強(qiáng)弱射流型MILD富氧燃燒器燃燒特性的數(shù)值分析

金圻燁， 周月桂， 金旭東， 鄭婷婷

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，熱能工程研究所，上海 200240)

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強(qiáng)弱射流型MILD富氧燃燒器燃燒特性的數(shù)值分析

金圻燁， 周月桂， 金旭東， 鄭婷婷

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，熱能工程研究所，上海 200240)

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法對(duì)一種強(qiáng)弱射流型MILD富氧燃燒器的流動(dòng)和燃燒特性進(jìn)行了分析.采用有限速率/渦耗散(FR/EDM)模型預(yù)測(cè)了丙烷MILD富氧燃燒過程中煙氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分體積分?jǐn)?shù)分布和煙氣內(nèi)循環(huán)流量比等宏觀特征，并與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.在此基礎(chǔ)上深入分析了MILD富氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)、湍流和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度等微觀特征.結(jié)果表明：強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)循環(huán)充分地稀釋并預(yù)熱主反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)物，減緩了化學(xué)反應(yīng)速率，從而降低了火焰峰值溫度，揭示了強(qiáng)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(qiáng)弱射流； 燃燒特性； 數(shù)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(shù).該技術(shù)兼具傳統(tǒng)富氧燃燒[2]與先進(jìn)MILD燃燒[3]的優(yōu)勢(shì)，能夠改善傳統(tǒng)富氧燃燒存在的燃燒穩(wěn)定性差和燃燒效率低等問題[4]，提高爐內(nèi)溫度均勻性，增強(qiáng)爐內(nèi)輻射傳熱，節(jié)約燃料和降低NOx等污染物排放，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化石燃料燃燒的“近零排放”.在過去的十幾年時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外科研工作者做了許多MILD富氧燃燒的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作.

在數(shù)值模擬方面，潘聰?shù)萚8]通過模擬研究了不同的過氧系數(shù)對(duì)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(shù)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(diǎn)分析了甲烷MILD燃燒中湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，發(fā)現(xiàn)MILD燃燒中高溫區(qū)域內(nèi)Damk?hler數(shù)(Da)要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)有焰燃燒中高溫區(qū)域內(nèi)的Da.金旭東等[10-11]采用數(shù)值模擬方法研究了MILD煤粉燃燒中湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度的微觀特征，并根據(jù)模擬結(jié)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(xué)院200 kW實(shí)驗(yàn)爐[5]中丙烷MILD富氧燃燒過程，獲得實(shí)驗(yàn)爐中煙氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分體積分?jǐn)?shù)和煙氣內(nèi)循環(huán)流量比等宏觀特征，并得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上深入分析了MILD富氧燃燒化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)、湍流和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度等微觀特征，進(jìn)而揭示了強(qiáng)弱射流型MILD富氧燃燒的低氧溫和燃燒機(jī)理.

1 數(shù)值計(jì)算模型及方法

1.1 數(shù)值模擬對(duì)象

(a) 爐膛截面

(b) 燃燒器結(jié)構(gòu)圖1 爐膛示意圖Fig.1 Schematic diagram of the furnace

1.2 MILD富氧燃燒數(shù)學(xué)模型

采用Fluent軟件對(duì)丙烷MILD富氧燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬.其中湍流流動(dòng)、均相化學(xué)反應(yīng)以及氣體輻射等模型如下.

(1) 湍流和均相化學(xué)反應(yīng)模型.

選用Realizablek-ε雙方程模型來模擬爐膛內(nèi)部湍流流動(dòng).

由于MILD燃燒有別于傳統(tǒng)燃燒方式，具有較低的燃燒反應(yīng)速率，因此假定氣相反應(yīng)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(yīng)速率和渦耗散相結(jié)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(biāo)(DO)輻射模型來模擬爐內(nèi)輻射傳熱過程.

由于在富氧燃燒環(huán)境下，煙氣中CO2/H2O分壓比空氣燃燒時(shí)高得多，三原子氣體的濃度遠(yuǎn)高于空氣氣氛下，因此氣體輻射特性將發(fā)生較大變化.Yin等[12]提出了一種改進(jìn)的灰體加權(quán)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(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與指數(shù)寬帶(EWBM)模型結(jié)果符合較好.采用用戶自定義函數(shù)(UDF)將該改進(jìn)的灰體加權(quán)平均模型嵌入Fluent中，用于計(jì)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(tài)方程，其黏度、比熱容以及導(dǎo)熱率均為溫度的函數(shù).

