旋流器應(yīng)用于小功率蓄熱式燃燒器的研究

1 概述

蓄熱式燃燒技術(shù)(HTAC)

是20世紀90年代發(fā)達國家開始推廣應(yīng)用的一種全新的燃燒技術(shù)。該技術(shù)采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，使空氣與高溫煙氣交替流經(jīng)蓄熱體，最大程度回收高溫煙氣的顯熱，節(jié)能30%以上。由于助燃空氣可預(yù)熱至800～1 000 ℃，燃燒區(qū)含氧量為2%～21%，真正實現(xiàn)了高溫低氧燃燒，火焰與傳統(tǒng)火焰迥然不同

。與傳統(tǒng)燃燒相比，蓄熱式燃燒技術(shù)具有節(jié)能、降低NO

排放、降低燃燒噪聲的優(yōu)點,被譽為21世紀關(guān)鍵技術(shù)之一

。

目前，大功率(300 kW以上)的蓄熱式燃燒器在工業(yè)領(lǐng)域(如梭式窯

、隧道窯

、陶瓷爐窯

、輥道窯

和垃圾焚燒處理爐

等)已有較多研究和初步應(yīng)用。歐儉平等

對蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用于冶金設(shè)備、燃氣輻射管進行了理論分析和實驗測試。CHO等

研究了300 kW蓄熱式加熱爐的傳熱和排放特性，該爐配有3對蓄熱式燃燒器，比較了對于平行和交錯燃燒，兩種燃燒器配置在排放(NO、CO)和溫度均勻性方面的特點。YANG等

、SU等

、WANG等

、LIU等

采用數(shù)值模擬方法，分別計算了高溫空氣燃燒過程的溫度場、速度場、火焰特性，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。RAFIDI等

實驗研究了HTAC火焰特性對工業(yè)試驗爐內(nèi)傳熱強度和均勻性的影響，測量了爐內(nèi)幾個位置的瞬時和平均溫度、熱流量、煙氣成分。

在小型爐窯的應(yīng)用中，蓄熱式燃燒器尚存在低溫區(qū)范圍大、爐壓波動大等穩(wěn)定性問題。若能適當減小蓄熱式燃燒功率，將極大促進燃氣行業(yè)的工業(yè)節(jié)能技術(shù)水平。

本文依托小型加熱爐試驗臺，采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，對旋流器應(yīng)用于小型蓄熱式燃燒器進行了初步研究，測試了功率為50 kW燃燒器的實際運行情況，并對燃燒溫度、蓄熱體溫度、換向時間、NO

排放進行了分析。

大港油田提出了技術(shù)經(jīng)濟一體化，開放合作，有效建產(chǎn)的思路。油田創(chuàng)新開發(fā)模式，從開發(fā)方案設(shè)計入手，最大限度開展地質(zhì)設(shè)計及過程優(yōu)化來探討未動用儲量的效益開發(fā)；創(chuàng)新提出全生命周期模式，在沈家鋪、舍女寺等20個區(qū)塊動用地質(zhì)儲量1609萬噸，鉆新井109口，總進尺32.11萬噸，建產(chǎn)能22.5萬噸，形成日產(chǎn)520噸規(guī)模，累積產(chǎn)油24.8萬噸，提高低滲油藏的開發(fā)效果；推進風險作業(yè)管理模式，6個風險合作區(qū)塊最高日產(chǎn)達200噸以上，最高年產(chǎn)3萬噸，累計產(chǎn)出原油10.5萬噸，推動了低滲難采區(qū)塊的有效動用。

2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)包括燃燒系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，見圖1。

2.1 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)包括一對加裝了旋流器的蓄熱式燃燒器(見圖2)，布置在爐內(nèi)兩端。燃燒器中心孔供應(yīng)燃氣，周圍為空氣流道，通過旋流器產(chǎn)生空氣旋流，以加強燃氣與空氣的混合，旋流片角度為45°。

2.2 管路系統(tǒng)

圖10為加熱爐模型，主要模擬換向時間對爐內(nèi)溫度均勻性的影響。此處簡化了燃燒過程，僅討論爐內(nèi)傳熱的影響。燃燒器1接口和燃燒器2接口分別為高溫煙氣進口與排煙煙氣出口，并隨時間切換進出口條件，其中進口設(shè)置為質(zhì)量流量進口，出口設(shè)置為壓力出口(-10 Pa)。加熱爐尺寸為1 200 mm×800 mm×350 mm，爐內(nèi)NS平面為同時過兩燃燒器軸線的平面。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200可編程控制器進行控制，主要動作有：燃氣閥開閉、風機開閉、點火操作、電磁閥切換流向操作、熄火保護、溫度監(jiān)控等。

