鈍體穩(wěn)燃的旋流預(yù)混火焰污染物生成和流場分析

韓徳琳，王天天，鄒 俊，張 海，張 揚(yáng)，呂俊復(fù)，王隨林

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084；3.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

我國城市冬季供暖曾以燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃煤熱水鍋爐為主[1]。隨著國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，我國北方地區(qū)城市供暖逐步從燃煤向燃?xì)廪D(zhuǎn)變?！懊焊臍狻背蔀榻瓿鞘泄┡臒狳c。對原有煤粉鍋爐進(jìn)行改造，拆除原有煤粉燃燒器，改為天然氣燃燒器，最大限度利用原有鍋爐設(shè)備，降低改造成本，是“煤改氣”的最優(yōu)選擇。

天然氣燃燒的主要污染物是NOx，如何降低天然氣燃燒過程中的NOx是重點問題。常見的天然氣低NOx燃燒技術(shù)有煙氣再循環(huán)、分級燃燒等，且在煤改氣領(lǐng)域取得一些成功案例[2-5]。

針對π型鍋爐的煤改氣，由于多數(shù)情況下燃燒器安裝在鍋爐前墻，且鍋爐前后墻之間的距離有限。而傳統(tǒng)的煙氣再循環(huán)技術(shù)會降低火焰溫度，增加火炬長度，設(shè)計不當(dāng)時，燃燒器火炬長度大于鍋爐前后墻之間的距離，導(dǎo)致火炬“刷墻”。如果同時采用空氣分級燃燒技術(shù)方案，可能產(chǎn)生后墻積碳問題。因此開發(fā)火炬較短、燃盡速度較快的燃燒組織方法尤為重要，貧燃預(yù)混旋流燃燒組織方法引起廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過燃料與空氣預(yù)混，增加燃燒速度，有效縮短火炬長度。通過旋流產(chǎn)生回流區(qū)，使其在極低當(dāng)量比下穩(wěn)定燃燒[6]，從而保持較低的NOx排放。但由于旋流作用，貧燃預(yù)混旋流燃燒組織方法易發(fā)生回火等問題，因此旋流燃燒常與鈍體結(jié)合增強(qiáng)燃燒過程的穩(wěn)定性。

近年來關(guān)于鈍體穩(wěn)焰和貧預(yù)混旋流燃燒技術(shù)研究較多。曾東和等[7]利用數(shù)值模擬研究了旋流預(yù)混燃燒不同鈍體后方流場情況，發(fā)現(xiàn)非流線型的錐形鈍體具有更大的中心回流區(qū)和回流量，穩(wěn)焰效果最好。錢壬章等[8]利用PIV技術(shù)研究了5種鈍體不同縫寬下的流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)回流區(qū)長度隨鈍體縫寬的增大而增加。DUTKA等[9]研究發(fā)現(xiàn)，移動鈍體位置可減少NOx生成，但鈍體位置不合適會產(chǎn)生燃燒不完全現(xiàn)象，生成少量CO。BEHZADI等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鈍體尺寸對防止回火有重大影響，但對貧燃極限和火焰形狀影響較小。趙曉敏等[11-13]通過試驗和數(shù)值模擬方法，研究了旋流數(shù)和當(dāng)量比對旋流預(yù)混燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)旋流數(shù)和當(dāng)量比對于燃燒穩(wěn)定性和NOx排放影響很大。石黎等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，增大旋流數(shù)會增加火焰寬度，降低燃燒峰值溫度，降低NOx生成量。邢雙喜[16]研究發(fā)現(xiàn)，旋流數(shù)增大，會減小燃燒高溫區(qū)，NOx生成量降低。FU等[17-18]研究旋流預(yù)混燃燒發(fā)現(xiàn)，NOx排放隨旋流數(shù)增大逐漸減小。NAHVI等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在弱旋流預(yù)混燃燒中，旋流數(shù)增大，會減小燃燒高溫區(qū)面積，NOx生成量降低。肖隱利等[20]通過設(shè)計不同角度葉片的旋流器，搭建了旋流燃燒試驗臺，并利用PIV技術(shù)分析了不同旋流數(shù)下的流場基本特征，發(fā)現(xiàn)在弱旋流狀態(tài)下，NOx生成量均較低。HUANG等[21]通過數(shù)值模擬方法研究了貧燃預(yù)混旋流燃燒室，發(fā)現(xiàn)增大旋流數(shù)會影響燃燒室內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響溫度分布及污染物生成。JOHNSON等[22]通過試驗方法對比分析高低旋流數(shù)預(yù)混燃燒，發(fā)現(xiàn)在低旋流預(yù)混燃燒中無強(qiáng)烈回流區(qū)，燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間較短，NOx生成較低。SYRED[23]研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)旋流燃燒器中，增加旋流數(shù)延長了燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間，可提高熱力型NOx生成速率。LITTLEJOHN等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在弱旋流預(yù)混燃燒中，由于無明顯回流區(qū)，NOx生成速率與燃燒火焰溫度相關(guān)。MAFRA等[25]研究發(fā)現(xiàn)旋流數(shù)會影響煙氣停留時間、溫度分布特性等，進(jìn)而影響NOx排放。SHIMURA等[26]利用PIV技術(shù)研究了CH4旋流預(yù)混燃燒室流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)中心軸線和壁面處會產(chǎn)生內(nèi)外2個回流區(qū)，大尺度渦會導(dǎo)致火焰前沿波動。鄭落漢[27]研究表明，旋流數(shù)低于0.575時，隨旋流數(shù)升高，NOx生成量減少，旋流數(shù)由0.575增至0.623時，由于回流區(qū)增大使NOx生成速率增大。YILMAZ等[28]通過試驗研究不同旋流數(shù)預(yù)混燃燒NOx排放情況，發(fā)現(xiàn)隨著旋流數(shù)由0.4增至1.4，NOx排放出現(xiàn)非單調(diào)變化。綜上所述，鈍體及旋流均會影響燃燒過程中NOx生成，鈍體會影響燃燒過程中流場分布，進(jìn)而影響燃燒穩(wěn)定性和污染物排放，旋流會影響燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間、火焰結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而影響燃燒特性，且對于不同燃燒器和燃燒室結(jié)構(gòu)，旋流對污染物排放的作用效果不同。目前鮮見鈍體與旋流相結(jié)合的系統(tǒng)研究。

