7MW工業(yè)爐內(nèi)燃油噴霧燃燒過程的模擬研究

關(guān)美霞

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高鐵學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

盡管清潔能源成為未來能源領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，但在全球范圍內(nèi)，目前化石燃料仍占80%，是目前的主要能源?；剂贤ㄟ^燃燒燃料轉(zhuǎn)化為能量，燃燒過程會產(chǎn)生有用的熱量，但也會產(chǎn)生有害的煙道氣[1-2]。因此，如何優(yōu)化化石燃料的燃燒過程，提高熱能利用率降低污染仍然是研究的熱點(diǎn)。在開發(fā)計算機(jī)模擬軟件之前，對燃燒過程的分析僅限于測量和觀察。如今，在煤粉，氣態(tài)燃料或液體燃料噴霧的燃燒過程的分析和改進(jìn)，計算機(jī)模擬已成為不可或缺的部分。對于復(fù)雜的液體燃料燃燒過程來說，其燃燒過程中的物理和化學(xué)過程包括多維的，穩(wěn)定的或瞬態(tài)問題，同時計算過程中耦合了許多子模型：湍流-化學(xué)相互作用，離散相和連續(xù)相之間的熱與質(zhì)量相互作用，輻射傳熱，NOx，SOx和煙灰形成，采用計算機(jī)模擬是研究復(fù)雜燃燒過程優(yōu)化工業(yè)爐的有效方法[3-5]。目前大量的研究對于液體燃料噴霧的擴(kuò)散，傳輸，蒸發(fā)和燃燒的理論和模擬進(jìn)行了研究。Sirignano等人[6]采用了數(shù)值模擬及實驗的方法研究了燃油噴霧燃燒過程，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)k-e(SKE)湍流模型無法如實預(yù)測高渦旋流場，因此應(yīng)改用雷諾應(yīng)力模型(RSM)。 Barreiroset等人[7]發(fā)現(xiàn)，燃燒器的幾何形狀和進(jìn)氣速度對爐內(nèi)的氣體溫度，同時氣體速度和物質(zhì)濃度有很大的影響。研究還表明NOx濃度與燃燒器渦流數(shù)的關(guān)系，快速的液滴蒸發(fā)和較長的停留時間有助于減少NOx。Ling等人[8]通過具有Y型霧化噴嘴的旋流燃燒器和空氣分級，過火空氣和煙道氣再循環(huán)的燃燒配置，實現(xiàn)了較低的NOx和CO濃度。 Wu等人[9]研究了霧化器的數(shù)量和類型，其燃燒方式和在工業(yè)燃燒器中的位置對燃油噴霧燃燒中NO排放的影響。以上研究主要集中在燃燒器的幾何形狀對NOx濃度的影響上。本文擴(kuò)展了對影響燃油噴霧燃燒的其他參數(shù)的數(shù)值分析，例如空燃比，燃油液滴直徑，燃油噴霧半角和燃燒器渦流數(shù)。目的是提高圓柱形工業(yè)爐的性能，該工業(yè)爐將熱量提供給油真空蒸餾的精煉過程。為此，本文采用商用CFD軟件Fluent 18，所選擇的燃燒模型與文獻(xiàn)中的測量結(jié)果進(jìn)行了驗證。最終驗證了模擬的可靠性為優(yōu)化工業(yè)爐的燃燒過程提供指導(dǎo)工藝。

1 計算模型

1.1 工業(yè)爐模型

本文所研究工業(yè)爐是一個圓柱形垂直燃燒爐，為煉油廠的減壓蒸餾過程提供熱量。圖1為爐體幾何示意圖，爐膛高度15 m，由四個主要部分組成：三個燃燒器的爐底、輻射段、錐形對流段和煙囪，其中輻射段高7 m，直徑2.8 m。輻射段之后是錐形段和煙囪。錐形截面高度為2 m，將煙氣導(dǎo)入高度為6 m的煙囪，煙囪管道直徑0.8 m。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)圖