2.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括溫度測量、流量測量、壓力測量和煙氣組成測量。溫度采用K型和S型熱電偶測量；燃氣流量用膜式燃氣表計量，空氣流量和煙氣流量用畢托管和微差壓傳感器計量；壓力數(shù)據(jù)由U型壓力計和微壓計得到；煙氣組成由KANE9506便攜式煙氣分析儀測量。部分測試儀器參數(shù)見表1。溫度的采集周期為1 s/次。

大宗交易市場上，12月20日-12月26日，5個交易日里滬深兩市共發(fā)生大宗交易352筆，其中，深市成交278筆，滬市成交74筆，合計成交12.59億股，成交金額126.87億元。

3 實驗結(jié)果分析

在實驗中，管道天然氣熱值為35 MJ/m

，兩個燃燒器的功率都控制在50～55 kW，燃氣流量為5.14～5.66 m

/h，過剩空氣系數(shù)保持在0.9～1.1。其中，燃氣溫度與空氣溫度為室溫(20 ℃)，燃氣壓力為4 kPa，鼓風機出口壓力為4.5 kPa。

3.1 火焰形態(tài)分析

由圖6可知，不同的換向時間下，各測點的最高溫度有所區(qū)別。換向時間越長，兩火焰上方最高溫度越高，因為換向時間越長，火焰上方區(qū)域的加熱時間也越長，熱量積蓄之后溫度也會越高。在測試過程中，2號火焰上方最高溫度高于1號火焰上方。這是受裝配精度的影響，在實驗過程中，為使二者都達到較好的燃燒狀態(tài)，1號燃燒器過?？諝庀禂?shù)略大于2號燃燒器，導(dǎo)致溫度有所下降。各換向時間下爐內(nèi)溫度變化范圍為752～811 ℃，90 s換向時間下溫度最高。

3.2 爐內(nèi)溫度特性

4.1.2 加熱爐模型

燃燒過程中的火焰形態(tài)見圖3～5。圖3火焰較長且呈淡黃色。圖4火焰根部有旋流出現(xiàn)，火焰長度縮短且呈淡藍色，火焰上方區(qū)域溫度在880～950 ℃。隨著蓄熱體蓄熱與放熱過程的不斷進行，空氣預(yù)熱溫度逐漸提高。伴隨著燃燒過程中熱量的持續(xù)釋放，爐內(nèi)壁面溫度也不斷提升，爐內(nèi)熱對流及熱輻射效應(yīng)增強，燃燒1 h后，火焰逐漸呈現(xiàn)透明狀，見圖5。此時爐內(nèi)高溫區(qū)域顯著增加，高溫區(qū)域溫度保持在1 000 ℃以上。

圖7為燃燒1 h后，連續(xù)600 s測量時間內(nèi)，各測點最高溫度、最低溫度與平均溫度的比值以及各測點溫度的方差，該圖反映了溫度的均勻性情況。圖例中，30 s、60 s、90 s分別表示換向時間，最高溫表示最高溫度與平均溫度之比，最低溫表示最低溫度與平均溫度之比。換向時間為90 s時，蓄熱體后空氣溫度的方差最大，其極值溫度與平均溫度的差異也最大，但此時爐內(nèi)溫度的方差最小，整體溫度均勻性更佳。爐內(nèi)溫度取決于燃燒與傳熱過程的綜合作用，較長的換向時間下傳熱充分，但若換向時間過長，蓄熱體后空氣溫度易出現(xiàn)低值，因為蓄熱體的蓄熱與預(yù)熱能力與時間相關(guān)。換向時間短時蓄熱體后空氣溫度隨時間分布較為均勻，但易造成爐內(nèi)壓力波動頻繁，爐內(nèi)溫度也不易穩(wěn)定。