在預(yù)混燃?xì)忮仩t中，由于燃燒前，燃料與氧化劑已充分混合，改變鍋爐負(fù)荷時，會引起燃燒器出口流速變化，操作不當(dāng)會發(fā)生燃燒不穩(wěn)定甚至回火等問題。基于此，筆者設(shè)計開發(fā)了一種帶有鈍體位置可移動(簡稱“位移鈍體”)的貧預(yù)混旋流燃燒器，根據(jù)不同燃燒熱功率改變鈍體位置，從而控制燃燒器出口流速，可以有效避免回火現(xiàn)象的發(fā)生?；谝陨峡紤]，筆者對設(shè)計的位移鈍體貧預(yù)混旋流燃燒器展開研究，分析了不同旋流數(shù)下燃燒污染物生成情況，獲得污染物排放最低的旋流數(shù)，并基于此旋流數(shù)研究鈍體位置是否固定工況下，熱功率變化對污染物生成的影響，最后針對不同旋流數(shù)冷態(tài)流場展開了PIV分析，得出燃燒器出口處流場分布，以期為燃?xì)忸A(yù)混燃燒穩(wěn)定性和低NOx燃燒技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 旋流燃燒器

燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示。燃燒器由下方空氣入口段、中部燃料入口段以及上部預(yù)混噴嘴段組成。空氣和試驗所用示蹤粒子由下部空氣入口段送入，燃料由中部文丘里結(jié)構(gòu)送入，文丘里結(jié)構(gòu)中間喉部直徑小，可使空氣快速通過的同時，引射出燃料，使燃料和空氣混合更均勻。試驗所用旋流器位于上部預(yù)混段，預(yù)混氣體通過旋流器可以產(chǎn)生旋流效果，同時增強(qiáng)燃料和空氣的預(yù)混，預(yù)混后的混合氣經(jīng)過鈍體和噴嘴噴入燃燒室進(jìn)行燃燒。

圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure dimension diagram of the swirl burner

