強弱射流型MILD富氧燃燒器燃燒特性的數值分析

金圻燁， 周月桂， 金旭東， 鄭婷婷

(上海交通大學 機械與動力工程學院，熱能工程研究所，上海 200240)

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強弱射流型MILD富氧燃燒器燃燒特性的數值分析

金圻燁， 周月桂， 金旭東， 鄭婷婷

(上海交通大學 機械與動力工程學院，熱能工程研究所，上海 200240)

采用計算流體力學(CFD)數值模擬方法對一種強弱射流型MILD富氧燃燒器的流動和燃燒特性進行了分析.采用有限速率/渦耗散(FR/EDM)模型預測了丙烷MILD富氧燃燒過程中煙氣速度場、溫度場、組分體積分數分布和煙氣內循環流量比等宏觀特征，并與已有實驗數據進行比較，驗證了模型的準確性.在此基礎上深入分析了MILD富氧燃燒的化學反應區結構、湍流和化學反應時間尺度等微觀特征.結果表明：強烈的煙氣內循環充分地稀釋并預熱主反應區內的反應物，減緩了化學反應速率，從而降低了火焰峰值溫度，揭示了強弱射流型MILD富氧燃燒的低氧溫和燃燒特征.

MILD燃燒； 富氧燃燒； 強弱射流； 燃燒特性； 數值分析

中低氧濃度稀釋(MILD)富氧燃燒是基于二氧化碳捕集與封存(CCS)[1]的新一代富氧燃燒技術.該技術兼具傳統富氧燃燒[2]與先進MILD燃燒[3]的優勢，能夠改善傳統富氧燃燒存在的燃燒穩定性差和燃燒效率低等問題[4]，提高爐內溫度均勻性，增強爐內輻射傳熱，節約燃料和降低NOx等污染物排放，實現傳統化石燃料燃燒的“近零排放”.在過去的十幾年時間里，國內外科研工作者做了許多MILD富氧燃燒的實驗和數值模擬研究工作.

在數值模擬方面，潘聰等[8]通過模擬研究了不同的過氧系數對煤粉MILD富氧燃燒溫度分布和NO排放的影響，提出將過氧系數維持在1.1～1.15能保證煤粉的完全燃燒、更均勻的爐膛溫度分布及較低的NOx排放.Galletti等[9]采用有限速率/渦耗散(FR/EDM)模型模擬了甲烷氣體的MILD燃燒過程，重點分析了甲烷MILD燃燒中湍流流動與化學反應的相互作用，發現MILD燃燒中高溫區域內Damk?hler數(Da)要遠低于傳統有焰燃燒中高溫區域內的Da.金旭東等[10-11]采用數值模擬方法研究了MILD煤粉燃燒中湍流流動與化學反應時間尺度的微觀特征，并根據模擬結果繪制了MILD煤粉燃燒的圖譜.

筆者采用有限速率/渦耗散模型模擬了瑞典皇家工學院200 kW實驗爐[5]中丙烷MILD富氧燃燒過程，獲得實驗爐中煙氣速度場、溫度場、組分體積分數和煙氣內循環流量比等宏觀特征，并得到了實驗結果的驗證.在此基礎上深入分析了MILD富氧燃燒化學反應區結構、湍流和化學反應時間尺度等微觀特征，進而揭示了強弱射流型MILD富氧燃燒的低氧溫和燃燒機理.

1 數值計算模型及方法

1.1 數值模擬對象

(a) 爐膛截面

(b) 燃燒器結構圖1 爐膛示意圖Fig.1 Schematic diagram of the furnace

1.2 MILD富氧燃燒數學模型

采用Fluent軟件對丙烷MILD富氧燃燒進行數值模擬.其中湍流流動、均相化學反應以及氣體輻射等模型如下.

(1) 湍流和均相化學反應模型.

選用Realizablek-ε雙方程模型來模擬爐膛內部湍流流動.

由于MILD燃燒有別于傳統燃燒方式，具有較低的燃燒反應速率，因此假定氣相反應速率無限快的渦耗散模型(EDM)不適用于MILD燃燒.采用有限氣相反應速率和渦耗散相結合的FR/EDM模型來模擬丙烷的均相燃燒過程：

(1)

(2)

(2) 氣體輻射模型.

采用離散坐標(DO)輻射模型來模擬爐內輻射傳熱過程.

由于在富氧燃燒環境下，煙氣中CO2/H2O分壓比空氣燃燒時高得多，三原子氣體的濃度遠高于空氣氣氛下，因此氣體輻射特性將發生較大變化.Yin等[12]提出了一種改進的灰體加權平均輻射模型，給出了適用于不同CO2/H2O的富氧燃燒煙氣輻射計算方法，計算結果與指數寬帶(EWBM)模型結果符合較好.采用用戶自定義函數(UDF)將該改進的灰體加權平均模型嵌入Fluent中，用于計算MILD富氧燃燒中煙氣輻射傳熱.丙烷、氧氣和煙氣組分均服從理想氣體狀態方程，其黏度、比熱容以及導熱率均為溫度的函數.