《閑思》（高藝偉）：朗朗書聲里，悠悠思緒飛。疏治鳥空探，墨夜星黯垂。燈冷催寒近，筆僵伴淚隨。薄情云中月，遙期照我歸。

3.3 煙氣排放分析

過?？諝庀禂?shù)影響燃燒溫度和煙氣組成，也影響火焰長度。利用燃燒器模型模擬過?？諝庀禂?shù)對燃燒工況的影響，設(shè)置燃氣質(zhì)量流量為9.85×10

kg/s，燃燒器功率為50 kW，燃氣溫度與空氣溫度均為300 K，壓力均為2 kPa，分別計算過?？諝庀禂?shù)在0.8～1.3范圍內(nèi)變化時，垂直于氣流行程方向各截面的斷面平均靜壓和斷面平均CH

摩爾分數(shù)，分別見圖11、12。圖中距燃氣或空氣進口(以下簡稱進口)140 mm處為燃氣射流出口，距進口300 mm處為混合區(qū)域出口。對比了不同過剩空氣系數(shù)(

)下的軸心截面(過燃燒器軸心的

平面)火焰形態(tài)和溫度，見圖13。

由表2可知，隨著燃燒的進行，自火焰根到火焰尖，煙氣中的含氧量逐漸降低；部分區(qū)域由于燃燒未完全，存在CO體積分數(shù)的局部高點。在火焰區(qū)域的取樣過程中，由于火焰存在抖動的現(xiàn)象，同一測點在不同時刻可能會處于火焰面內(nèi)或火焰面外，故其CO體積分數(shù)測量出現(xiàn)較大差異；而在爐內(nèi)已經(jīng)充分燃燒的區(qū)域，每次取樣值基本相近。爐下部由于靠近爐門，存在冷風滲透，故含氧量較爐上部高。除個別測點外，NO

體積分數(shù)基本在100×10

以下。圖8為各測點O

和NO

體積分數(shù)的平均值。含氧量低的區(qū)域為燃燒進行區(qū)，溫度高，故NO

體積分數(shù)較高，非燃燒區(qū)域NO

體積分數(shù)均在40×10

以下。

4 仿真模擬

4.1 模型介紹

4.1.1 燃燒器模型

歷年來，會計學專業(yè)穩(wěn)居高薪、高就業(yè)率專業(yè)，報考人數(shù)和通過人數(shù)逐年增加。截至2018年下半年，我國擁有初級會計師證510萬余人，中級會計師證196萬余人，高級會計師證16萬余人。在眾多的從業(yè)者中如何脫穎而出，成為新時代需求的應(yīng)用型、技術(shù)型人才，是當前會計學專業(yè)本科教育急需解決的問題。

燃燒器模型軟件截圖見圖9。燃燒器模型根據(jù)實際尺寸繪制。圖9中的燃氣管內(nèi)直徑為25 mm，長度為130 mm。旋流器外圍的管道內(nèi)直徑為96 mm，長度為300 mm，此管道與燃氣管之間的區(qū)域為空氣通道。燃燒器出口設(shè)置800 mm×600 mm×350 mm的長方體區(qū)域為燃燒空間。本文采用Fluent2019軟件進行仿真計算，燃氣進口與空氣進口設(shè)置為質(zhì)量流量進口(mass-flow-inlet)，出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)，本文設(shè)置為0 Pa。

在爐門開啟狀態(tài)下對溫度分布進行了測試。在兩燃燒器軸線平面內(nèi)均勻布置了3個S型熱電偶，分別測量兩火焰上方(燃燒器軸心正上方300 mm處)及爐膛中部的實時溫度(簡稱爐內(nèi)溫度)，并裝配了K型熱電偶測量蓄熱體前后的空氣溫度。實驗過程中控制換向時間(即蓄熱式燃燒中兩燃燒器工作狀態(tài)切換的時間間隔，量符號用

表示)分別為30 s、60 s、90 s，3種換向時間下燃燒1 h后各測點的最高溫度見圖6。

為使超級電容的優(yōu)勢得以發(fā)揮，可以采用加入雙向 DC/DC變換器的方式控制超級電容器的輸出功率和電壓。為進一步降低超級電容等效內(nèi)阻，選擇降低超級電容器組的電壓等級，增加電容器并聯(lián)支路，經(jīng)過雙向DC/DC變換器升壓后，再與直流母線相連接的方式。目標船舶的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