位移鈍體和噴嘴尺寸如圖1(b)所示，噴嘴噴口直徑d為20 mm，高度為8.5 mm，外傾角β為30°。所用鈍體高度為4.3 mm，上表面直徑與預(yù)混來流管徑一致，均為8 mm，預(yù)混來流氣體通過鈍體外圍表面與噴嘴內(nèi)表面所形成的環(huán)形噴口通道進(jìn)入燃燒室燃燒。鈍體上表面距離噴嘴底部的距離為Hb，通過移動鈍體下方底桿可改變鈍體高度Hb，控制環(huán)形通道流通面積，從而控制流速。利用流量計改變來流氣體流量，進(jìn)而改變熱功率；增大熱功率時，同時向上移動位移鈍體，增大環(huán)形通道面積，減小熱功率時，同時向下移動位移鈍體，減小環(huán)形通道面積，從而保證不同熱功率工況下，噴嘴氣體流速在合適范圍，維持火焰穩(wěn)定燃燒。

試驗所用旋流器為軸向旋流器，具體如圖1(c)所示，旋流數(shù)S可用來反映旋轉(zhuǎn)射流的旋流強(qiáng)度，計算方法[29]為式(1)，由于本文所用旋流器整體呈圓臺型，所以式(1)中r取值方法見式(2)。

(1)

(2)

式中，rh、r分別為旋流器中樞軸半徑、旋流器葉片半徑，mm；α為旋流器葉片與中樞軸之間的角度，(°)；r1、r2分別為旋流器上底面和下底面葉片半徑，mm。

本文所用旋流器旋流數(shù)S見表1。

表1 旋流器角度與旋流數(shù)Table 1 Swirler angle and swirl number

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)原理如圖2(a)所示，采用高壓氣瓶提供體積分?jǐn)?shù)99.999% 的CH4代替天然氣展開研究[30]。通過音速噴嘴控制CH4流量，空氣壓縮機(jī)提供空氣，使用質(zhì)量流量計控制流量。由于當(dāng)量比趨近于1時，NOx生成量逐漸增加[31]，結(jié)合燃燒穩(wěn)定性和污染物生成情況，試驗CH4與空氣當(dāng)量比均設(shè)置為0.7。CH4和空氣經(jīng)過燃燒器預(yù)混并產(chǎn)生旋流，最后通過環(huán)形通道噴入燃燒室燃燒。煙氣分析儀(ECOM-J2KN)分析主要燃燒產(chǎn)物，如O2、CO、NO、NO2等，按照GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》換算為O2體積分?jǐn)?shù)3.5%下的數(shù)值。燃燒產(chǎn)生的廢氣通過排風(fēng)機(jī)排放。

圖2 試驗系統(tǒng)原理及實物Fig.2 Experimental system schematics and pictures

試驗系統(tǒng)實物圖如圖2(b)所示，燃燒室采用高質(zhì)量Al2O3保溫材料制成，保持燃燒氛圍，減少散熱。燃燒室內(nèi)腔為直徑60 mm高600 mm的圓柱形空腔，3面開槽，并安裝石英玻璃觀察窗，在燃燒室側(cè)面開有直徑15 mm的圓型煙氣取樣口，便于煙氣分析儀取樣槍取樣。為方便PIV(Particle Image Velocimetry)測量分析，噴嘴出口圓心設(shè)為原點，水平面設(shè)為xy平面，豎直平面設(shè)為xz平面。

旋流預(yù)混燃燒流場由二維PIV系統(tǒng)測量所得，主要由計算機(jī)、激光源、激光脈沖同步器、CCD(Charge Coupled Device)相機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種光學(xué)組件構(gòu)成。激光源采用Beamtech公司制造的Vlite-300 雙脈沖Nd:YAG激光器發(fā)出，脈沖激光波長為532 nm，單個脈沖激光能量為300 mJ。激光脈沖同步器為美國TSI公司生產(chǎn)的610036型同步器，可提供1 ns時間分辨率自動控制激光脈沖，使PIV系統(tǒng)具有極其可靠和準(zhǔn)確的時序控制單元，通過控制器可使系統(tǒng)自動控制相機(jī)、激光器光源和圖像采集卡，準(zhǔn)確獲取圖像。CCD相機(jī)分辨率為2 048 pix×2 048 pix，在相機(jī)前裝有選通頻率532 nm、帶寬3 nm濾鏡，降低火焰及環(huán)境光對拍攝結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)采集及后處理采用TSI公司的INSIGHT 4G軟件系統(tǒng)。流場的示蹤粒子采用硅油，利用注射泵給入后通過石英玻璃霧化器霧化進(jìn)入燃燒器，隨氣流進(jìn)入流場。

