基于CFD的內(nèi)置式煙氣加熱裝置數(shù)值模擬優(yōu)化

毛 鵬，毛 婭，陳作炳

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

伴隨國(guó)家工業(yè)實(shí)力的提升, 節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展成為時(shí)代的主流與方向[1]。同時(shí)為了更好地踐行環(huán)保理念和滿足民生的要求，工業(yè)廢氣的排放有了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前，煙氣脫硝仍是NOx污染控制的主要技術(shù)。在傳統(tǒng)干法脫硝SCR(selective catalytic reduction)脫硝技術(shù)中，為保證催化劑的高活性以及脫硝的高效性，需要對(duì)煙氣進(jìn)行升溫處理。傳統(tǒng)的加熱設(shè)備是煙道外部燃燒器，即熱風(fēng)系統(tǒng)，借助熱風(fēng)爐系統(tǒng)獲取高溫風(fēng)，再與低溫?zé)煔饣旌?，完成升溫過(guò)程。設(shè)備占地面積大，熱效率低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

新型內(nèi)置式燃燒器加熱裝置是一種直接安裝于煙道內(nèi)的新型燃燒器。新型裝置利用煙氣中的殘余氧為燃燒過(guò)程助燃，燃燒方式為大氣式燃燒，升溫作用和燃燒效率有極大提高。利用天然氣燃燒來(lái)為煙氣供熱，它具有熱值高、抗爆炸性好、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前，已經(jīng)有許多學(xué)者利用CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)對(duì)天然氣的燃燒特性和燃燒器進(jìn)行了一定的研究。呂宜德等[3]對(duì)天然氣燃燒器的設(shè)計(jì)原則和創(chuàng)新要點(diǎn)進(jìn)行了探索，得到助燃空氣分段供應(yīng)，燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)分級(jí)供應(yīng)，濃淡燃燒法，低氧燃燒法，排煙再循環(huán)法等方法綜合為一體的設(shè)計(jì)原則。雷華等[4]提出了煙氣脫硝改造工程中的具體技術(shù)所用到的各種參數(shù)。張鋒等[5]模擬得到燃燒室最高溫與預(yù)控溫度的關(guān)系。孫婷等[6]對(duì)一種新型旋流燃燒器內(nèi)甲烷-空氣擴(kuò)散燃燒過(guò)程進(jìn)行大渦模擬。Lei等[7]模擬了二次空氣擴(kuò)散角與中心最高溫的關(guān)系。夏一帆等[8]等在不同射流速度條件下,對(duì)甲烷/空氣預(yù)混射流火焰進(jìn)行了大渦模擬。楊玉奇[9]分析了H2O和CO2作為添加劑對(duì)甲烷燃燒溫度和各組分摩爾分?jǐn)?shù)的影響。嚴(yán)野[10]針對(duì)燃料射流噴管出口的壁面厚度對(duì)擴(kuò)散火焰駐定特性的影響開展實(shí)驗(yàn)研究。回勝[11]對(duì)旋流燃天然氣燃燒器的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，空氣過(guò)量系數(shù)為1.3時(shí)甲烷燃燒最充分。Serhat[12]研究了非預(yù)混甲烷火焰在常規(guī)和分布式燃燒條件下的燃燒特性。比較了計(jì)算溫度分布和常規(guī)燃燒條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在燃燒室分布燃燒條件下，分布燃燒使熱場(chǎng)更加均勻。Ibrahim[13]等研究了各種湍流強(qiáng)度和湍流長(zhǎng)度尺度的湍流預(yù)混火焰的火焰位置響應(yīng)，結(jié)果表明，在中等和較高的湍流長(zhǎng)度尺度下，火焰位置朝著擴(kuò)散燃燒器的入口移動(dòng)，湍流強(qiáng)度增加。對(duì)于低湍流長(zhǎng)度尺度，火焰位置的行為是不同的?；鹧嫖恢檬紫入S著湍流強(qiáng)度的增加而減小，然后穩(wěn)定下來(lái)。

新型管道煙氣加熱裝置和傳統(tǒng)的管道煙氣相比較，它主要借助低溫?zé)煔庵械难鯕庾鳛橹細(xì)?，和通入的天然氣混合燃燒?/p>

1 煙道內(nèi)燃燒器結(jié)構(gòu)分析

基于某廠窯尾煙氣升溫工藝條件，通入管道內(nèi)的煙氣流量為25 000 Nm3/h，煙氣的初始溫度為473 K，要求加熱后溫度達(dá)到573 K，工廠的天然氣輸入壓力為8 000 kPa，經(jīng)過(guò)降壓管道處理以后降低到20 kPa，經(jīng)過(guò)升溫理論計(jì)算所需的天然氣流量為20 Nm3/h。天然氣的成分和需要加熱的煙氣成分如表1所示，天燃?xì)獾臒嶂禐? 500 kcal/Nm3。

