醇基燃料燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡艷花,李萬陶

(武警士官學(xué)校,浙江 杭州 310005)

燃燒器是保證燃料安全、充分燃燒的重要設(shè)備,目前,在市場上已有針對醇基燃料的燃燒特性而開發(fā)的燃燒器,但是,大多數(shù)是在燃油燃燒器基礎(chǔ)上改進(jìn)的,對旋流器的結(jié)構(gòu)性能缺少系統(tǒng)性研究。醇基燃料和常規(guī)燃油燃燒器的適配性較差。如圖1所示,一般會(huì)使用輕油燃燒器燃燒醇基燃料,燃燒時(shí)會(huì)有大量的黃色火焰,燃燒不充分,導(dǎo)致氮氧化物排放量過多和燃燒效率低下等問題。此外,在燃燒過程中容易積碳,從而堵塞管道會(huì)降低燃燒器的使用壽命。

圖1 燃燒系統(tǒng)實(shí)物圖

如圖2所示,由輕油燃燒器出口的流場特性及速度分布規(guī)律可知:穩(wěn)焰碟對中心直流風(fēng)、平板槽口的旋流風(fēng)及燃燒筒邊緣的周界風(fēng)三部分的風(fēng)量分配和氣流特性有直接的關(guān)系[1-2]。這款平板式穩(wěn)焰碟的氣流有效流通面積小,且氣流通過平板槽縫時(shí)阻力損失較大,旋流強(qiáng)度較小,燃料與空氣混合不均勻,不能形成有效回流區(qū),導(dǎo)致燃燒不理想。

圖2 燃燒器實(shí)物圖

因此,為實(shí)現(xiàn)醇基燃料充分燃燒和降低NOx排放量的目的,本文針對一款熱風(fēng)型小功率燃燒器(100～200 W),設(shè)計(jì)了軸向葉片旋流器和煙氣回流裝置。旋流結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)燃料和空氣的混合,有利于醇基燃料的充分燃燒,減少NOx濃度的排放。煙氣回流裝置可卷吸高溫?zé)煔鈱旌先細(xì)膺M(jìn)行預(yù)熱,提高醇基燃料的霧化質(zhì)量,減少局部高溫區(qū),可明顯降低NOx的排放。采用數(shù)值模擬的方法,研究不同的旋流角度、旋流葉片個(gè)數(shù)和回流口寬度的溫度分布特性和爐膛出口NOx濃度等變化規(guī)律,這為醇基燃料的推廣和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[3-4]。

1 醇基燃料燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 旋流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸向葉片旋流器結(jié)構(gòu)如圖3所示,采用一次直流風(fēng),二次旋流風(fēng)的通道布置,旋流器與燃燒筒之間留有較小縫隙,為三次直流風(fēng)。一次直流風(fēng)保證了火焰燃燒時(shí)的射流長度,同時(shí)與周圍高溫?zé)煔獾幕旌?增強(qiáng)氣流間的對流傳熱;二次旋流風(fēng)有利于形成回流區(qū),可進(jìn)一步增強(qiáng)燃料和空氣的混合,加強(qiáng)火焰燃燒的穩(wěn)定性。同時(shí),減小了二次風(fēng)的軸向速度,避免二次風(fēng)穿過火焰擴(kuò)展區(qū),有利于縮短火焰長度,燃料進(jìn)行充分燃燒;三次直流風(fēng)能夠?yàn)槿剂咸峁┏渥愕闹伎諝?促進(jìn)醇基燃料的進(jìn)一步燃燒,減少炭黑的生成;軸向葉片旋流器的阻力小于平板式穩(wěn)焰碟,具有較強(qiáng)的旋流強(qiáng)度,增強(qiáng)燃料與空氣的混合。旋流器主要結(jié)構(gòu)尺寸,如圖4所示。

圖3 軸向葉片旋流器結(jié)構(gòu)

