預(yù)熱室結(jié)構(gòu)對多段式自預(yù)熱燃燒器內(nèi)燃燒及NOx排放特性的影響

陳冬林， 成 珊， 贠 英， 鄧 濤

（長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114）

目前，我國鋼鐵、有色冶金及化工等行業(yè)每年會產(chǎn)生大量的低熱值（3200～7600kJ／m3）伴生氣體，其中一部分直接對空排放燃燒，另一部分送入大型燃煤鍋爐中摻燒，或在工業(yè)爐窯中采用高溫預(yù)熱空氣技術(shù)燃燒［1-4］，而在中小型工業(yè)鍋爐中很少直接燃燒利用，其主要原因是低熱值氣體著火困難，燃燒穩(wěn)定性差.基于蓄熱體的蓄熱式高溫預(yù)熱空氣燃燒技術(shù)雖然能直接燃燒低熱值氣體燃料，但這種燃燒技術(shù)所采用的蓄熱載體價格昂貴、極易堵塞和高溫腐蝕［5］，因而制約了其在工業(yè)爐窯上的大面積推廣.為了解決中小型工業(yè)爐窯直接燃燒低熱值氣體的技術(shù)難題，作者提出了一種基于回流高溫煙氣多段自預(yù)熱的燃燒方法，并對其燃燒特性進行了數(shù)值模擬研究，以期為研究者提供一些借鑒.

1 燃燒器預(yù)熱室結(jié)構(gòu)

筆者提出的多段式自預(yù)熱燃燒器的主要部件為預(yù)熱室與燃燒室.該燃燒器不需要外部裝置輔助加熱，而是利用其特殊結(jié)構(gòu)使高溫煙氣回流來預(yù)熱空氣及燃料，并在煙氣回流的影響下，使燃燒室內(nèi)的煙氣與反應(yīng)物強烈混合，對反應(yīng)物起到較強的預(yù)熱和稀釋作用.其主要特點是：（1）空氣進入進口風箱后，在冷卻高溫煙氣回流管內(nèi)煙氣的同時得到第一次預(yù)熱；（2）燃料和空氣分別進入高溫煙氣回流管內(nèi)的燃料管和空氣管后，與高溫煙氣回流管內(nèi)逆向流動的高溫煙氣發(fā)生強對流換熱，使空氣得到第二次預(yù)熱，燃料得到第一次預(yù)熱；（3）當燃料和空氣離開高溫煙氣回流管內(nèi)的燃料管和空氣管進入一端封閉的燃燒室后，與逆向流動的火焰和高溫煙氣發(fā)生直接混合與強對流換熱，使空氣得到第三次加熱，燃料得到第二次加熱.傳統(tǒng)燃燒器燃燒室與多段式自預(yù)熱燃燒器燃燒室的對比示意圖見圖1.

圖1 燃燒器燃燒室示意圖Fig.1 Schematic diagram of the combustion chamber

采用數(shù)值模擬方法對預(yù)熱室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對該燃燒器燃氣的燃燒特性及NOx排放特性進行研究.建立了4種不同結(jié)構(gòu)的多段式自預(yù)熱燃燒器預(yù)熱室物理模型，見圖2.

圖2 燃燒器預(yù)熱室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the preheating chamber

由圖2可以看出，結(jié)構(gòu)1～3中，進口風箱內(nèi)的空氣進入高溫煙氣回流管內(nèi)的上下2根空氣管，再噴入燃燒室內(nèi)，結(jié)構(gòu)4中，進口風箱內(nèi)空氣進入高溫煙氣回流管內(nèi)的左右2根空氣管，再噴入燃燒室內(nèi).燃氣均從外界直接進入套在高溫煙氣回流管內(nèi)的燃氣管，在結(jié)構(gòu)1中，燃氣管為1根水平管，在結(jié)構(gòu)2中，燃氣管為沿水平方向分布的2根水平管，在結(jié)構(gòu)3中，燃氣管為沿水平方向分布的5根水平管，在結(jié)構(gòu)4中，燃氣管為沿高溫煙氣管走向的5根彎管.