莫里森巧妙地利用視角聚焦轉(zhuǎn)換、限制敘述、倒敘模式以及鏡像理論等方式，構(gòu)建故事懸念、增強文章張力，通過遞次設(shè)置重要文本動力來推進故事進程，并讓讀者隨之做出相應(yīng)的倫理判斷（CHILTON,PAUL,1980）。

管路系統(tǒng)包括燃氣管路、空氣管路、煙氣管路等。燃氣由低壓管道接入，經(jīng)膜式燃氣表計量后分兩路接入燃燒器1和燃燒器2，兩路分別安裝電磁閥控制開閉，蝶閥與流量計控制每路的燃氣流量?？諝夤苈泛蜔煔夤苈酚?臺鼓風機和1臺引風機驅(qū)動，并通過4個電磁閥切換流向。當燃燒器1工作時，電磁閥1、3開啟，電磁閥2、4關(guān)閉，空氣經(jīng)過電磁閥1流向蓄熱體1，蓄熱體積蓄的熱量釋放，空氣被加熱后升溫，并在燃燒器1中與燃氣混合進行燃燒。燃燒后的煙氣在爐內(nèi)流動，經(jīng)由燃燒器2流向蓄熱體2，煙氣與蓄熱體2進行熱量交換，降溫后的煙氣流過電磁閥3，由引風機排出。當燃燒器2工作時，電磁閥狀態(tài)切換(即電磁閥1、3關(guān)閉，電磁閥2、4開啟)，工作流程與燃燒器1工作時類似。由此實現(xiàn)燃燒與蓄熱過程的周而復(fù)始。

4.2 過?？諝庀禂?shù)的影響

蓄熱式燃燒技術(shù)具有低NO

排放的特點。爐內(nèi)氧的均勻分布使燃燒充滿整個爐膛,不會出現(xiàn)局部高溫,抑制了燃燒過程的最高溫度,使爐膛內(nèi)溫度分布均勻，減少了熱力型NO

的生成。實驗采用KANE9506便攜式煙氣分析儀測試了火焰區(qū)域(火焰根、火焰中、火焰尖)及爐內(nèi)(爐上部、爐下部、排煙處)共6個測點的煙氣組成，其中爐上部為兩燃燒器正中間區(qū)域距爐膛頂面100 mm處，爐下部為兩燃燒器正中間區(qū)域距爐膛底面100 mm處，排煙處為煙氣經(jīng)蓄熱體換熱后的位置。每個測點取樣時間1 min，火焰區(qū)域取樣2次，其余區(qū)域取樣3次，測試結(jié)果見表2。

由圖11～12可知，過?？諝庀禂?shù)越大，斷面平均CH

摩爾分數(shù)越小，混合區(qū)域靜壓越大，但對于燃燒區(qū)域的壓力影響并不明顯；由于燃氣的射流作用，燃氣靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，射流出口處靜壓力很低，當過?？諝庀禂?shù)不高于1.2時，該處靜壓為負值。隨著氣流的前進，混合不斷進行，靜壓逐漸恢復(fù)，最大值出現(xiàn)在混合區(qū)域的中部，當混合氣流進入燃燒區(qū)域后，壓力驟降，基本為大氣壓力。由圖13可知，隨著空氣量增加，火焰長度減小，火焰聚攏，高溫區(qū)域更加集中于燃燒器出口附近。

4.3 空氣預(yù)熱溫度的影響

燃燒溫度受燃氣熱值、空氣量、燃燒產(chǎn)物量和比熱等因素影響，預(yù)熱空氣或燃氣可提高理論燃燒溫度

。燃燒過程中空氣量比燃氣量大很多，因此預(yù)熱空氣對于爐內(nèi)燃燒溫度的提高更加明顯。

利用燃燒器模型模擬空氣預(yù)熱溫度對燃燒工況的影響。設(shè)置燃氣質(zhì)量流量為9.85×10

kg/s，溫度為300 K，空氣和燃氣壓力均為2 kPa，燃燒器的功率為50 kW，保持過?？諝庀禂?shù)為1，空氣預(yù)熱溫度為473～1 273 K。不同空氣預(yù)熱溫度下，垂直于軸心方向各截面的最高溫度見圖14，預(yù)熱溫度用