圖4 旋流器主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 煙氣回流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在旋流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加煙氣回流裝置。該結(jié)構(gòu)可以在不增加成本和空間的前提下明顯降低NOx的排放[5]。如圖5所示,將燃燒器出口邊緣改為縮口結(jié)構(gòu),并在回流筒上開設(shè)環(huán)形回流口。在縮口的作用下,高溫?zé)煔饪蓮幕亓骺诹骰厝紵驳膬?nèi)部,煙氣回流量的多少可以通過回流口的寬度來控制?；亓骺诰砦母邷?zé)煔?對反應(yīng)的混合燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱,提高醇基燃料的燃燒速率,減少局部高溫區(qū)的生成,從而降低NOx的排放。

圖5 煙氣回流結(jié)構(gòu)

旋流角度與空氣的旋流強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)旋流角度過小時(shí),不能夠?qū)饬髌鸬叫髯饔?空氣與燃料射流的接觸面積小,時(shí)間短;而當(dāng)旋流角度過大時(shí),火焰易被吹熄。此外,在高旋轉(zhuǎn)氣流中,由于逆壓梯度的增加,回流會(huì)受到限制,向燃燒器的上游區(qū)域移動(dòng),這種情況容易燒壞燃燒器出口的部件。而旋流葉片的個(gè)數(shù)會(huì)影響燃料的燃燒行為和燃燒器出口流場特性,從而影響火焰的穩(wěn)定性和NOx的排放量。高溫?zé)煔膺m當(dāng)?shù)幕亓髁靠蓪Υ蓟剂掀鸬筋A(yù)熱效果,加快蒸發(fā)過程,提高醇基燃料的燃燒速率。由此可見,旋流角度和旋流葉片個(gè)數(shù)是軸向旋流器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。采用數(shù)值模擬的方法,對設(shè)計(jì)的旋流結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究,得出最佳的旋流角度和葉片個(gè)數(shù)。對不同參數(shù)的回流口寬度,Wtube-buner,進(jìn)行分析,合理控制煙氣的回流量,燃燒器在燃燒器醇基燃料時(shí),具有燃料適配性高、燃燒充分、NOx排放少等特點(diǎn)。

2 仿真分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用SOLIDWORK建立物理模型,如圖6所示,用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為保證網(wǎng)格質(zhì)量,和對幾何模型的有效貼合,模型采用四面體-六面體的混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分,燃燒室為六面體,由于燃燒器頭部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以采用四面體網(wǎng)格,它能夠更準(zhǔn)確地貼合該結(jié)構(gòu)。燃燒器整體網(wǎng)格分布,如圖7所示。

圖6 計(jì)算模型尺寸

圖7 燃燒室整體網(wǎng)格分布

2.2 邊界條件及求解

湍流模型用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,忽略分子間黏性的影響[6-7],湍流強(qiáng)度設(shè)為11%;選用非預(yù)混燃燒模型;輻射模型用P-1,NOx生成用熱力型模型;燃油霧化過程用壓力模型[8-9];入口邊界條件:空氣為速度入口,燃料為甲醇,其中空氣質(zhì)量流率約為0.087 36 kg/h,甲醇質(zhì)量流率約為0.012 kg/h,過量空氣系數(shù)約為1.12。燃料進(jìn)口溫度設(shè)置為301 K。出口邊界條件:設(shè)置為壓力出口,數(shù)值為0。壁面邊界條件:設(shè)置壁面溫度為500 K。方程用壓力求解器進(jìn)行求解,用SIMPLE算法進(jìn)行耦合。在計(jì)算的過程中,先采用一階定常隱式格式求解連續(xù)相,等流場穩(wěn)定后,加入離散相DPM模型[10],將離散相和連續(xù)相進(jìn)行耦合求解直至收斂。

本文分別對五種旋流葉片角度、五種旋流葉片以及四種回流口寬度Wtube-buner下的爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬。旋流葉片角度設(shè)置、旋流葉片數(shù)量設(shè)置以及Wtube-buner設(shè)置如圖7所示。

