某型多級燃燒器燃燒過程的數值模擬

林得福

（福建南方路面機械股份有限公司，福建 泉州 362021）

0 引言

燃氣燃燒器是將燃氣和空氣以一定方法噴射或混合后進行點燃的裝置的總稱[1]。燃氣燃燒器燃燒產生的大氣污染物含有NOx。由于國家節能減排政策對工業污染物中NOx排放限值的要求逐漸提高，因此需要對燃燒器結構進行有效合理的設計，優化天然氣和空氣分布的比例和均勻性，以提高燃燒器燃燒的燃燒效果，從而降低NOx排放。隨著科技的發展，越來越多的學者基于計算流體動力學（CFD）技術對燃氣燃燒器的燃燒分布和燃燒效果進行過數值模擬和分析研究。

從優秀學者的研究成果可以得出，有效合理的燃氣燃燒器結構對燃燒分布和低NOx廢氣排放具有決定性作用[2-3]。因此，基于以上考慮，該文提出了一種天燃氣多級燃燒器，并對其燃燒分布和燃燒效果進行了數值研究。該文通過Fluent軟件仿真，對比鼓風機導葉對氣流分布的影響、旋流葉片回流強度分析、燃燒場產物的分布來研究多級燃燒器的燃燒分布，并判斷其燃燒效果和NOx的排放，研究結果對燃氣燃燒器的燃燒分布具有一定的參考價值。

1 燃燒器模型建立

1.1 三維結構

燃氣燃燒器由鼓風機、燃氣管道、穩焰盤和爐膛組成。燃燒器的三維示意圖如圖1（a）所示。鼓風機具有特殊的偏轉葉片，能對氣流產生一定的加速作用。燃燒器原理圖如圖1（b）所示，燃燒器頭部由天然氣噴管、穩焰盤、環板和頭罩組成，燃氣噴管沿著圓周均勻布置，共有多條燃氣噴管，每個燃氣噴管上都有小孔，燃氣能通過該結構均勻輸送到穩焰盤進行點火。穩焰盤由兩級旋風葉片組成，以30°角安裝，如圖1（c）所示。

圖1 燃氣燃燒器整體與部件結構示意圖

1.2 網格劃分

由于燃燒器模型的形狀不規則，采用非結構四面體網格對數值計算的模型劃分細網格，總網格數量約904 萬個。使用Fluent 軟件進行模擬，并使用Meshing 進行網格劃分。網格劃分如圖2 所示，燃燒頭器頭罩、穩焰盤葉片、燃氣噴管等部分結構復雜，燃氣在此處摻混，同時發生劇烈燃燒反應。此處劃分的網格密集，網格尺寸設置較小，網格數量較多。非結構化的四面體網格用于重要流體區域內，如燃燒器和爐膛的燃燒區域，需要滿足經濟和性尺寸的要求。最小網格尺寸為1mm，網格的Element Quality 大于0.2，Skewness 小于0.85，Orthogonal Quality 大于0.2，縱橫比大于1.6。燃燒器中的流體區域結構復雜，因此該文數值計算將整個流體域分為3 個部分，即空氣段為AirPart，燃氣段為CH4Part，爐膛為FurnacePart。

圖2 燃氣燃燒器計算域的三維網格

1.3 邊界條件和計算過程

燃氣燃燒器的主要燃氣燃料為甲烷（CH4）。燃氣進口采用速度進口，出口采用壓力出口，燃燒器壁面采用無滑移邊界。爐膛負壓為-65Pa，燃燒器負荷為50%，燃氣流量為1575m3/h，氣流流量為燃氣流量乘以1.35，2165.25m3/h，風機轉速為1522r/min。邊界條件根據輸入流量和進氣口、甲烷口的截面積計算，其中進氣速度為18.92m/s，進氣速度為28m/s。黏性模型采用k-ε 湍流模型，組分輸運與反應模型選擇渦耗散模型，材料屬性設定為甲烷-空氣混合物。第一部分是流體域冷流場的計算。對燃燒場的第二部分設定出口壓力至爐膛監測點壓力等于-65Pa，直至體積反應計算收斂，再進行第三部分的輻射場計算。冷態是指僅進行甲烷和空氣的流動，甲烷和空氣之間產生強烈的質量和動能的交換，在燃燒器內形成的流場包括速度、壓力和組分濃度分布等。經過冷態場研究后，燃燒器結構還需要在燃燒情況下，利用燃燒產物等指標研究甲烷-空氣混合物的流動和燃燒特性的影響。

2 仿真結果分析

通過數值模擬研究了該燃燒器的燃燒溫度分布、燃燒效果以及燃燒器各部分對燃燒效果的影響，以下是該文研究的結果。對比鼓風機導葉對氣流分布的影響、旋流葉片回流強度分析和燃燒場產物的分布來研究多級燃燒器的燃燒分布。

2.1 鼓風機導葉對氣流分布的影響分析

鼓風機的導葉具有特殊的結構，導葉沿圓周均勻分布，在鼓風機的作用下，氣流對燃燒效果有明顯的促進作用。鼓風機布置在空氣進口的前端，氣流流過風機后會對下游的氣流造成一定的擾動。