試驗儀器誤差見表2，其中Q(CH4)、QAir分別為CH4和空氣流量。

表2 儀器測量誤差Table 2 Instrument measurement error

2 結(jié)果與討論

2.1 旋流數(shù)對燃燒污染物生成的影響

由于鈍體可以產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定火焰，較小旋流數(shù)即可產(chǎn)生良好的燃燒效果，同時旋流數(shù)過大易增加NOx生成[22]，為確定本旋流燃燒器的最佳旋流數(shù)，設(shè)計了旋流數(shù)為0、0.12、0.25、0.40、0.59、0.83六種較小旋流數(shù)的旋流器，選取熱功率為1.8、2.5 kW兩種工況，分別設(shè)置鈍體高度Hb為3、4 mm，保證噴嘴出口流速均為15 m/s。

噴嘴出口流速固定時，NOx生成量隨旋流數(shù)的變化如圖3所示，由于試驗中CO值均低于儀器檢測下限，所以未列出。由圖3可知，旋流數(shù)S<0.25時，隨著旋流數(shù)的增加，NOx生成量逐漸降低，當(dāng)S>0.25時，隨旋流數(shù)增加，NOx生成量逐漸增加，在2種熱功率工況下，當(dāng)S=0.25時，NOx生成量均為最低值。在同一旋流數(shù)工況下，較大熱功率工況NOx生成量大于較小熱功率NOx生成量。由于旋流燃燒NOx生成量與流場分布有關(guān)，本文將在第2.4節(jié)對流場展開研究分析NOx生成的原因，本節(jié)不再贅述。后續(xù)試驗旋流數(shù)均采用S=0.25。

圖3 噴嘴出口流速固定時NOx生成量隨旋流數(shù)的變化Fig.3 Variation of NOx generation with the swirl number at fixed nozzle outlet flow velocity

2.2 定鈍體高度變功率對污染物生成的影響

由于多數(shù)鈍體燃燒器的鈍體位置固定，改變熱功率會影響出口流速。本文固定鈍體高度為3.5 mm，探究改變熱功率對污染物生成的影響，通過調(diào)節(jié)CH4和空氣混合物流量使熱功率為1.0～3.6 kW，噴嘴出口流速為7～25 m/s。不斷增大熱功率，檢測不同熱功率工況下污染物生成量。

鈍體位置固定時污染物生成量隨熱功率的變化如圖4所示，可知隨著熱功率不斷增加，NOx生成量逐漸減少，CO生成量逐漸增加。這是由于鈍體位置固定時，流速隨熱功率的增加而增加，使燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間變短，熱力型NOx生成量減少[32]，同時由于來流混合物停留時間過短，會發(fā)生燃燒不完全現(xiàn)象，有少量CO產(chǎn)生。

圖4 鈍體位置固定時污染物生成量隨熱功率的變化Fig.4 Variation of pollutant generation with the thermal power at fixed bluff body position

2.3 變鈍體高度變功率對污染物生成的影響

為探究出口流速固定不變時，熱功率變化對污染物生成的影響，通過調(diào)節(jié)位移鈍體高度Hb，保證不同熱功率下噴嘴出口流速均為15 m/s。通過調(diào)節(jié)CH4和空氣流量，使熱功率為1.1～5.4 kW，鈍體高度Hb為2.0～7.5 mm。

噴嘴出口流速固定時污染物生成量隨熱功率的變化如圖5所示，可知在試驗熱功率下，NOx和CO的生成均較低，NOx生成量<12 mg/m3，CO生成量<7 mg/m3，且僅在最低熱功率下生成少量CO。通過移動鈍體位置固定出口流速時，熱功率增大不會導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間過短、CO生成量升高等問題；熱功率減小時，不會導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間過長、NOx生成量增多等問題[33]。

圖5 噴嘴出口流速固定時污染物生成量隨熱功率的變化Fig.5 Variation of pollutant generation with the thermal power at fixed nozzle outlet flow velocity

2.4 旋流數(shù)對燃燒器出口流場的影響

由于NOx生成量在旋流數(shù)S為0、0.25、0.83時出現(xiàn)極值點，利用PIV技術(shù)測量燃燒器3種旋流數(shù)的冷態(tài)流場，探究NOx生成量隨旋流數(shù)變化的主要原因。冷態(tài)試驗在開放空間結(jié)構(gòu)測量，來流空氣溫度為300 K，固定鈍體高度為4 mm，噴嘴出口流速為15 m/s。流場數(shù)據(jù)均為對瞬時流場進(jìn)行時均處理后所得。