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證不僅有利于保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,還有助于保證計(jì)算效率。本文首先對燃燒器未優(yōu)化前的燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別采用的網(wǎng)格數(shù)量為326 487,521 434,718 291和931 042。實(shí)驗(yàn)中,由爐膛上壁插入熱電偶以檢測爐內(nèi)溫度,熱電偶布置如圖8所示。圖9為不同網(wǎng)格數(shù)值模擬獲得的溫度數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。如圖7所示,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,數(shù)值模擬溫度越接近實(shí)驗(yàn)溫度,當(dāng)網(wǎng)格大于等于718 291時(shí),溫度數(shù)據(jù)無明顯變化。因此,本文選擇的網(wǎng)格數(shù)量為718 291。另外,如圖9所示,由于數(shù)值模擬中的計(jì)算模型存在必要的簡化,實(shí)驗(yàn)值與溫度值存在偏差,但網(wǎng)格數(shù)量為718 291時(shí),平均偏差不超過16%,符合計(jì)算要求。

圖8 爐內(nèi)熱電偶布置示意圖

圖9 數(shù)值模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度對比

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

圖10為不同旋流角度下的爐膛中心截面溫度分布,由圖10可知,優(yōu)化后的燃料在燃燒器出口處可快速蒸發(fā)混合燃燒,火焰穩(wěn)定性增強(qiáng)且長度縮短,爐膛中的火焰充滿度增加。

圖10 不同旋流角度下爐膛中心截面溫度分布

旋流角度從20°增大到40°時(shí),火焰最高溫度減小,火焰在爐膛內(nèi)的充滿度逐漸增加,溫度分布趨于均勻,火焰長度減小。這是因?yàn)樾鹘嵌鹊脑黾?爐膛內(nèi)形成回流區(qū)面積增加,可卷吸較多的高溫?zé)煔庥欣诖蓟剂系钠突鹧娣€(wěn)定性[11],從而使溫度分布更均勻化,火焰也長度逐漸減小。當(dāng)旋流角度為40°時(shí),局部最高溫度最小,為1 872 K,在保證足夠的燃燒強(qiáng)度下,減少了積碳的生成。這與文獻(xiàn)中的結(jié)論一致[1-2],兩者的溫度分布規(guī)律類似,高溫區(qū)均在爐膛尾部區(qū)域,由此可判定數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

圖11為不同旋流角度下爐膛出口處NO濃度分布,由圖11可知,優(yōu)化前生成較多的NO,最高濃度為1 140×10-6。優(yōu)化后爐膛出口處的NO濃度比優(yōu)化前爐膛出口處的NO濃度明顯下降。隨旋流角度的增加,爐膛出口處NO濃度先減小后增加。當(dāng)旋流角度為40°時(shí),NO生成量最少,其最高含量為146×10-6。

圖11 不同旋流角度下爐膛出口處NO濃度分布

不同旋流葉片個(gè)數(shù)下爐膛中心截面溫度分布,如圖12所示。葉片個(gè)數(shù)的改變對溫度場影響顯著。當(dāng)葉片個(gè)數(shù)從8增加到16時(shí),爐膛最高火焰溫度不斷升高。同時(shí),隨著葉片個(gè)數(shù)的增加,爐膛內(nèi)火焰充滿度增加,高溫區(qū)面積呈先減小后增大的趨勢。這表明隨旋流葉片個(gè)數(shù)的增多,它的導(dǎo)流作用更強(qiáng),爐膛內(nèi)的氣流擾動(dòng)增加,有利于燃料與空氣的充分混合。

圖12 不同旋流葉片個(gè)數(shù)下爐膛中心截面溫度分布

圖13為不同旋流葉片個(gè)數(shù)下爐膛出口處的NO濃度分布,由圖13可知,當(dāng)葉片個(gè)數(shù)從8增加到16時(shí),爐膛出口處NO濃度的排放量呈先減小后增多的趨勢,當(dāng)旋流葉片為12個(gè)時(shí),出口處的NO濃度最低,數(shù)值為106×10-6。這主要是由于NO的生成嚴(yán)重依賴于火焰溫度,NO濃度的生成與局部高溫區(qū)的大小密切相關(guān)。