采用Gambit 2.4.6軟件對實驗爐膛進行造型與網格劃分，如圖2所示，總網格數約為36萬，均為結構化六面體網格，同時對燃燒器區域進行適當加密，既減少了整體網格數量又保證了計算精確性.

圖2 網格劃分Fig.2 Meshing of the furnace

2 結果分析與討論

2.1 流場

圖3給出了爐膛中心截面的煙氣跡線圖.由圖3可以看出，非對稱的氧氣射流以超音速進入爐膛，在整個爐膛內引起了強烈、非對稱的煙氣內循環.在燃料著火前，從爐膛尾部卷吸回流的低氧高溫煙氣在燃燒器出口附近區域能夠對丙烷燃料和氧化劑進行快速預熱與稀釋，使當地氧氣體積分數降低，減緩燃燒反應速率，從而降低火焰峰值溫度.

圖3 煙氣跡線圖Fig.3 Flue gas flow field

2.2 組分體積分數

圖4為爐膛中心線組分體積分數變化曲線.從組分體積分數的變化可以看出，超音速的氧氣射流在整個爐膛引起了強烈的煙氣內部循環，從爐膛尾部卷吸回流的低氧高溫煙氣，對燃燒器出口處的燃料與氧氣進行了充分地混合稀釋，使得當地的丙烷濃度快速下降，二氧化碳濃度迅速上升，整個主反應區處于氧氣體積分數低于16%的低氧氣氛.隨后，丙烷與氧氣開始緩慢燃燒，丙烷、氧氣的消耗和二氧化碳的生成均較為平緩，爐內溫度逐漸升高.最后，所有組分體積分數在燃燒完全后均趨于穩定.

圖4 中心線組分體積分數Fig.4 Variation of species concentration along furnace centerline

2.3 溫度場

圖5所示為爐膛中心截面的煙氣溫度分布及中心線煙氣溫度變化曲線.從中心線煙氣溫度變化曲線可以看出，數值模擬結果與實驗數據[5]符合較好，說明采用的模型具有較高的準確性.燃燒器出口處反應物與回流熱煙氣進行快速預熱，反應物溫度迅速上升至自著火溫度.但由于大量低氧高溫煙氣在燃料著火前被卷吸回火焰根部，充分預熱并稀釋了當地反應物，使得整個主反應區處于低氧氣氛.因此，化學反應速率較低，燃燒并不劇烈，火焰峰值溫度僅為1 715 K，而在燃燒完全后煙氣溫度緩慢下降，最后趨于穩定，整個爐膛內溫度分布非常均勻.

(a) 中心截面煙氣溫度分布

(b) 中心線煙氣溫度圖5 煙氣溫度Fig.5 Flue gas temperatures

2.4 煙氣內循環流量比

煙氣內循環流量比KV是揭示MILD富氧燃燒流動特性的重要參數之一.KV的定義由Wünning等[13]提出：

(3)

式中：qm,E為爐膛橫截面回流熱煙氣質量流量；qm,F為初始燃料進口質量流量；qm,O為初始氧氣進口質量流量.

z軸方向上每個橫截面的qm,E由式(4)計算得出：

(4)

式中：Az(x,y)為z軸方向上每個橫截面的面積；vz(x,y,z)為速度矢量在z軸負方向上的速度分量.

圖6給出了爐膛中心軸線上煙氣內循環流量比的變化趨勢.由圖6可知，超音速的氧氣射流引起了爐膛內部強烈的煙氣循環，使得煙氣內循環流量比KV從燃燒器出口開始持續上升，并在距離燃燒器1 m處達到峰值，最大煙氣內循環流量比KV達到6.5.之后隨著距離的增加，煙氣內部循環開始逐漸減弱，煙氣回流區一直延伸到爐膛出口，表示爐膛尾部的低氧高溫煙氣能夠被卷吸回來與當地反應物進行混合稀釋及預熱.

圖6 煙氣內循環流量比Fig.6 Internal flue gas recirculation ratio

2.5 化學反應區結構

為了確定MILD富氧燃燒看不見的火焰邊界，Yang等[14]提出了一個評價MILD燃燒反應過程的重要指標——氧化劑混合比.氧化劑混合比RO定義為爐膛內任意一點的氧氣質量分數與當地氧氣質量分數和燃料完全燃燒所需氧氣質量分數之和的比值：

(5)

式中：SO=nOMO/nFMF;w為質量分數;n為化學計量系數;M為摩爾質量；下標O和F分別代表氧氣和燃料，下標c表示煙氣中所有可燃物的個數.

在氧氣射流出口以及反應物完全燃燒的區域RO=1，而在燃料射流進口處RO=0.因此，在化學反應區內RO范圍為0～0.99，可以假設RO=0.99的曲線為化學反應區邊界.