一方面，流場橫截面的速度云圖如圖3 所示，導流葉片安裝體后端的背壓作用明顯，對一次風量有影響，氣流在吸力面產生相應的壁面效應，從而產生了相應的加速作用。流體速度從鼓風機的尾部明顯下降，并沿中心線逐漸擴散到穩焰盤的前端。在鼓風機尾端，氣流的流動截面突然改變，流速降低。為減少鼓風機對后端氣流分布的影響，鼓風機與穩焰盤之間的距離可以加長，這樣氣流通過鼓風機后在穩焰盤附近能有足夠的距離進行混合，可以增加穩焰盤前端面的速度均勻性，但這也必然會增大燃燒器的結構尺寸，影響在實際生產中的使用。

圖3 流場橫截面的速度云圖

另一方面，AirPart 流域的流線如圖4 所示，流線分布均勻，流向角度改變小，葉片的導流作用較弱，背壓區有弱旋流，沒有回流。在鼓風機的影響下，氣體流速加快，使氣體均往火焰點火方向進行流動，這有助于燃燒器中火焰的燃燒。從圖4 中也能夠觀察到在鼓風機的作用下，經過穩焰盤后的速度增大。這是因為在穩焰盤多級旋流的作用下，速度流線增大。同時，多級旋流利用流體的壓力產生旋轉運動，從而能使燃氣和空氣進行充分混合，再經過燃燒器點火裝置點火，進而得到更好的燃燒分布。

圖4 AirPart 流域的流線

2.2 旋流葉片回流強度分析

在穩焰盤內，一級旋風葉片采用一次風送風，二級旋風葉片采用二次風送風，穩焰盤旋流外圈外的氣流采用三級風送風。經統計，總風量約為17800m3/h，一次風量約為2867.8m3/h，從計算結果可以發現，一次風量占總風量的16.1%。將穩焰盤Z截面上不同位置的速度矢量圖的分析如圖5 所示，能夠得出穩焰盤區域氣流旋流向前，沒有回流。氣流主要沿軸向擴散，遠離圓盤表面，同時由于通道收縮會產生徑向對流，有利于CH4與空氣進行混合。在多級旋流的作用下，CH4在穩焰盤上的分布也較為均勻，這樣在穩焰盤前能夠充分和空氣進行混合，有助于火焰的燃燒。

圖5 熱態流場盤后Z 橫截面CH4 質量分數速度矢量圖

2.3 燃燒產物的分布

甲烷與空氣接觸時間短會導致混合不均勻，燃燒會不充分。這不僅浪費能源，污染環境，而且燃燒時火焰溫度低，不適合高溫生產場所。這就使研究一種安全、燃燒徹底、燃燒效率高且NOx 排放濃度低的燃燒器變得極其重要。因此，通過數值計算以確定燃燒是否充分和有效的燃料的殘余，燃燒產物的分布。

熱力型NO 生成速率和快速型NO 生成速率如圖6 和圖7 所示，從中可以看到熱力型NO 和快速型NO 在燃燒室中的成速率。在穩焰盤前及爐膛內的NO 生成速率較快，污染物NO 的質量分數較高。這是因為穩焰盤和爐膛內存在燃燒不充分的現象。熱力型NO 是空氣中的氮在高溫下氧化而成的，溫度對NO 的形成有較大的影響。而快速型NO 是CH4與空氣燃燒下通過氧化得到的。如果燃燒較充分，快速型NO 的產量應更低。然而，對比圖6 和圖7 中NO 的質量分數，也能夠判斷出此次燃燒不充分，還有待于進一步改進。

圖6 熱力型NO 生成速率

圖7 快速型NO 生成速率

對爐膛內部的燃燒產物NO 的分布如圖8 所示，叢中可以清楚地觀察到NO 在燃燒室各個部分的濃度。爐膛內部的NO 濃度較大，火焰形成部分的NO 濃度較小。這是因為在火焰形成部分的燃氣與空氣混合的較均勻，燃燒較為充分。但是在火焰尾部，隨著溫度的降低，快速型NO產生的較多，即圖6、圖7 的局部放大圖中被淺色包圍的深色區域NO 濃度較高。此外，也能觀察到燃燒器和爐膛內大部分區域的NO 濃度較低，這是因為爐膛內CH4和CO基本上燃盡，多余的產物較少。因此，從NO 總的生成量來看，該多級燃燒器燃燒情況較好，NO 排放濃度相對較低，但還能夠對其進行改進。

圖8 X=0 時截面為NO 分布

3 結論

導流葉片安裝體后端的背壓作用明顯，對一次風量有影響，氣流在吸力面形成一定的壁面效應，具有一定的加速效應。

經統計，一次風量約占總風量的16.1%。穩焰盤區域氣流旋流向前，沒有回流。氣流主要沿軸向擴散，遠離圓盤表面，同時會因通道收縮而產生徑向對流。

爐膛內燃料燃燒較充分，燃氣能基本上燃盡，爐膛內NO 的濃度較低。但在穩焰盤前和爐膛內會存在熱力型和快速型NO 的生成。

和實際試驗相比，該文仿真結果較理想，在燃燒器燃燒產物生成和火焰溫度等對照上還應采用更深入的試驗進行驗證?；贑FD 技術研究多級燃燒器的燃燒分布可為實際工業應用提供一定的參考。