圖13 不同旋流葉片個(gè)數(shù)下爐膛出口處的NO濃度分布

圖14、圖15分別是為不同回流口寬度Wtube-burner下壓力圖分布圖和速度矢量圖,由圖14～圖15可知,在回流口附近壓力小,形成了回流,且回流區(qū)的面積隨回流口寬度的增大而增加,在回流口的作用下,可吸卷高溫?zé)煔狻＿@是由于火焰區(qū)軸向流速大,形成負(fù)壓,爐膛內(nèi)煙氣被卷吸至火焰區(qū)?？刂苹亓骺趯挾?可以有效控制進(jìn)入火焰區(qū)的回流煙氣。

圖14 不同回流口寬度下壓力分布

圖15 不同回流口寬度下速度分布

圖16為不同回流口寬度Wtube-burner下爐膛中心截面溫度分布,由圖16可知,隨回流口寬度的增大,膛內(nèi)最高溫度逐漸降低。當(dāng)Wtube-burner為0 mm時(shí),膛內(nèi)最高溫度值為2 057 K,當(dāng)Wtube-burner為30 mm時(shí),爐內(nèi)最高溫度降低為1 980 K,且高溫區(qū)的面積明顯減小。這是由于隨回流口寬度的增大,煙氣回流量不斷增加,循環(huán)的煙氣內(nèi)含有大量的惰性氣體,尤其是H2O和CO2等三原子分子,分子比熱較大,能夠稀釋空氣,回流量增加的同時(shí)會(huì)降低助燃空氣中的氧分壓,從而降低燃燒的反應(yīng)溫度,高溫區(qū)減小。

煙氣回流對燃燒過程的NO濃度的形成有著重要的影響,如表1所示。當(dāng)Wtube-burner為30 mm時(shí),煙氣回流量最大,回流率也最大,爐膛出口處NO濃度最低,僅有124×10-6,這表明煙氣回流量控制在合適的范圍內(nèi),回流時(shí)卷吸的高溫?zé)煔鈱Υ龠M(jìn)醇基燃料的燃燒具有顯著作用。一方面,煙氣回流有利于增強(qiáng)燃料的蒸發(fā)和火焰的穩(wěn)定。另一方面,回流煙氣可降低爐膛內(nèi)高溫貧氧燃燒區(qū),可明顯降低NO濃度。

表1 不同回流開口寬度下模擬結(jié)果對比

3 結(jié) 論

為使醇基燃料燃燒充分,降低NOx濃度的排放量,本文分析了軸向葉片式旋流器的不同參數(shù),引入煙氣回流裝置。對旋流角度、葉片個(gè)數(shù)和回流口寬度的不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析,使燃燒器與醇基燃料的適配性更強(qiáng)、可充分燃燒、降低NOx濃度的排放量。具體研究結(jié)論如下:

(1)旋流角度從20°增大到60°時(shí),火焰溫度呈先降低后升高的趨勢,爐膛出口NO濃度也先減小后增大。當(dāng)旋流角度為40°時(shí),局部高溫區(qū)面積最小,且爐膛出口處NO濃度排放量也最低。

(2)當(dāng)旋流葉片從8個(gè)增加到16個(gè)時(shí),爐膛內(nèi)火焰充滿度逐漸增加,溫度也不斷升高,而爐膛內(nèi)的高溫區(qū)面積呈先減小后增大的趨勢,它出口處NO濃度的排放量也是先減小后增大。當(dāng)旋流葉片有12個(gè)時(shí),它出口處NO濃度的排放量最低。

(3)當(dāng)回流口寬度Wtube-burner從0 mm增加到30 mm時(shí),爐膛溫度逐漸降低,火焰長度也不斷減小,且出口處的NO濃度排放量也減小。當(dāng)回流開口為30 mm時(shí),爐膛內(nèi)高溫區(qū)范圍明顯縮小,爐膛內(nèi)的NO濃度比無回流口時(shí)降低了54%左右。