鈍體穩燃的旋流預混火焰污染物生成和流場分析

韓徳琳，王天天，鄒 俊，張 海，張 揚，呂俊復，王隨林

(1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084；3.清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

我國城市冬季供暖曾以燃煤熱電聯產機組和燃煤熱水鍋爐為主[1]。隨著國家環保標準的日益嚴格，我國北方地區城市供暖逐步從燃煤向燃氣轉變。“煤改氣”成為近年城市供暖的熱點。對原有煤粉鍋爐進行改造，拆除原有煤粉燃燒器，改為天然氣燃燒器，最大限度利用原有鍋爐設備，降低改造成本，是“煤改氣”的最優選擇。

天然氣燃燒的主要污染物是NOx，如何降低天然氣燃燒過程中的NOx是重點問題。常見的天然氣低NOx燃燒技術有煙氣再循環、分級燃燒等，且在煤改氣領域取得一些成功案例[2-5]。

針對π型鍋爐的煤改氣，由于多數情況下燃燒器安裝在鍋爐前墻，且鍋爐前后墻之間的距離有限。而傳統的煙氣再循環技術會降低火焰溫度，增加火炬長度，設計不當時，燃燒器火炬長度大于鍋爐前后墻之間的距離，導致火炬“刷墻”。如果同時采用空氣分級燃燒技術方案，可能產生后墻積碳問題。因此開發火炬較短、燃盡速度較快的燃燒組織方法尤為重要，貧燃預混旋流燃燒組織方法引起廣泛關注。該技術通過燃料與空氣預混，增加燃燒速度，有效縮短火炬長度。通過旋流產生回流區，使其在極低當量比下穩定燃燒[6]，從而保持較低的NOx排放。但由于旋流作用，貧燃預混旋流燃燒組織方法易發生回火等問題，因此旋流燃燒常與鈍體結合增強燃燒過程的穩定性。

近年來關于鈍體穩焰和貧預混旋流燃燒技術研究較多。曾東和等[7]利用數值模擬研究了旋流預混燃燒不同鈍體后方流場情況，發現非流線型的錐形鈍體具有更大的中心回流區和回流量，穩焰效果最好。錢壬章等[8]利用PIV技術研究了5種鈍體不同縫寬下的流場結構，發現回流區長度隨鈍體縫寬的增大而增加。DUTKA等[9]研究發現，移動鈍體位置可減少NOx生成，但鈍體位置不合適會產生燃燒不完全現象，生成少量CO。BEHZADI等[10]研究發現，鈍體尺寸對防止回火有重大影響，但對貧燃極限和火焰形狀影響較小。趙曉敏等[11-13]通過試驗和數值模擬方法，研究了旋流數和當量比對旋流預混燃燒的影響，發現旋流數和當量比對于燃燒穩定性和NOx排放影響很大。石黎等[14-15]研究發現，增大旋流數會增加火焰寬度，降低燃燒峰值溫度，降低NOx生成量。邢雙喜[16]研究發現，旋流數增大，會減小燃燒高溫區，NOx生成量降低。FU等[17-18]研究旋流預混燃燒發現，NOx排放隨旋流數增大逐漸減小。NAHVI等[19]研究發現，在弱旋流預混燃燒中，旋流數增大，會減小燃燒高溫區面積，NOx生成量降低。肖隱利等[20]通過設計不同角度葉片的旋流器，搭建了旋流燃燒試驗臺，并利用PIV技術分析了不同旋流數下的流場基本特征，發現在弱旋流狀態下，NOx生成量均較低。HUANG等[21]通過數值模擬方法研究了貧燃預混旋流燃燒室，發現增大旋流數會影響燃燒室內的流動結構，進而影響溫度分布及污染物生成。JOHNSON等[22]通過試驗方法對比分析高低旋流數預混燃燒，發現在低旋流預混燃燒中無強烈回流區，燃燒產物在高溫區停留時間較短，NOx生成較低。SYRED[23]研究發現，在強旋流燃燒器中，增加旋流數延長了燃燒產物在高溫區停留時間，可提高熱力型NOx生成速率。LITTLEJOHN等[24]研究發現，在弱旋流預混燃燒中，由于無明顯回流區，NOx生成速率與燃燒火焰溫度相關。MAFRA等[25]研究發現旋流數會影響煙氣停留時間、溫度分布特性等，進而影響NOx排放。SHIMURA等[26]利用PIV技術研究了CH4旋流預混燃燒室流場結構，發現中心軸線和壁面處會產生內外2個回流區，大尺度渦會導致火焰前沿波動。鄭落漢[27]研究表明，旋流數低于0.575時，隨旋流數升高，NOx生成量減少，旋流數由0.575增至0.623時，由于回流區增大使NOx生成速率增大。YILMAZ等[28]通過試驗研究不同旋流數預混燃燒NOx排放情況，發現隨著旋流數由0.4增至1.4，NOx排放出現非單調變化。綜上所述，鈍體及旋流均會影響燃燒過程中NOx生成，鈍體會影響燃燒過程中流場分布，進而影響燃燒穩定性和污染物排放，旋流會影響燃燒產物在高溫區停留時間、火焰結構等，進而影響燃燒特性，且對于不同燃燒器和燃燒室結構，旋流對污染物排放的作用效果不同。目前鮮見鈍體與旋流相結合的系統研究。