表1 天然氣與煙氣的各成分體積占比

基于煙氣管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，燃燒器安裝于管道中心，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煙道內(nèi)燃燒器示意圖

初始結(jié)構(gòu)包括由外至內(nèi)依次同軸設(shè)置的中心風(fēng)道、天然氣旋流腔和煙氣旋流通道。將天然氣通過(guò)燃?xì)夤艿垒斎氲教烊粴庑髑恢?，天然氣在旋流腔中形成回轉(zhuǎn)旋風(fēng)，經(jīng)過(guò)天然氣旋流葉片與中心風(fēng)道中的煙氣進(jìn)行混合，預(yù)混氣體進(jìn)入混合燃燒腔，點(diǎn)火槍穿過(guò)各外層壁面插入到燃燒腔中，在天然氣的出口處點(diǎn)火燃燒，混合燃燒腔由3個(gè)半徑依次增加的縮口組成；燃燒后的高溫混合氣和低溫?zé)煔饣旌?，完成冷熱氣體的對(duì)流換熱。

2 數(shù)值模擬方法及網(wǎng)格劃分

2.1 理論模型

利用Flunet軟件對(duì)整個(gè)煙氣加熱熱態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算過(guò)程中湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，以恒定壁溫作為邊界條件，計(jì)算量小，有較高的精度。在計(jì)算溫度分布時(shí)，考慮到氣體之間的輻射換熱，P1模型和DO模型都有廣泛的應(yīng)用，為了減少計(jì)算量，選擇P1模型。

天然氣的成分主要是甲烷CH4，同時(shí)其他烷烴生成的產(chǎn)物也是CO2和H2O，熱值的差值偏小，并不影響整個(gè)溫度的變化，因此在Fluent的模擬過(guò)程中可以簡(jiǎn)單的用CH4的兩步燃燒反應(yīng)來(lái)代替。因而整個(gè)燃燒的反應(yīng)方程式可以定義為：

CH4+1.5O2=2H2O+CO

(1)

CO+0.5O2=CO2

(2)

上述氣體組分的混合傳質(zhì)反應(yīng)，采用組分運(yùn)輸模型來(lái)進(jìn)行模擬，甲烷燃燒反應(yīng)式(1)的指前因子為5.012×1011，活化能為2×108KJ/mol；反應(yīng)式(2)的指前因子為2.239×1012，活化能為1.7×108KJ/mol。

對(duì)離散方程組的壓力速度耦合采用經(jīng)典的SIMPLE算法，壓力采用標(biāo)準(zhǔn)的壓力差值格式，其他變量的差分格式采用二階迎風(fēng)差分格式，收斂因子調(diào)整為亞松弛因子，動(dòng)量的收斂標(biāo)準(zhǔn)取各因變量相鄰兩次迭代殘差小于10-6，其他的采用10-3。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD軟件對(duì)整個(gè)煙道以及燃燒器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于整體結(jié)構(gòu)分段，因此采用多域網(wǎng)格劃分技術(shù)，相鄰的域利用interface面將它們連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。葉片部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，煙道的整體以及中心的風(fēng)室和縮口采用Ansys ICEM劃分網(wǎng)格的O-Block技術(shù)以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為173萬(wàn)。燃燒器網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

圖2 燃燒器網(wǎng)格劃分圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果及優(yōu)化

3.1 初始結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1.1 邊界條件

根據(jù)天然氣和煙氣的流量以及現(xiàn)場(chǎng)的工況，煙氣加熱裝置的邊界條件如表2所示，考慮到實(shí)際燃燒工況中結(jié)構(gòu)密封性等問(wèn)題，實(shí)際O2的需求量要略大于理論O2的需求量，為了減少NOx的產(chǎn)生，煙氣的含氧量需要限制在14%以上。

表2 出入口的邊界條件

3.1.2 模擬結(jié)果與分析

初始結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)如圖3所示。

圖3 x=0界面速度圖

從圖3可知，燃?xì)夂椭行臒煔獾乃俣忍欤瑳]有在混合燃燒腔充分燃燒，燃燒范圍超出混合燃燒腔過(guò)遠(yuǎn)，造成火焰長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致火焰容易被高速的軸向氣流吹熄。