1.2 邊界條件

本文模擬中燃油的物性參數(shù)如表1所示，計算采用旋轉(zhuǎn)周期網(wǎng)格模型。計算域包含一個燃燒器(如圖2所示)，燃料質(zhì)量流量為279 kg/h，而空氣質(zhì)量流量為3 860 kg/h。燃料油進(jìn)口溫度為383 K，空氣進(jìn)口溫度為453 K。燃燒器旋流數(shù)從0.15到1.10不等。對爐膛內(nèi)壁設(shè)置為恒溫邊界條件，爐底壁面800 K，輻射段850 K，錐形截面和煙囪管道中的溫度為550 K。

表1 重油物性參數(shù)及化學(xué)成分

圖2 計算域和邊界條件

2 結(jié)果與討論

2.1 空燃比的影響

本文研究了7種相對空燃比(AFR)，分比為0.9、0.975、1.05、1.125、1.15、1.20和1.275。計算中設(shè)置液滴直徑dp為50 μm，燃油噴射半角φ為42.5°，渦流數(shù)S為0.78。爐膛加熱量Q和煙氣溫度T如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)AFR值在0.95～1.05時，可獲得最高的加熱輸出和煙氣溫度。但當(dāng)AFR較大時其返回較低的加熱輸出和氣體溫度，這主要是因為空氣量較大，顯熱損失較高。爐出口處的CO、H2、NO和SOx摩爾分?jǐn)?shù)如圖4所示。當(dāng)AFR=0.9時，未燃物CO和H2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為17‰和13‰，并迅速下降，當(dāng)AFR=1.15時，下降到0‰。這是因為較低的AFR值促進(jìn)不完全燃燒，從而導(dǎo)致未燃燒物種的摩爾分?jǐn)?shù)較高。SOx和NO的含量隨AFR值的增加而降低，這主要是由于煙氣中的空氣相對較多。在AFR=0.90時，SOx分?jǐn)?shù)(SO2和SO3)為215×10-6，在AFR=1.275時，SOx分?jǐn)?shù)降至165×10-6。值得注意的是，在這種情況下，SO3僅占SOx排放總量的1%。通常，在重質(zhì)燃油燃燒過程中，1%到3%的硫轉(zhuǎn)化為SO3。

圖3 熱能輸出，氣體溫度與AFR數(shù)的關(guān)系

圖4 CO、H2、NO和SOx的摩爾分?jǐn)?shù)與AFR數(shù)的關(guān)系

2.2 燃油噴射半角的影響

霧化噴嘴將燃油液滴噴射成空心錐形噴霧。這里考慮了7種不同的燃油噴射半角：20°， 30°， 40°， 47.5°， 55°， 62.5° 和 70°。固定以下參數(shù)值：AFR=1.15、dp=75 μm和S=0.78。燃油噴射半角對爐膛加熱量和煙氣溫度的影響如圖5所示。可以看出，較大的噴霧半角會降低爐膛的發(fā)熱量和煙氣溫度。大的噴霧角增強(qiáng)了空氣和燃料液滴之間的混合，使其點(diǎn)火更快，更靠近燃燒器，但噴霧角過大會導(dǎo)致火焰縮短和熱通量在爐壁上的不利分布。窄的噴霧角阻礙了空氣和燃料液滴之間的混合。因此，燃料液滴點(diǎn)火較晚，火焰區(qū)域被拉長，這使得爐內(nèi)的溫度分布更為有利，輻射和對流部分的熱通量也更高。

