梭式窯吸入式燒嘴的燃燒模擬與研究

摘要：在原有工作的基礎上，利用Fluent軟件以液化石油氣為燃料，選用通用有限速率-渦耗散燃燒模型進行了燃燒的預混模擬。比較了常比熱容和變比熱容的結果，為以后的模擬工作提出一些建議。

關鍵詞：梭式窯吸入式燒嘴預混燃燒比熱容數值模擬

一、引言

眾所周知，梭式窯具有結構緊湊，占地面積少，投資少，見效快，燒成制度調節靈活[2]等優點，在陶瓷行業已經得到了普遍推廣，因此對梭式窯各方面的研究也越來越廣泛。在關于梭式窯的研究中，數值模擬成為主要的研究方法，通過數值模擬可實現不同條件下的工況。

目前國內外對梭式窯燒嘴的研究大多停留在生產經驗上，對窯內煙氣狀況的研究則更少，燃燒產物狀況是影響產品質量和生產效益的重要因素，同時也對合理組織爐膛內的燃燒，節能、減少污染以及優化燒嘴結構具有重大的指導意義，因此深入開展梭式窯燒嘴的理論和模擬研究對改進我國窯爐設計和陶瓷燒制理論與技術具有重要的學術意義和工業應用價值。本文在原有工作的基礎上，利用CFD商用軟件Fluent模擬了常比熱容和變比熱容條件下產生的不同燃燒結果。

二、吸入式燒嘴的數學模型

1、模擬對象假設

本文以梭式窯的燒嘴為主要模擬對象，根據要求建立了燃燒實驗臺的幾何模型。現對模型進行如下假設：①、幾何體的尺寸以實際的梭式窯的尺寸為主；②、窯體在燒成的過程中不會漏入冷空氣；③、燒嘴僅僅包括助燃空氣和燃料入口兩個部分。

2、幾何模型的尺寸

本模擬以系實驗室的燃燒實驗臺為模型，具體的尺寸結構如表1：

出煙口尺寸為：30mm×30mm×30mm；出煙口與窯體最低處相距15mm。

圖1是按1：1比例繪制的自吸式燒嘴的實體結構圖（單位：mm）：

3、邊界類型的選取

在幾何模型建立后，進行網格劃分，并對模型進行邊界類型選取，供Fluent計算時輸入邊界條件。本文將燒嘴的燃料進口定為fuelinlet；空氣入口定為airinlet；燃料入口的小管定為nozzle；煙氣出口為outlet；窯底、四周窯墻為wall；網格離散區為fluid。

通過試驗數據整理及熱工計算可得到燒嘴速度邊界條件：溫度為1051℃時，Vf=3.574m/s，Va=0.823m/s。

4、數值模擬的模型選擇

本文模擬的燒成實驗室梭式窯所使用的吸入式燒嘴屬于全預混式燒嘴（高壓噴射式燒嘴），其特征是液化石油氣與空氣預先在燒嘴內充分混合，然后再進入窯內或燃燒室內燃燒，所以燃燒模擬采用通用有限速度模型中的渦耗散（Eddy-dissipation）燃燒模型。

由于陶瓷燒成過程為強烈的紊流過程，且對于梭式窯來說將其每一刻均視為不可壓縮流體，為加快計算收斂速度，計算開始首先選用標準κ-ε兩方程模型，待計算收斂后，再改用最終選用的RNGκ-ε湍流模型，通過求解連續性方程、動量方程及RNGκ-ε方程來獲得湍流流場分布的各特征量。

三、吸入式燒嘴的數值模擬結果和分析

1、常比熱容數值模擬

按上述數學模型在Cp不變的條件下對自吸式燒嘴進行三維數值燃燒模擬。從速度場分布圖2中可以看出，速度最大值發生在燒嘴燃料進口處附近，這是由于此時燃料的速度本來很大。氣體混合后速度一樣，并且變慢了，這說明氣體在混合后很均勻，這將有助于燃料與空氣的有效燃燒。由溫度分布圖3可知，在Vf=3.574m/s，Va=0.823m/s時模擬的燃燒溫度和實際測量的燃燒溫度基本能夠擬合，表明本模擬中所選用的數學模型能夠較好地反映燃料和空氣的燃燒過程。

通過溫度場的分布可以看出火焰的最高溫度大約在1340K左右，出現在離燒嘴口大約120mm處范圍，斷面其余部分溫度分層比較均勻，大約都在1240K左右，溫差較小。同時可以看出高溫區域比較大，沒有明顯的火焰，這說明預混燃燒是無焰燃燒，燃料和空氣在進入窯爐內就已經完全混合均勻，燃燒速度比有焰燃燒快得多，整個燃燒過程很快就在燒嘴出口處結束。由于高溫區域比較集中，而且所用的過剩空氣量少，所以無焰燃燒溫度比有焰燃燒高。實際溫度是1324K，所模擬的溫度是1340K，與實際的溫度相差不大，模型基本正確。

2、變比熱容數值模擬

比熱假定不變，對燃燒的求解有很大的影響。尤其是比熱對溫度和組分的強烈依賴將對火焰溫度的預測有很大影響。在采用變比熱容的解法時，啟動比熱對組成成分的變化特征。進行迭代計算殘差顯著跳升，進行500步迭代，求解大概在275個迭代之后收斂。

由（圖4）Cp變化的等溫圖得出：采用隨溫度和組分變化的比熱后，最高溫度已經降低到1310K，說明在實際模擬中采用這種方法的正確性和必要性。由圖5等比熱容圖看出，在進入窯體，溫度和燃燒產物比較集中的地方，混合比熱較大。相對以前用過的常比熱容值，熱容的增加顯著的降低了溫度的峰值。由從（圖6）H2O和N2的質量分數等高圖可以看出：燃燒在燒嘴出口附近是最劇烈的，燃燒狀態是最好的，所以此時H2O的質量分數最高，而N2的含量較低。從燃燒的模擬中可以發現，燃燒在氧氣正常的情況下是預混的無焰燃燒，燃燒后的高溫分布在窯體里面。（圖7）C3H8和O2的質量分數等高圖說明C3H8完全燃燒后在窯體里面幾乎全部消耗了，在燃料進口附近質量分散最大。O2質量分散在燒嘴里面最大，在窯體里減少了很多，這說明在窯體里面消耗了大量的氧氣。氧氣還有剩余，燃料充分燃燒，從圖中可以清晰的看到燃燒后的物質組分情況。

四、結論及展望

1、比熱容的變化對燃燒有重要影響，因此在數值模擬各種燃燒時應對其進行考慮。

2、燃料燃燒時，氮氣吸收大量熱量，并與空氣中的氧發生反應，生成大量的NO2，從而降低了燃料的燃燒效率。針對上述問題，富氧燃燒技術是一個很好的解決辦法，建議以后在這方面做一些研究。

3、由于時間有限，本文未就不同的燃料、空氣進口速度以及不同數學模型對模擬結果的影響進行討論，建議今后進一步開展這方面的研究。