在預混燃氣鍋爐中，由于燃燒前，燃料與氧化劑已充分混合，改變鍋爐負荷時，會引起燃燒器出口流速變化，操作不當會發生燃燒不穩定甚至回火等問題。基于此，筆者設計開發了一種帶有鈍體位置可移動(簡稱“位移鈍體”)的貧預混旋流燃燒器，根據不同燃燒熱功率改變鈍體位置，從而控制燃燒器出口流速，可以有效避免回火現象的發生。基于以上考慮，筆者對設計的位移鈍體貧預混旋流燃燒器展開研究，分析了不同旋流數下燃燒污染物生成情況，獲得污染物排放最低的旋流數，并基于此旋流數研究鈍體位置是否固定工況下，熱功率變化對污染物生成的影響，最后針對不同旋流數冷態流場展開了PIV分析，得出燃燒器出口處流場分布，以期為燃氣預混燃燒穩定性和低NOx燃燒技術發展提供理論依據。

1 試 驗

1.1 旋流燃燒器

燃燒器結構示意如圖1(a)所示。燃燒器由下方空氣入口段、中部燃料入口段以及上部預混噴嘴段組成。空氣和試驗所用示蹤粒子由下部空氣入口段送入，燃料由中部文丘里結構送入，文丘里結構中間喉部直徑小，可使空氣快速通過的同時，引射出燃料，使燃料和空氣混合更均勻。試驗所用旋流器位于上部預混段，預混氣體通過旋流器可以產生旋流效果，同時增強燃料和空氣的預混，預混后的混合氣經過鈍體和噴嘴噴入燃燒室進行燃燒。

圖1 旋流燃燒器結構Fig.1 Structure dimension diagram of the swirl burner

位移鈍體和噴嘴尺寸如圖1(b)所示，噴嘴噴口直徑d為20 mm，高度為8.5 mm，外傾角β為30°。所用鈍體高度為4.3 mm，上表面直徑與預混來流管徑一致，均為8 mm，預混來流氣體通過鈍體外圍表面與噴嘴內表面所形成的環形噴口通道進入燃燒室燃燒。鈍體上表面距離噴嘴底部的距離為Hb，通過移動鈍體下方底桿可改變鈍體高度Hb，控制環形通道流通面積，從而控制流速。利用流量計改變來流氣體流量，進而改變熱功率；增大熱功率時，同時向上移動位移鈍體，增大環形通道面積，減小熱功率時，同時向下移動位移鈍體，減小環形通道面積，從而保證不同熱功率工況下，噴嘴氣體流速在合適范圍，維持火焰穩定燃燒。

試驗所用旋流器為軸向旋流器，具體如圖1(c)所示，旋流數S可用來反映旋轉射流的旋流強度，計算方法[29]為式(1)，由于本文所用旋流器整體呈圓臺型，所以式(1)中r取值方法見式(2)。

(1)

(2)

式中，rh、r分別為旋流器中樞軸半徑、旋流器葉片半徑，mm；α為旋流器葉片與中樞軸之間的角度，(°)；r1、r2分別為旋流器上底面和下底面葉片半徑，mm。

本文所用旋流器旋流數S見表1。

表1 旋流器角度與旋流數Table 1 Swirler angle and swirl number

1.2 試驗系統

試驗系統原理如圖2(a)所示，采用高壓氣瓶提供體積分數99.999% 的CH4代替天然氣展開研究[30]。通過音速噴嘴控制CH4流量，空氣壓縮機提供空氣，使用質量流量計控制流量。由于當量比趨近于1時，NOx生成量逐漸增加[31]，結合燃燒穩定性和污染物生成情況，試驗CH4與空氣當量比均設置為0.7。CH4和空氣經過燃燒器預混并產生旋流，最后通過環形通道噴入燃燒室燃燒。煙氣分析儀(ECOM-J2KN)分析主要燃燒產物，如O2、CO、NO、NO2等，按照GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》換算為O2體積分數3.5%下的數值。燃燒產生的廢氣通過排風機排放。