圖5 熱能輸出和氣體溫度與燃油噴射半角的關(guān)系

2.3 燃油液滴直徑的影響

燃油液滴的大小取決于霧化噴嘴中的壓力。燃油液滴的大小影響燃油通過再循環(huán)區(qū)的穿透方式，從而影響火焰的幾何形狀和穩(wěn)定性。一般來說，在液體噴霧中，較大的燃料液滴遵循彈道軌跡，它們的運(yùn)動受初始噴嘴特性的影響，而不是受周圍氣相的影響。另一方面，較小的液滴更容易受到氣相的影響，因為很快失去慣性。此外，較小的液滴與氣相的混合更好，蒸發(fā)和點(diǎn)燃比較大的液滴更早。在本研究中，液滴的粒徑分布用RosinRammler函數(shù)來描述，RosinRammler函數(shù)由液滴的平均直徑和擴(kuò)散參數(shù)來定義[10]。擴(kuò)散參數(shù)為1.4，連續(xù)液滴尺寸分布近似為20個離散液滴尺寸。本文計算了7個平均直徑的液滴：25、50、75、100、125、150和175 μm，固定參數(shù)值：AFR=1.15、φ=42.5°和S=0.78。熔滴直徑對加熱爐加熱量和煙氣溫度的影響如圖6所示。從計算結(jié)果可以看出小液滴可獲得較高的加熱輸出和氣體溫度。這是因為空氣和燃料之間的蒸發(fā)和混合被小液滴強(qiáng)化了。而大的燃油滴更容易發(fā)生不完全燃燒，因為它們需要更多的時間蒸發(fā)和點(diǎn)燃。因此，CO和H2分?jǐn)?shù)增加，如圖7所示。SOx組分隨液滴直徑的增大略有增加，而NO組分隨液滴直徑的增大無明顯變化趨勢。因此盡可能減小液滴大小對于熱能的利用和減少氣體污染物的產(chǎn)生都是有利的。

圖6 熱能輸出和氣體溫度與平均液滴直徑的關(guān)系

圖7 CO、H2、NO和SOx的摩爾分?jǐn)?shù)與平均液滴直徑的關(guān)系

2.4 流場模擬結(jié)果

最后對不同AFR和噴射角下爐內(nèi)CO氣體分布情況進(jìn)行表征，其中AFR值對工業(yè)爐內(nèi)燃油噴霧燃燒CO餾分的影響如圖8所示。通過模擬云圖可以直觀顯示，當(dāng)AFR值為0.90、1.05和1.20時，在x=1、2和3爐底的三個截面上的CO分?jǐn)?shù)隨AFR值的增大而減小。同樣燃油噴射角對于CO濃度分布也具有類似的規(guī)律(見圖9)。通過CO濃度分布可以清晰看出爐體內(nèi)底部CO濃度最高，隨著高度的增加，CO濃度逐漸減小，AFR及φ值越大，CO濃度將越低。

圖8 不同AFR爐體內(nèi)CO濃度分布圖

圖9 不同燃油噴射半角爐體內(nèi)CO濃度分布圖

3 結(jié) 論

本文對工業(yè)爐內(nèi)燃油噴霧燃燒進(jìn)行了數(shù)值研究。分析了空燃比、油滴尺寸、燃油噴射角等燃料和燃燒器參數(shù)對燃燒過程質(zhì)量的影響。關(guān)于AFR值的影響，發(fā)現(xiàn)大于1.15的AFR確保完全燃燒和未燃燒物種CO和H2的最小分?jǐn)?shù)。污染物NO和SOx的含量也隨AFR值的增大而減小，這是由于煙氣中空氣含量相對較大所致。但是，在接近化學(xué)計量比的條件下，即AFR值在1.0左右時，可獲得最高的爐加熱輸出。燃油噴射半角對爐膛發(fā)熱量和組分排放有相似的影響。寬噴霧半角有利于燃料滴在近燃燒器區(qū)域的空間分散?；鹧鎱^(qū)寬而短，顆粒平均停留時間延長。因此，當(dāng)噴霧半角大于50°時，CO和H2排放以及SOx分?jǐn)?shù)顯著降低。但是，供熱量也有所下降因為短火焰會對熱通量向爐壁的分布產(chǎn)生負(fù)面影響。數(shù)值分析表明，液滴平均直徑在100 μm以下，可以保證較高的加熱溫度產(chǎn)量和低污染物排放。更大的油滴需要更多的時間蒸發(fā)和燃燒，從而導(dǎo)致不完全燃燒。