃度分布圖

圖5 流量為8 m3/h時(shí)O2濃度分布圖

圖6 流量為10 m3/h時(shí)O2濃度分布圖

圖7 流量為6 m3/h時(shí)CO2濃度分布圖

圖8 流量為8 m3/h時(shí)CO2濃度分布圖

圖9 流量為10 m3/h時(shí)CO2濃度分布圖

圖10 流量為6 m3/h時(shí)NO濃度分布圖

圖11 流量為8 m3/h時(shí)NO濃度分布圖

圖12 流量為10 m3/h時(shí)NO濃度分布圖

圖13 流量為6 m3/h時(shí)溫度分布圖

圖14 流量為8 m3/h時(shí)溫度分布圖

圖15 流量為10 m3/h時(shí)溫度分布圖

圖4 ～圖15分別為不同流量下?tīng)t膛內(nèi)的燃料濃度分布、O2濃度分布、CO2濃度分布、NO濃度分布和溫度分布?？梢钥闯觯谥行木€處空氣供應(yīng)不足，燃燒反應(yīng)不能充分進(jìn)行，在離開(kāi)中心線一定位置，燃料與空氣達(dá)到反應(yīng)當(dāng)量比，燃燒反應(yīng)最劇烈，在燃料濃度為零的區(qū)域出現(xiàn)了火焰前沿，形成火焰峰面?；鹧鏈囟冗_(dá)到了最高，氧氣濃度梯度最大，沿徑向氧氣濃度從峰值迅速降到最低值，離開(kāi)火焰峰面。沿著爐膛中心線方向，隨著核心射流的擴(kuò)散，燃燒火焰區(qū)域加大，火焰變寬?；鹧婷婧突鹧媲把谻O2濃度較高，這是因?yàn)榛鹧媲把匾约盎鹧婷嬷腥剂虾脱趸瘎┌l(fā)生了充分的燃燒，燃燒終產(chǎn)物CO2濃度高。隨著燃料的增加，火焰長(zhǎng)度及爐膛內(nèi)的平均溫度均增加。NO濃度最高的區(qū)域正是燃料燃燒的火焰鋒面區(qū)域，溫度最高，最能夠滿足生成NO所需要的高溫環(huán)境。

圖16 ～圖23分別為煤氣流量為12 m3/h，有、無(wú)煙氣回流工況下，爐膛內(nèi)O2濃度分布、CO2濃度分布、溫度分布和NO濃度分布?？梢?jiàn)有煙氣回流時(shí)，火焰類型發(fā)生了變化，火焰形狀不明顯，燃燒爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布更加均勻，這種在高溫下組織貧氧狀態(tài)下的燃燒，避免了高溫下NO的大量產(chǎn)生。與無(wú)煙氣回流工況相比，溫度相對(duì)較為均勻和相對(duì)降低，NO濃度降低。但從中也可以看出，殘氧量也提高，因此，采用煙氣回流來(lái)控制NO的濃度時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整煙氣的回流比例。

圖16 流量為12 m3/h時(shí)無(wú)煙氣回流工況下O2濃度分布圖

圖17 流量為12 m3/h時(shí)有煙氣回流工況下O2濃度分布圖

圖18 流量為12 m3/h時(shí)無(wú)煙氣回流工況下CO2濃度分布圖

圖19 流量為12 m3/h時(shí)有煙氣回流工況下CO2濃度分布圖

圖23 流量為12 m3/h時(shí)有煙氣回流工況下NO濃度分布圖

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)分析的各種情況中，最低的NOx排放濃度只有2×10-6，最高的NOx排放濃度也只有60×10-6，說(shuō)明文中研究的燒嘴結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低NOx排放。

圖20 流量為12 m3/h時(shí)無(wú)煙氣回流工況下溫度分布圖

圖21 流量為12 m3/h時(shí)有煙氣回流工況下溫度分布圖

圖22 流量為12 m3/h時(shí)無(wú)煙氣回流工況下NO濃度分布圖

（2）提高燃料流量，也提高了中心空氣的出口射流強(qiáng)度，在爐膛中心形成射流核心區(qū),沿爐膛中心線方向，速度最大；離開(kāi)射流核心區(qū)，速度迅速衰減，并在靠近爐膛邊壁處出現(xiàn)負(fù)速度，從而將燃?xì)饩砦M(jìn)來(lái)，有利于空氣和燃?xì)獾倪M(jìn)一步混合均勻。同時(shí)，煙氣在爐膛中的對(duì)流也有利于降低溫度梯度。

（3）煙氣回流裝置促使NOx生成總量有所降低，同時(shí)有效利用煙氣余熱，達(dá)到了節(jié)能的目的。試驗(yàn)中適當(dāng)調(diào)節(jié)煙氣回流的比例有助于進(jìn)一步減少NOx生成總量。

（4）模擬得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榧訜釥t及燒嘴的研究開(kāi)發(fā)工作提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。