圖2 試驗系統原理及實物Fig.2 Experimental system schematics and pictures

試驗系統實物圖如圖2(b)所示，燃燒室采用高質量Al2O3保溫材料制成，保持燃燒氛圍，減少散熱。燃燒室內腔為直徑60 mm高600 mm的圓柱形空腔，3面開槽，并安裝石英玻璃觀察窗，在燃燒室側面開有直徑15 mm的圓型煙氣取樣口，便于煙氣分析儀取樣槍取樣。為方便PIV(Particle Image Velocimetry)測量分析，噴嘴出口圓心設為原點，水平面設為xy平面，豎直平面設為xz平面。

旋流預混燃燒流場由二維PIV系統測量所得，主要由計算機、激光源、激光脈沖同步器、CCD(Charge Coupled Device)相機、數據采集系統以及各種光學組件構成。激光源采用Beamtech公司制造的Vlite-300 雙脈沖Nd:YAG激光器發出，脈沖激光波長為532 nm，單個脈沖激光能量為300 mJ。激光脈沖同步器為美國TSI公司生產的610036型同步器，可提供1 ns時間分辨率自動控制激光脈沖，使PIV系統具有極其可靠和準確的時序控制單元，通過控制器可使系統自動控制相機、激光器光源和圖像采集卡，準確獲取圖像。CCD相機分辨率為2 048 pix×2 048 pix，在相機前裝有選通頻率532 nm、帶寬3 nm濾鏡，降低火焰及環境光對拍攝結果的影響。數據采集及后處理采用TSI公司的INSIGHT 4G軟件系統。流場的示蹤粒子采用硅油，利用注射泵給入后通過石英玻璃霧化器霧化進入燃燒器，隨氣流進入流場。

試驗儀器誤差見表2，其中Q(CH4)、QAir分別為CH4和空氣流量。

表2 儀器測量誤差Table 2 Instrument measurement error

2 結果與討論

2.1 旋流數對燃燒污染物生成的影響

由于鈍體可以產生回流區穩定火焰，較小旋流數即可產生良好的燃燒效果，同時旋流數過大易增加NOx生成[22]，為確定本旋流燃燒器的最佳旋流數，設計了旋流數為0、0.12、0.25、0.40、0.59、0.83六種較小旋流數的旋流器，選取熱功率為1.8、2.5 kW兩種工況，分別設置鈍體高度Hb為3、4 mm，保證噴嘴出口流速均為15 m/s。

噴嘴出口流速固定時，NOx生成量隨旋流數的變化如圖3所示，由于試驗中CO值均低于儀器檢測下限，所以未列出。由圖3可知，旋流數S<0.25時，隨著旋流數的增加，NOx生成量逐漸降低，當S>0.25時，隨旋流數增加，NOx生成量逐漸增加，在2種熱功率工況下，當S=0.25時，NOx生成量均為最低值。在同一旋流數工況下，較大熱功率工況NOx生成量大于較小熱功率NOx生成量。由于旋流燃燒NOx生成量與流場分布有關，本文將在第2.4節對流場展開研究分析NOx生成的原因，本節不再贅述。后續試驗旋流數均采用S=0.25。

圖3 噴嘴出口流速固定時NOx生成量隨旋流數的變化Fig.3 Variation of NOx generation with the swirl number at fixed nozzle outlet flow velocity

2.2 定鈍體高度變功率對污染物生成的影響

由于多數鈍體燃燒器的鈍體位置固定，改變熱功率會影響出口流速。本文固定鈍體高度為3.5 mm，探究改變熱功率對污染物生成的影響，通過調節CH4和空氣混合物流量使熱功率為1.0～3.6 kW，噴嘴出口流速為7～25 m/s。不斷增大熱功率，檢測不同熱功率工況下污染物生成量。

鈍體位置固定時污染物生成量隨熱功率的變化如圖4所示，可知隨著熱功率不斷增加，NOx生成量逐漸減少，CO生成量逐漸增加。這是由于鈍體位置固定時，流速隨熱功率的增加而增加，使燃燒產物在高溫區停留時間變短，熱力型NOx生成量減少[32]，同時由于來流混合物停留時間過短，會發生燃燒不完全現象，有少量CO產生。

圖4 鈍體位置固定時污染物生成量隨熱功率的變化Fig.4 Variation of pollutant generation with the thermal power at fixed bluff body position

2.3 變鈍體高度變功率對污染物生成的影響

為探究出口流速固定不變時，熱功率變化對污染物生成的影響，通過調節位移鈍體高度Hb，保證不同熱功率下噴嘴出口流速均為15 m/s。通過調節CH4和空氣流量，使熱功率為1.1～5.4 kW，鈍體高度Hb為2.0～7.5 mm。