2.4.1旋流數(shù)對中軸面流場分布的影響

為探究不同旋流數(shù)下燃燒器出口流場分布情況，選取xz平面為測量平面，測量噴嘴出口附近流場分布情況，并將流場分布情況與火焰圖形對比分析，如圖6所示。

將左半部分流場與右半部分火焰圖組合進(jìn)行分析。由圖6可知，不同旋流數(shù)流場中均存在渦旋結(jié)構(gòu)，隨著流場向下游發(fā)展，渦旋結(jié)構(gòu)逐漸耗散，說明流場軸向速度梯度逐漸增大，渦旋結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)和能量交換，維持火焰穩(wěn)定?；鹧鎴D中黑線與零點之間的距離代表火焰半寬度，S=0時，火焰半寬度為0.55d，S=0.25時，火焰半寬度為0.65d，S= 0.83時，火焰半寬度與S=0.25時一致，均為0.65d，因此S由0增至0.25時，火焰寬度逐漸增加，而S由0.25增至0.83時，由于噴嘴角度限制，火焰寬度不變。S由0增至0.25時，由于火焰寬度增加，射流卷吸周圍的冷煙氣量越多，火焰溫度峰值越低，導(dǎo)致熱力型NOx生成量越少，這與文獻(xiàn)[14-16]結(jié)論一致。通過觀察回流區(qū)尺寸可得，S由0增至0.25時，回流區(qū)軸向長度稍增加，而S由0.25增至0.83時，回流區(qū)軸向長度顯著增加，回流區(qū)長度的增加會卷吸更多的高溫?zé)煔饣氐交鹧嫔嫌?，燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間增長，熱力型NOx生成量增加，這與文獻(xiàn)[23]結(jié)論一致。

圖6 不同旋流數(shù)噴嘴出口軸向流場分布與火焰Fig.6 Axial flow field distribution and flame diagram of nozzle outlet at different swirl numbers

2.4.2旋流數(shù)對中軸面軸向速度分布的影響

為直觀比較不同旋流數(shù)下噴嘴出口下游速度分布，選取圖6中z/d= 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9五處軸向速度值，分析不同旋流數(shù)工況下軸向速度分布情況，如圖7所示。

圖7 不同旋流數(shù)噴嘴出口軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distribution of nozzle outlets at different swirl numbers

由圖7可知，3種旋流數(shù)下速度分布相似，均存在2個波峰和1個波谷，且對稱分布。隨著流場向下游發(fā)展，波峰和波谷之間的距離逐漸減小，速度趨于平緩。軸向速度等于0的徑向距離代表此水平位置的回流區(qū)寬度，發(fā)現(xiàn)隨著軸向距離增加，回流區(qū)寬度逐漸減小。出現(xiàn)逆軸向速度時，說明此點處于回流區(qū)，S=0時，z<0.5d區(qū)域存在逆軸向速度，說明回流區(qū)軸向長度小于0.5d；S=0.25時，z<0.7d區(qū)域存在逆軸向速度，說明回流區(qū)軸向長度小于0.7d；S=0.83時，z>0.9d區(qū)域出現(xiàn)逆軸向速度，說明回流區(qū)軸向長度大于0.9d，從軸向速度分布也可以得到，隨旋流數(shù)增加，軸向回流區(qū)逐漸增大。圖7定量結(jié)論與圖6定性結(jié)果一致，說明受到徑向摻混和軸向回流的共同作用，NOx生成呈現(xiàn)隨旋流數(shù)非單調(diào)變化的規(guī)律。

3 結(jié) 論

1)NOx生成量隨旋流數(shù)增加先減少后增大，在旋流數(shù)S=0.25時，NOx生成量最低。

2)固定鈍體高度，改變熱功率時發(fā)現(xiàn)，隨著熱功率增加，NOx生成逐漸減少趨勢，CO生成逐漸增加。

3)通過移動鈍體高度保持出口流速不變，發(fā)現(xiàn)全部設(shè)計工況下，CO和NOx排放均較低。

4)NOx生成隨旋流數(shù)的增加呈非單調(diào)變化，這是由于旋流數(shù)由0增至0.25時，火焰寬度增大，使火焰卷吸周圍煙氣量增加，NOx降低；旋流數(shù)由0.25增至0.83時，由于噴嘴角度限制，火焰寬度基本不變，軸向回流區(qū)長度顯著增大，使煙氣在高溫區(qū)停留時間增加，從而導(dǎo)致NOx增加。