燃燒器額定熱負荷為1005kW，設(shè)計燃料為高爐煤氣，其熱值約為3000kJ／m3，φ（CO）＝25%、φ（CO2）＝15%、φ（N2）＝55%和其他微量成分的體積分數(shù)為5%，過量空氣系數(shù)為1.2.在100%負荷（額定負荷）下，空氣與燃氣進口速度分別為50m／s與45m／s，80%負荷下分別為40m／s與36m／s，60%負荷下分別為30m／s與27m／s，40%負荷下為20m／s與18m／s.其他參數(shù)見表1.

表1 燃燒器設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters for the burner

2 數(shù)值模擬

在Fluent軟件中，選用標準k－ε湍流模型以及EDC燃燒模型進行燃燒模擬時，燃燒室內(nèi)的平均速度和溫度與實際值偏差在5%以內(nèi)［6］，認為模擬結(jié)果是可信的，所以利用商業(yè)軟件Fluent 6.3完成數(shù)值模擬研究.

為提高計算速度、獲得更精確的模擬結(jié)果，盡可能使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行劃分.選用k－ε湍流模型、EDC燃燒模型及DO輻射模型進行計算，使用分離求解器，并采用Simple算法進行壓力和速度耦合［7］，所有的控制方程均采用二階迎風格式.假定混合物滿足理想氣體狀態(tài)方程，混合物比定壓熱容cp通過溫度與比熱容的多項式確定［8-11］.

邊界條件均設(shè)定為：速度進口，壓力出口.初始化采用all－zones計算平均值.收斂條件：能量方程殘差小于10－6，其他殘差小于10－4，NOx預(yù)測包括熱力型NOx和快速型NOx，考慮湍流波動對時均反應(yīng)率影響，收斂標準定為10－5［12-13］.

3 結(jié)果分析

3.1 流場

圖3給出了采用傳統(tǒng)燃燒器與多段式自預(yù)熱燃燒器時的燃燒室典型流場分布.采用傳統(tǒng)燃燒器時，反應(yīng)物在燃燒室內(nèi)流速低，卷吸作用不強，且較少發(fā)生回流，在燃燒室內(nèi)經(jīng)歷路程短；采用多段式自預(yù)熱燃燒器時，全部反應(yīng)物經(jīng)小噴嘴噴入爐內(nèi)，射流速度較高，在燃燒室內(nèi)形成一個由反應(yīng)物組成的噴向燃燒室末端的中心射流，射流在向前運動的過程中大量卷吸周圍煙氣，并在到達燃燒室末端時由于壓力升高而發(fā)生回流，轉(zhuǎn)而向燃燒室進口方向流動，經(jīng)歷路程相對較長.

圖3 燃燒室典型流場分布Fig.3 Typical flow fields in the combustion chamber

3.2 煙氣卷吸率

燃燒室內(nèi)對反應(yīng)物的稀釋過程是一個至關(guān)重要的過程.為定量分析反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物混合的均勻程度，定義煙氣卷吸率（Kv）為卷吸的煙氣質(zhì)量流量（有效截面積上總的質(zhì)量流量減去進口空氣和燃料的總質(zhì)量流量）與進口空氣和燃料的總質(zhì)量流量之比［14－15］，即

式中：ρinlet（x）為距燃燒室進口x處的yz平面上向燃燒室內(nèi)部方向流動的質(zhì)量流量；ρ0（0）為進口處空氣和燃氣的總質(zhì)量流量.

根據(jù)式（1）可知，對于相同的空氣和燃氣進口質(zhì)量流量，ρinlet越大，則Kv越大，即對反應(yīng)物的稀釋程度越高.ρinlet及Kv均通過CFD數(shù)據(jù)根據(jù)式（1）計算而得.