采用Gambit 2.4.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)爐膛進(jìn)行造型與網(wǎng)格劃分，如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)約為36萬，均為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)燃燒器區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，既減少了整體網(wǎng)格數(shù)量又保證了計(jì)算精確性.

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of the furnace

2 結(jié)果分析與討論

2.1 流場(chǎng)

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(duì)稱的氧氣射流以超音速進(jìn)入爐膛，在整個(gè)爐膛內(nèi)引起了強(qiáng)烈、非對(duì)稱的煙氣內(nèi)循環(huán).在燃料著火前，從爐膛尾部卷吸回流的低氧高溫?zé)煔庠谌紵鞒隹诟浇鼌^(qū)域能夠?qū)Ρ槿剂虾脱趸瘎┻M(jìn)行快速預(yù)熱與稀釋，使當(dāng)?shù)匮鯕怏w積分?jǐn)?shù)降低，減緩燃燒反應(yīng)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?jǐn)?shù)

圖4為爐膛中心線組分體積分?jǐn)?shù)變化曲線.從組分體積分?jǐn)?shù)的變化可以看出，超音速的氧氣射流在整個(gè)爐膛引起了強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)部循環(huán)，從爐膛尾部卷吸回流的低氧高溫?zé)煔?，?duì)燃燒器出口處的燃料與氧氣進(jìn)行了充分地混合稀釋，使得當(dāng)?shù)氐谋闈舛瓤焖傧陆?，二氧化碳濃度迅速上升，整個(gè)主反應(yīng)區(qū)處于氧氣體積分?jǐn)?shù)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(nèi)溫度逐漸升高.最后，所有組分體積分?jǐn)?shù)在燃燒完全后均趨于穩(wěn)定.

圖4 中心線組分體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Variation of species concentration along furnace centerline

2.3 溫度場(chǎng)

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(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]符合較好，說明采用的模型具有較高的準(zhǔn)確性.燃燒器出口處反應(yīng)物與回流熱煙氣進(jìn)行快速預(yù)熱，反應(yīng)物溫度迅速上升至自著火溫度.但由于大量低氧高溫?zé)煔庠谌剂现鹎氨痪砦鼗鹧娓?，充分預(yù)熱并稀釋了當(dāng)?shù)胤磻?yīng)物，使得整個(gè)主反應(yīng)區(qū)處于低氧氣氛.因此，化學(xué)反應(yīng)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(wěn)定，整個(gè)爐膛內(nèi)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(nèi)循環(huán)流量比

煙氣內(nèi)循環(huán)流量比KV是揭示MILD富氧燃燒流動(dòng)特性的重要參數(shù)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(zhì)量流量；qm,F為初始燃料進(jìn)口質(zhì)量流量；qm,O為初始氧氣進(jìn)口質(zhì)量流量.

z軸方向上每個(gè)橫截面的qm,E由式(4)計(jì)算得出：

(4)

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

圖6給出了爐膛中心軸線上煙氣內(nèi)循環(huán)流量比的變化趨勢(shì).由圖6可知，超音速的氧氣射流引起了爐膛內(nèi)部強(qiáng)烈的煙氣循環(huán)，使得煙氣內(nèi)循環(huán)流量比KV從燃燒器出口開始持續(xù)上升，并在距離燃燒器1 m處達(dá)到峰值，最大煙氣內(nèi)循環(huán)流量比KV達(dá)到6.5.之后隨著距離的增加，煙氣內(nèi)部循環(huán)開始逐漸減弱，煙氣回流區(qū)一直延伸到爐膛出口，表示爐膛尾部的低氧高溫?zé)煔饽軌虮痪砦貋砼c當(dāng)?shù)胤磻?yīng)物進(jìn)行混合稀釋及預(yù)熱.

圖6 煙氣內(nèi)循環(huán)流量比Fig.6 Internal flue gas recirculation ratio

2.5 化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)

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(gè)評(píng)價(jià)MILD燃燒反應(yīng)過程的重要指標(biāo)——氧化劑混合比.氧化劑混合比RO定義為爐膛內(nèi)任意一點(diǎn)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與當(dāng)?shù)匮鯕赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)和燃料完全燃燒所需氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和的比值：

(5)

式中：SO=nOMO/nFMF;w為質(zhì)量分?jǐn)?shù);n為化學(xué)計(jì)量系數(shù);M為摩爾質(zhì)量；下標(biāo)O和F分別代表氧氣和燃料，下標(biāo)c表示煙氣中所有可燃物的個(gè)數(shù).