表示。由圖14可知，隨著空氣預(yù)熱溫度的提高，燃燒所能達到的最高溫度也在提高，且其最高溫度所在位置在向氣流上游移動。這是因為空氣預(yù)熱溫度升高，燃燒更迅速，能在更短的時間內(nèi)達到最高溫度，火焰長度也相應(yīng)減小?？諝忸A(yù)熱溫度越高，燃燒效果越好，但考慮到過高的預(yù)熱溫度較難實現(xiàn)，預(yù)熱溫度高于773 K即可。

表5對比腹地貨源調(diào)整前后各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運港的總中轉(zhuǎn)時間差。由表5可知，受到腹地貨源條件改善的影響，港口群內(nèi)開通主干航線的港口數(shù)量有所增加，如溫州港，因該港開發(fā)利用的干、支泊位資源數(shù)量相對較少，各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運港的總中轉(zhuǎn)時間差增長明顯。事實上，與上海港、寧波舟山港相比，港口群內(nèi)其他港口可利用泊位資源相對充足。

4.4 換向時間的影響

在蓄熱式燃燒中，換向時間直接影響了空氣預(yù)熱溫度，進而影響到爐膛內(nèi)的煙氣溫度。常規(guī)的加熱爐，因熱源輸出位置恒定，爐膛內(nèi)溫度的高低分布較為固定，若對工件加熱需考慮擺放位置的影響。應(yīng)用蓄熱式燃燒器的加熱爐由于周期性切換燃燒位置，促進了爐內(nèi)高低溫氣流的混合，溫度分布均勻，換向時間越短，其混合效果越強烈。對于不同的爐型、不同功率的加熱爐，其適宜的換向時間也不同。

勘探布置1孔，孔深15m。閘基高程0.3～6.8m主要為第②層壤土，構(gòu)成地基主要持力層，具中等壓縮性，微透水性，滲透穩(wěn)定性好，強度較高。

研究了換向時間對爐內(nèi)溫升時間及溫度均勻性的影響，采用加熱爐模型。進口為1 673 K的高溫煙氣，質(zhì)量流量為0.017 8 kg/s。進口壓力為0 Pa，出口壓力為-10 Pa。壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20 W/(m

·K)。換向時間分別設(shè)置為30 s、60 s、90 s和120 s。圖15為各換向時間(用

表示)下，600 s加熱時間內(nèi)，爐內(nèi)NS平面的平均溫度變化曲線，表3記錄了燃燒60～600 s時間段內(nèi)的爐內(nèi)溫度平均值和極值。由圖15和表3可知，換向時間的長短對于爐內(nèi)溫升時間影響不大，各換向時間下爐內(nèi)平均溫度均可在60 s內(nèi)達到1 000 K以上，因為爐內(nèi)輸入的熱功率是恒定的。隨著換向時間的增長，爐內(nèi)平均溫度增加，當換向時間達到120 s時，極值溫度較90 s時有所下降，可見在一定的范圍內(nèi)增長換向時間避免了頻繁切換，爐內(nèi)溫度有所提高，但是過長的換向時間弱化了氣流的混合，導(dǎo)致排煙區(qū)域溫度降低，降低了爐內(nèi)的溫度均勻性。基于本模型的模擬結(jié)果，換向時間為90 s效果最佳。

5 結(jié)論

① 隨著燃燒持續(xù)放熱，火焰由淡藍色逐漸變?yōu)橥该鳡?，高溫煙氣在爐內(nèi)均勻彌散，爐內(nèi)傳熱得到加強。

② 過?？諝庀禂?shù)影響著燃燒器內(nèi)氣體混合及壓力分布，增加空氣量可使火焰長度變短。提高空氣預(yù)熱溫度對促進燃燒有很大作用，同時能在更短的時間內(nèi)達到最高溫度。

③ 換向時間對爐內(nèi)溫升時間影響不大。在一定的范圍內(nèi)增長換向時間避免了頻繁切換，爐內(nèi)溫度有所提高，但是過長的換向時間弱化了氣流的混合，導(dǎo)致排煙區(qū)域溫度降低，降低了爐內(nèi)的溫度均勻性，空氣預(yù)熱溫度易出現(xiàn)低值。換向時間短時空氣預(yù)熱溫度隨時間分布較均勻，但易造成爐內(nèi)壓力波動頻繁，爐內(nèi)溫度不易穩(wěn)定。

④ 蓄熱式燃燒技術(shù)具有低NO

排放的特點，除火焰區(qū)域外，爐內(nèi)及排煙煙道中的NO

體積分數(shù)均在40×10

以下。

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