噴口間距對(duì)蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響

李 鵬王 超（.大連昌榮爐業(yè)股份有限公司，遼寧 大連 60；.東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 089）

噴口間距對(duì)蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響

李 鵬1王 超2
（1.大連昌榮爐業(yè)股份有限公司，遼寧 大連 116021；2.東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

利用fluent流體軟件分析噴口間距對(duì)空氣分級(jí)燃燒方式的蓄熱式燒嘴燃燒性能的影響。研究結(jié)果表明，噴口間距對(duì)燒嘴的性能很大，改變二次空氣噴口與煤氣噴口的中心間距，可以明顯改變爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。

蓄熱式燒嘴；噴口間距；溫度場(chǎng)；流場(chǎng)

高溫空氣燃燒技術(shù)在近幾年得到了高速發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用。而實(shí)現(xiàn)高溫低氧燃燒的方法中最常見的是燃料的分級(jí)燃燒和空氣的分級(jí)燃燒。筆者參與的工程項(xiàng)目中采用的蓄熱式燒嘴所使用的燃燒方法是空氣的分級(jí)燃燒，因此本文以此類型的蓄熱式燒嘴為研究對(duì)象，利用FLUENT流體計(jì)算軟件研究該類燒嘴的燒嘴頭結(jié)構(gòu)。分析噴口間距對(duì)蓄熱式燒嘴性能的影響。

2 蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

此類蓄熱式燒嘴的特點(diǎn)是燃料噴口置于中心，空氣分為2級(jí)供給燒嘴燃燒，即一次空氣和二次空氣。一次空氣為不預(yù)熱的冷空氣，二次空氣為通過蓄熱體預(yù)熱后的高溫空氣。煤氣先與一次空氣在預(yù)燃室內(nèi)燃燒，然后噴入爐膛與二次高溫空氣進(jìn)行二次燃燒。燒嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 噴口間距對(duì)溫度場(chǎng)影響

為了研究二次空氣噴口和煤氣噴口間距對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的影響，引入一個(gè)無(wú)量綱數(shù)I，定義為二次空氣噴口中心線和煤氣噴口中心線的距離與預(yù)燃室半徑之比：式中：

L——二次空氣噴口中心線與煤氣噴口中心線的距離；D——預(yù)燃室直徑。

本文FLUENT數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型來(lái)模擬湍流流動(dòng)；燃燒反應(yīng)基于Spalding簡(jiǎn)單燃燒反應(yīng)系統(tǒng)假設(shè)（SCRS），β-PDF燃燒模型，同時(shí)可使用灰體光段模型進(jìn)行非灰體輻射計(jì)算。在一次空氣空氣流速為30m/s的條件下，共討論了I=2.0，I=2.8，I=4.4，I=5.2四個(gè)無(wú)量綱量的影響效果。四種情況下溫度場(chǎng)如圖2所示。可以明顯看出，當(dāng)I由2增大到2.8時(shí)，火焰的最高溫度由2127℃（2400K）降到1928℃（2201K）；爐膛平均溫度上升了近150℃，高溫區(qū)域（1697K的溫度線所包圍的區(qū)域）占據(jù)了大半個(gè)爐膛體積；火焰長(zhǎng)度增加，火焰中部1851K的溫度線由I=2.0時(shí)的約1.4m增加到I=2.8時(shí)的2.1m。當(dāng)I增大到4.4時(shí)，火焰體積極度增大，火焰溫度峰值降低到1645℃（1918K），高溫區(qū)域溫度相比I=2.8時(shí)升高近100℃，且其體積幾乎充滿了整個(gè)爐膛；火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，火焰中部高溫區(qū)（1918K溫度線所包圍的區(qū)域）出現(xiàn)了約0.5m長(zhǎng)的中斷區(qū)，而后此高溫區(qū)域又在爐膛中后部以長(zhǎng)約1.8m，最寬處約1m的圓錐形“火團(tuán)”形狀出現(xiàn)；當(dāng)I=5.2時(shí)，即二次高溫空氣噴口位于爐膛左壁面中間位置處，火焰又出現(xiàn)局部高溫，火焰高溫區(qū)域縮短變窄。

4 噴口間距對(duì)流場(chǎng)的影響

四種情況下流場(chǎng)分布圖如圖3所示。

從它們的流場(chǎng)圖中不難看出二次高溫空氣與煤氣噴口間距對(duì)流場(chǎng)分布的影響。當(dāng)I=2.0時(shí)，二次空氣噴口與煤氣噴口間距較小，兩股射流很快進(jìn)行了混合燃燒，在兩者之間很難實(shí)現(xiàn)回流區(qū)低氧煙氣的利用，表現(xiàn)為火焰長(zhǎng)度較短，體積較小。

當(dāng)I值逐漸增大時(shí)，二次空氣與煤氣射流流股之間的回流區(qū)變大，噴口壁面處的回流現(xiàn)象逐漸明顯，合適的煙氣回流將會(huì)增加燃燒室內(nèi)氣體的攪拌程度，降低燃燒空間局部的氧含量，從而使火焰體積增大。但是，當(dāng)I值變大時(shí)，射流的穿透能力也會(huì)相應(yīng)減小，靠近爐膛頂部的回流區(qū)受到較大限制，會(huì)對(duì)燃料的二次燃燒產(chǎn)生不利的影響，所以，I值不可太大。

結(jié)語(yǔ)

通過本文的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)這種對(duì)于采用空氣分級(jí)燃燒方式的蓄熱式燒嘴來(lái)說(shuō)，二次空氣噴口和煤氣噴口間距對(duì)燒嘴的性能很大。改變二次空氣噴口與煤氣噴口的中心間距，對(duì)爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)影響較為明顯。因此在實(shí)際的項(xiàng)目當(dāng)中，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)爐子的結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)于蓄熱式燒嘴選用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能在很大程度上獲得較好的爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。

[1]王力軍，蔡九菊，鄒宗樹，郝玉玲.高溫低氧燃燒爐內(nèi)等溫流場(chǎng)特性的數(shù)值分析[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，24（02）：159-161.

[2] WANG Ai-hua, CAI Jiu-ju, XIE Guowei. Numerical Simulation of Combustion Characteristics in High Temperature Air Combustion Furnace[M]. Joural of Iron and Steel Research, International, 2009, 16（02）: 06-10.

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A1 前言