圖7為丙烷MILD富氧燃燒的化學反應區結構，數值模擬結果與實際爐膛燃燒實驗結果[15]符合較好，其火焰長度達到1.83 m.相對于傳統有焰燃燒，MILD富氧燃燒中強烈的煙氣內循環可以快速地稀釋主反應區內的反應物，使得反應物能夠擴散到更大的區域進行反應，從而擴大了化學反應區，形成了所謂的彌散燃燒.

圖7 化學反應區結構Fig.7 Structure of the chemical reaction zone

2.6 無量綱特征參數

MILD富氧燃燒有著不同于傳統有焰燃燒的湍流流動與化學反應相互作用，強弱射流引起的強烈煙氣內循環充分稀釋了反應區內反應物，從而降低了其化學反應速率.

Damk?hler數(Da)和Karlovitz數(Ka)是衡量湍流與化學反應相互作用及評價MILD富氧燃燒的2個重要無量綱特征參數.

Da是流動特征時間τf和化學反應特征時間τc的比值[16]：

(6)

式中：流動特征時間τf=l0/u′(l0)，l0為湍流渦的積分尺度，u′(l0)為湍流速度脈動；化學反應特征時間τc=c/r，c為燃料物質的量濃度，r為燃料反應速率.

Karlovitz數則是化學反應特征時間τc與Kolmogorov漩渦特征時間τk的比值[17]：

(7)

式中：Kolmogorov漩渦特征時間τk=(ν/ε)1/2,ν為湍流運動黏度,ε為湍流耗散率.

圖8(a)和圖8(b)分別給出了爐膛中心截面2個重要無量綱特征參數Da和Ka的分布.從圖8(a)可以看出，爐膛內整體的Da較小，主反應區域的Da<<1并且十分均勻，說明在MILD富氧燃燒的主反應區域，流動特征時間遠小于化學反應特征時間，湍流混合強烈，化學反應進行緩慢，該區域燃燒過程主要受化學反應控制，湍流混合對其影響很小，反應物能在更大容積范圍內溫和燃燒，煙氣溫度分布更加均勻.

另一方面，如圖8(b)所示，爐膛內整體Ka>1，且主反應區域的Ka>>1，這反映在MILD富氧燃燒的主反應區域，Kolmogorov漩渦特征時間遠小于化學反應特征時間，Kolmogorov漩渦尺寸遠小于主反應區的厚度，說明Kolmogorov最小尺度的渦能夠穿透主反應區邊界，進入到主反應區域內增強該區域內的湍流擾動，強化其傳熱與傳質過程，從而產生較低火焰峰值溫度，爐內溫度分布更均勻.

(a) Da分布

(b) Ka分布圖8 無量綱特征參數分布Fig.8 Distribution of dimensionless parameters

3 結 論

(1) 采用有限速率/渦耗散模型對丙烷MILD富氧燃燒過程進行數值模擬，獲得了MILD富氧燃燒的宏觀特征，深入分析了MILD富氧燃燒的微觀特征.

(2) 采用強弱射流型MILD富氧燃燒器，爐膛煙氣內循環流量比高達6.5，火焰長度達到1.83 m，形成大范圍的容積燃燒，表明強烈的煙氣內循環充分地預熱并稀釋了主反應區內的燃料與氧氣，降低了化學反應速率.

(3) 對于MILD富氧燃燒，整個主反應區內Da遠小于1，而Ka遠大于1，揭示了強弱射流型MILD富氧燃燒器的低氧溫和燃燒特征.

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Numerical Analysis on Combustion Characteristics of a MILD Oxy-fuel Burner with Strong/Weak Jets

JINQiye,ZHOUYuegui,JINXudong,ZHENGTingting

(Institute of Thermal Energy Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Flow and combustion characteristics of a moderate & intense low oxygen dilution (MILD) oxy-fuel burner with strong/weak jets were numerically analyzed by computational fluid dynamics (CFD) method. A finite-rate/eddy-dissipation model (FR/EDM) was used to predict the flue gas velocity, temperature field, species field and internal flue gas recirculation ratio of propane MILD oxy-fuel combustion, and the model accuracy was verified by comparison with existing experimental data. On above basis, the structure of chemical reaction zone as well as turbulence and chemical timescales of MILD oxy-fuel combustion were further analyzed. Results show that the intensive internal flue gas recirculation adequately dilutes and preheats the reactants in the main reaction zone, slows down the chemical reaction rate and further reduces the peak flame temperature, revealing that the MILD oxy-fuel burner with strong/weak jets has the features of low oxygen concentrations and moderate chemical reactions.

MILD combustion; oxy-fuel combustion; strong/weak jet; combustion characteristics; numerical analysis

2016-06-23

2016-09-23

國家自然科學基金資助項目(51576128，51276110)

金圻燁(1992-)，男，江西萍鄉人，碩士研究生，主要從事富氧燃燒數值模擬研究. 周月桂(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.):021-34207660；E-mail：ygzhou@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2017)07-0520-05

TK223.23

A

470.30