采用多段式自預(yù)熱燃燒器預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4時，煙氣卷吸率Kv隨與燃燒室入口距離x的變化情況如圖4所示.在燃燒室前半段，射流向燃燒室內(nèi)部流動，其距燃燒室入口距離x不斷增大，更多煙氣被卷吸進射流中，煙氣卷吸率呈現(xiàn)不斷升高趨勢，在燃燒室中心位置達到最大值，增長率在0.12～0.71；在燃燒室后半段，射流與燃燒室封閉的末端越來越接近，射流速度降低并發(fā)生方向的轉(zhuǎn)變，煙氣卷吸率略有下降.

圖4 煙氣卷吸率隨與燃燒室入口距離的變化Fig.4 Curves of flue gas recirculation rate varying with the distance of combustion chamber inlet

從圖4還可以看出，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2分別將燃氣分為1束和2束噴入燃燒室，煙氣卷吸率相差不大；結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4將燃氣分為5束噴入燃燒室，煙氣卷吸率與結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2相比降低10%～30%.

3.3 溫度分布

圖5給出了采用傳統(tǒng)燃燒器與多段式自預(yù)熱燃燒器在典型負荷工況下的燃燒室溫度場.可以看出，采用4種不同預(yù)熱室結(jié)構(gòu)的多段式自預(yù)熱燃燒器時，由于結(jié)構(gòu)1～4的反應(yīng)物與煙氣換熱面積依次增大（表1），反應(yīng)物預(yù)熱后達到的平均溫度也依次升高（分別約為790K、950K、1100K、1200K）.

采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1時，燃氣預(yù)熱效果不佳，導(dǎo)致燃燒室在入口處有明顯的低溫區(qū)（溫度處于300～1000K的區(qū)域），但燃燒室溫度分布均勻，96%以上空間溫度分布在1500～1580K；采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)2時，燃燒室入口處的溫度有所上升，低溫區(qū)減小，但直到燃燒室中心區(qū)域反應(yīng)程度才加劇，燃燒室92%以上空間溫度分布在1500～1580K；采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)3時，由于反應(yīng)物預(yù)熱效果增強，燃燒室入口處低溫區(qū)小，平均溫度升高，但燃燒室溫度分布均勻性降低，約89%空間溫度處于1580～1660K；采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)4時，燃燒室入口處溫度相比結(jié)構(gòu)1～3是最高的，且反應(yīng)物噴嘴個數(shù)比結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2多，反應(yīng)物更易混合均勻，因此進入燃燒室后立即劇烈反應(yīng)，很快達到1900K附近的峰值溫度，但燃燒室內(nèi)的溫度分布不均勻程度繼續(xù)增大，不到85%的空間溫度處于1660～1740K.

圖5 燃燒室溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the combustion chamber

從圖4煙氣卷吸率分析可以看出，燃燒室卷吸作用越劇烈，反應(yīng)物被煙氣稀釋的程度越高，燃燒反應(yīng)相對更緩慢，因而整體溫度場更均勻.

比較所有燃燒室溫度可以發(fā)現(xiàn)，采用多段式自預(yù)熱燃燒器時，從結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)4，燃燒室的峰值溫度從1580K上升到1900K，處于峰值溫度的區(qū)域面積增大，平均溫度也由1550K上升到1700K；采用傳統(tǒng)燃燒器時，相同負荷下的平均溫度較低，在1350K左右，而在40%負荷下不能著火，即負荷適應(yīng)性比多段式自預(yù)熱燃燒器差.

從圖6可以看出，采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4的燃燒器燃燒時，由于燃燒器內(nèi)的預(yù)熱效果依次增強，燃燒室中軸線上入口處溫度也依次由300K上升到1200K，燃燒室內(nèi)溫度達到相對穩(wěn)定的位置也更靠近反應(yīng)物入口處，并且峰值溫度從1580K上升到1900K，穩(wěn)定溫度由1550K上升到1700K.

圖6 燃燒室中軸線溫度分布Fig.6 Temperature distribution along the center line of combustion chamber

其中，預(yù)熱室結(jié)構(gòu)2由于在高溫煙氣回流管中心未設(shè)置反應(yīng)物入口管，燃燒室中軸線上并無反應(yīng)物入口射流，所以燃燒室中軸線入口處受回流煙氣影響較大，溫度高于其他預(yù)熱室結(jié)構(gòu)的燃燒器，但隨著與燃燒室入口距離x的增加，受周圍反應(yīng)物射流影響增加，中軸線溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢.