噴嘴出口流速固定時污染物生成量隨熱功率的變化如圖5所示，可知在試驗熱功率下，NOx和CO的生成均較低，NOx生成量<12 mg/m3，CO生成量<7 mg/m3，且僅在最低熱功率下生成少量CO。通過移動鈍體位置固定出口流速時，熱功率增大不會導致燃燒產物在高溫區停留時間過短、CO生成量升高等問題；熱功率減小時，不會導致燃燒產物在高溫區停留時間過長、NOx生成量增多等問題[33]。

圖5 噴嘴出口流速固定時污染物生成量隨熱功率的變化Fig.5 Variation of pollutant generation with the thermal power at fixed nozzle outlet flow velocity

2.4 旋流數對燃燒器出口流場的影響

由于NOx生成量在旋流數S為0、0.25、0.83時出現極值點，利用PIV技術測量燃燒器3種旋流數的冷態流場，探究NOx生成量隨旋流數變化的主要原因。冷態試驗在開放空間結構測量，來流空氣溫度為300 K，固定鈍體高度為4 mm，噴嘴出口流速為15 m/s。流場數據均為對瞬時流場進行時均處理后所得。

2.4.1旋流數對中軸面流場分布的影響

為探究不同旋流數下燃燒器出口流場分布情況，選取xz平面為測量平面，測量噴嘴出口附近流場分布情況，并將流場分布情況與火焰圖形對比分析，如圖6所示。

將左半部分流場與右半部分火焰圖組合進行分析。由圖6可知，不同旋流數流場中均存在渦旋結構，隨著流場向下游發展，渦旋結構逐漸耗散，說明流場軸向速度梯度逐漸增大，渦旋結構有利于物質和能量交換，維持火焰穩定。火焰圖中黑線與零點之間的距離代表火焰半寬度，S=0時，火焰半寬度為0.55d，S=0.25時，火焰半寬度為0.65d，S= 0.83時，火焰半寬度與S=0.25時一致，均為0.65d，因此S由0增至0.25時，火焰寬度逐漸增加，而S由0.25增至0.83時，由于噴嘴角度限制，火焰寬度不變。S由0增至0.25時，由于火焰寬度增加，射流卷吸周圍的冷煙氣量越多，火焰溫度峰值越低，導致熱力型NOx生成量越少，這與文獻[14-16]結論一致。通過觀察回流區尺寸可得，S由0增至0.25時，回流區軸向長度稍增加，而S由0.25增至0.83時，回流區軸向長度顯著增加，回流區長度的增加會卷吸更多的高溫煙氣回到火焰上游，燃燒產物在高溫區停留時間增長，熱力型NOx生成量增加，這與文獻[23]結論一致。

圖6 不同旋流數噴嘴出口軸向流場分布與火焰Fig.6 Axial flow field distribution and flame diagram of nozzle outlet at different swirl numbers

2.4.2旋流數對中軸面軸向速度分布的影響

為直觀比較不同旋流數下噴嘴出口下游速度分布，選取圖6中z/d= 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9五處軸向速度值，分析不同旋流數工況下軸向速度分布情況，如圖7所示。

圖7 不同旋流數噴嘴出口軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distribution of nozzle outlets at different swirl numbers

由圖7可知，3種旋流數下速度分布相似，均存在2個波峰和1個波谷，且對稱分布。隨著流場向下游發展，波峰和波谷之間的距離逐漸減小，速度趨于平緩。軸向速度等于0的徑向距離代表此水平位置的回流區寬度，發現隨著軸向距離增加，回流區寬度逐漸減小。出現逆軸向速度時，說明此點處于回流區，S=0時，z<0.5d區域存在逆軸向速度，說明回流區軸向長度小于0.5d；S=0.25時，z<0.7d區域存在逆軸向速度，說明回流區軸向長度小于0.7d；S=0.83時，z>0.9d區域出現逆軸向速度，說明回流區軸向長度大于0.9d，從軸向速度分布也可以得到，隨旋流數增加，軸向回流區逐漸增大。圖7定量結論與圖6定性結果一致，說明受到徑向摻混和軸向回流的共同作用，NOx生成呈現隨旋流數非單調變化的規律。

3 結 論

1)NOx生成量隨旋流數增加先減少后增大，在旋流數S=0.25時，NOx生成量最低。

2)固定鈍體高度，改變熱功率時發現，隨著熱功率增加，NOx生成逐漸減少趨勢，CO生成逐漸增加。

3)通過移動鈍體高度保持出口流速不變，發現全部設計工況下，CO和NOx排放均較低。

4)NOx生成隨旋流數的增加呈非單調變化，這是由于旋流數由0增至0.25時，火焰寬度增大，使火焰卷吸周圍煙氣量增加，NOx降低；旋流數由0.25增至0.83時，由于噴嘴角度限制，火焰寬度基本不變，軸向回流區長度顯著增大，使煙氣在高溫區停留時間增加，從而導致NOx增加。