在混合氣氣流燃燒過(guò)程中要保持火焰穩(wěn)定，其必要條件是形成固定點(diǎn)火源，即火焰的傳播速度和火焰前鋒根部存在滿足氣流速度相等，在圖3的高速低溫?zé)煔鈿饬魉俣认?，火焰是難以穩(wěn)定的。因此改變中心煙氣和天然氣出口的結(jié)構(gòu)，將軸向射流改為旋流射流，增加鈍體形成局部低壓區(qū)以實(shí)現(xiàn)回流，讓兩股氣流在較小范圍內(nèi)充分混合燃燒。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 增加天然氣旋流環(huán)

在天然氣旋流腔出口位置加上旋流環(huán)，同時(shí)煙氣出口加上簡(jiǎn)易鈍體，旋流環(huán)具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。為研究旋流環(huán)角度對(duì)燃燒效果的影響，保證鈍體不變的條件下，改變旋流縫的角度，分別為20°、30°、40°和50°，并降低天然氣流量至1/6，降低低溫?zé)煔饬髁恐?/10，降低流速以保證改變結(jié)構(gòu)后旋流作用效果明顯，圖5～圖7為不同角度速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和最大速度的數(shù)值模擬對(duì)比分析圖。

圖4 天然氣旋流環(huán)

圖5 旋流縫角度分別為20°、30°、40°、50°的速度云圖

圖6 旋流縫角度分別為20°、30°、40°、50°的溫度云圖

圖7 旋流縫角度分別為20°、30°、40°、50°的出口最大速度

從圖5可知，隨著燃?xì)庑鳝h(huán)角度的增加，燃?xì)獬隹诘淖畲笏俣仍絹?lái)越快，整體流場(chǎng)的速度也越快，且當(dāng)角度為40°和50°時(shí)，速度場(chǎng)不是嚴(yán)格的中心對(duì)稱。對(duì)比后選擇30°的旋流角度，在管道轉(zhuǎn)彎處速度基本平穩(wěn)。

3.2.2 減小中心煙氣通道直徑

從燃?xì)庑鳝h(huán)分析結(jié)果可知，火焰長(zhǎng)度依然過(guò)長(zhǎng)，選擇將鈍體的結(jié)構(gòu)改為錐形，讓煙氣出口形成局部低壓和回流，同時(shí)將中心煙氣通道分層，中心風(fēng)道內(nèi)層出口受鈍體作用，而外層保持原來(lái)的軸向速度，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 燃燒器中心煙氣通道結(jié)構(gòu)

為了研究中心風(fēng)道直徑對(duì)燃燒效果的影響，在保證鈍體不變條件下，改變中心風(fēng)道的直徑，內(nèi)層直徑分別為62 mm、67 mm和72 mm，以滿載條件作為邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，圖9～圖11為不同直徑下速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和渦流區(qū)域大小的對(duì)比分析。

圖9 中心風(fēng)道分別為62 mm、67 mm、72 mm的速度云圖

圖10 中心風(fēng)道分別為62 mm、67 mm、72 mm的溫度云圖

圖11 中心風(fēng)道分別為62 mm、67 mm、72 mm的渦流區(qū)域大小

從圖9可知，當(dāng)中心煙氣的內(nèi)徑從62 mm增加到72 mm的過(guò)程中，混合燃燒腔后端渦流區(qū)域有明顯變化。對(duì)比以后發(fā)現(xiàn)中心煙氣的內(nèi)徑為67 mm時(shí)，渦流區(qū)域?qū)哟畏置?，形狀完整，燃?xì)夂蜔煔獾幕旌献罹鶆?，速度?chǎng)和溫度場(chǎng)最合理。

4 結(jié)論

根據(jù)初始結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果提出改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)天然氣出口增加的燃?xì)庑鳝h(huán)的角度在30°時(shí)，整個(gè)速度場(chǎng)相對(duì)于管道是嚴(yán)格的中心對(duì)稱，且煙氣和燃?xì)獾幕旌献畛浞郑?/p>

(2)為保證天然氣和中心煙氣能在出口處快速混合均勻，鈍體的錐角和天然氣旋流環(huán)取同樣的30°；

(3)當(dāng)中心風(fēng)道的內(nèi)徑為67 mm時(shí)，混合煙氣出口的速度層次最分明，混合最充分，渦流區(qū)域最小。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：通過(guò)增加天然氣旋流環(huán)、放置錐形鈍體以及中心煙道分層等優(yōu)化措施，管道中火焰形狀以及剛性得到改善，整個(gè)管道內(nèi)的流場(chǎng)分布更加均勻，天然氣和煙氣的混合燃燒更加高效。