在氧氣射流出口以及反應(yīng)物完全燃燒的區(qū)域RO=1，而在燃料射流進(jìn)口處RO=0.因此，在化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)RO范圍為0～0.99，可以假設(shè)RO=0.99的曲線為化學(xué)反應(yīng)區(qū)邊界.

圖7為丙烷MILD富氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際爐膛燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]符合較好，其火焰長(zhǎng)度達(dá)到1.83 m.相對(duì)于傳統(tǒng)有焰燃燒，MILD富氧燃燒中強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)循環(huán)可以快速地稀釋主反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)物，使得反應(yīng)物能夠擴(kuò)散到更大的區(qū)域進(jìn)行反應(yīng)，從而擴(kuò)大了化學(xué)反應(yīng)區(qū)，形成了所謂的彌散燃燒.

圖7 化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the chemical reaction zone

2.6 無量綱特征參數(shù)

MILD富氧燃燒有著不同于傳統(tǒng)有焰燃燒的湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相互作用，強(qiáng)弱射流引起的強(qiáng)烈煙氣內(nèi)循環(huán)充分稀釋了反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物，從而降低了其化學(xué)反應(yīng)速率.

Damk?hler數(shù)(Da)和Karlovitz數(shù)(Ka)是衡量湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用及評(píng)價(jià)MILD富氧燃燒的2個(gè)重要無量綱特征參數(shù).

Da是流動(dòng)特征時(shí)間τf和化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間τc的比值[16]：

(6)

式中：流動(dòng)特征時(shí)間τf=l0/u′(l0)，l0為湍流渦的積分尺度，u′(l0)為湍流速度脈動(dòng)；化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間τc=c/r，c為燃料物質(zhì)的量濃度，r為燃料反應(yīng)速率.

Karlovitz數(shù)則是化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間τc與Kolmogorov漩渦特征時(shí)間τk的比值[17]：

(7)

式中：Kolmogorov漩渦特征時(shí)間τk=(ν/ε)1/2,ν為湍流運(yùn)動(dòng)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(gè)重要無量綱特征參數(shù)Da和Ka的分布.從圖8(a)可以看出，爐膛內(nèi)整體的Da較小，主反應(yīng)區(qū)域的Da<<1并且十分均勻，說明在MILD富氧燃燒的主反應(yīng)區(qū)域，流動(dòng)特征時(shí)間遠(yuǎn)小于化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間，湍流混合強(qiáng)烈，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行緩慢，該區(qū)域燃燒過程主要受化學(xué)反應(yīng)控制，湍流混合對(duì)其影響很小，反應(yīng)物能在更大容積范圍內(nèi)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(nèi)整體Ka>1，且主反應(yīng)區(qū)域的Ka>>1，這反映在MILD富氧燃燒的主反應(yīng)區(qū)域，Kolmogorov漩渦特征時(shí)間遠(yuǎn)小于化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間，Kolmogorov漩渦尺寸遠(yuǎn)小于主反應(yīng)區(qū)的厚度，說明Kolmogorov最小尺度的渦能夠穿透主反應(yīng)區(qū)邊界，進(jìn)入到主反應(yīng)區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)的湍流擾動(dòng)，強(qiáng)化其傳熱與傳質(zhì)過程，從而產(chǎn)生較低火焰峰值溫度，爐內(nèi)溫度分布更均勻.

(a) Da分布

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

3 結(jié) 論

(1) 采用有限速率/渦耗散模型對(duì)丙烷MILD富氧燃燒過程進(jìn)行數(shù)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(qiáng)弱射流型MILD富氧燃燒器，爐膛煙氣內(nèi)循環(huán)流量比高達(dá)6.5，火焰長(zhǎng)度達(dá)到1.83 m，形成大范圍的容積燃燒，表明強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)循環(huán)充分地預(yù)熱并稀釋了主反應(yīng)區(qū)內(nèi)的燃料與氧氣，降低了化學(xué)反應(yīng)速率.

(3) 對(duì)于MILD富氧燃燒，整個(gè)主反應(yīng)區(qū)內(nèi)Da遠(yuǎn)小于1，而Ka遠(yuǎn)大于1，揭示了強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576128，51276110)

金圻燁(1992-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事富氧燃燒數(shù)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