3.4 燃盡率

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可得，采用不同預(yù)熱室結(jié)構(gòu)的燃燒器時，煙氣回流管出口處的CO質(zhì)量分數(shù)如圖7所示（預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4下，煙氣中O2質(zhì)量分數(shù)分別為0.017±0.0005、0.016±0.0005、0.008±0.0005、0.005±0.0005）.根據(jù)燃燒前后總質(zhì)量守恒和燃燒室進口CO質(zhì)量分數(shù)可計算出燃盡率，結(jié)果見圖8.從圖7和圖8可以看出，預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4的多段式自預(yù)熱燃燒器燃盡率受負荷變化的影響均維持在0.14%以內(nèi)，燃燒效率高.

圖7 預(yù)熱室結(jié)構(gòu)對出口處CO質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.7 Effect of the structure of preheating chamber on the outlet CO mass concentration

采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4的燃燒器時，受到反應(yīng)物預(yù)熱效果不斷增強的影響，燃燒室內(nèi)的反應(yīng)劇烈程度增加，平均溫度上升，導(dǎo)致燃燒器內(nèi)的燃盡率提高，燃料利用率提高.其中結(jié)構(gòu)2比結(jié)構(gòu)1下燃盡率高約4.5%，結(jié)構(gòu)3比結(jié)構(gòu)2下燃盡率高約7%，結(jié)構(gòu)4比結(jié)構(gòu)3下燃盡率高約3.5%.

圖8 預(yù)熱室結(jié)構(gòu)對燃盡率的影響Fig.8 Effect of the structure of preheating chamber on the burn－out rate

3.5 NOx體積分數(shù)

圖9給出了預(yù)熱室結(jié)構(gòu)對NOx體積分數(shù)的影響.從圖9可以看出，生成NOx的體積分數(shù)與燃燒器負荷緊密相關(guān)，這是因為燃燒器負荷降低時，反應(yīng)物進口流速降低，在燃燒室停留時間增加，射流卷吸率降低，導(dǎo)致反應(yīng)物的稀釋程度不夠，燃燒反應(yīng)快速進行，峰值溫度高，且停留時間長，從而導(dǎo)致污染物的體積分數(shù)高.

圖9 預(yù)熱室結(jié)構(gòu)對NOx體積分數(shù)的影響Fig.9 Effect of the structure of preheating chamber on NOxvolume fraction

此外，依次采用預(yù)熱室結(jié)構(gòu)1～4的燃燒器時，在煙氣卷吸率下降和預(yù)熱效果增強的共同影響下，燃燒室內(nèi)溫度均勻性下降，峰值溫度升高，煙氣回流管出口處平均NOx體積分數(shù)上升.

4 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)燃燒器相比，多段式自預(yù)熱燃燒器對低熱值燃料適應(yīng)性好，在低負荷下也能著火.

（2）多段式自預(yù)熱燃燒器對燃燒室流場影響明顯，燃燒室內(nèi)有強烈的回流產(chǎn)生，反應(yīng)物在燃燒室內(nèi)經(jīng)歷路程長.

（3）多段式自預(yù)熱燃燒器的預(yù)熱室結(jié)構(gòu)同時影響煙氣卷吸率以及預(yù)熱效果.換熱管數(shù)目越多，換熱效果越好，但煙氣卷吸率越低.

（4）采用多段式自預(yù)熱燃燒器時，反應(yīng)物初始溫度越高，燃盡率也越高.此外，采用該燃燒器時，負荷適應(yīng)性強，燃盡率受負荷影響較小.

（5）燃燒室煙氣卷吸率越高，NOx體積分數(shù)越低.采用多段式自預(yù)熱燃燒器時，NOx體積分數(shù)受負荷影響明顯，在低負荷工況下，生成的NOx體積分數(shù)增大.

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