過剩系數(shù)對純氧平焰燃燒特性的影響*

古旭龍，張?zhí)祛?，韓愛民，陳偉鵬

(內(nèi)蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

燃燒器是工業(yè)爐窯的重要組成部分，它的性能直接影響到爐窯的能耗及產(chǎn)量、產(chǎn)品的質(zhì)量、對環(huán)境的污染等經(jīng)濟指標.平焰燃燒器因其具有加熱均勻、物料升溫快等優(yōu)點[1]被廣泛用于冶金行業(yè).目前的平焰燃燒多采用空氣助燃，燃燒強度大、火焰溫度高，但相應(yīng)的熱力型氮氧化物生成量增加.因此在平焰燃燒過程中采用純氧代替空氣助燃可以有效地降低污染物的生成，便于二氧化碳的捕集，對實現(xiàn)平焰加熱爐清潔燃燒具有重要的意義.

由于助燃氣體性質(zhì)發(fā)生改變，已有的空氣助燃平焰燃燒器無法滿足純氧助燃的要求，這就需要重新對燃燒器的特征參數(shù)進行設(shè)計與研究.目前國內(nèi)外對純氧助燃的研究較少，多為富氧燃燒.如何涇渭等[2]通過數(shù)值模擬對不同氧氣濃度下爐膛內(nèi)部的溫度場變化進行研究；賈令博[3]對富氧條件下氧氣濃度提高對爐內(nèi)溫度及排煙熱損失影響進行研究.對平焰燃燒器地研究也主要集中在結(jié)構(gòu)及火焰生成特性上.如陳偉鵬等[4]通過熱態(tài)實驗對比了直流式、四周式、旋流式3種出口形式對平焰燃燒器NOX的影響；龔志軍等[5]通過PIV(粒子成像測速技術(shù))對比了平焰燃燒器冷熱態(tài)下的流場.雖然以上研究沒有將氧氣助燃與平焰燃燒器結(jié)合起來，但對分析研究純氧助燃對燃燒器的影響有指導(dǎo)作用.

本文針對純氧助燃，設(shè)計了一種新型燃燒器，通過三維建模軟件Soildworks以及流體力學計算軟件Fluent對燃料管插入深度為0時(燃料管出口與擴張口平齊)的燃燒器在不同氧氣過剩系數(shù)下的平焰現(xiàn)象進行模擬，研究其參數(shù)變化對火焰溫度場、流場及濃度場的影響.為將來純氧平焰燃燒器的設(shè)計及改造提供理論依據(jù).

1 燃燒器的設(shè)計

圖1為設(shè)計的燃燒器結(jié)構(gòu)圖，表1為基本參數(shù)及工況.設(shè)計燃燒主要分為進氣口、擴張口及旋流器3個部分.燃燒器的進氣口為套筒式結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)外2管，燃氣通過內(nèi)管直接通入爐膛，氧氣由外環(huán)通入后經(jīng)過旋流器到達爐膛.擴張口為喇叭形，位于套筒底部.旋流器由4股均勻分布的螺旋凹槽組成，旋流強度的計算公式由參考文獻[5]，具體的計算公式為：

(1)

表1 燃燒器的基本參數(shù)

2 熱態(tài)實驗方案

為保證數(shù)值模擬方法及結(jié)果的準確性，對實驗室現(xiàn)有的平焰燃燒器進行純氧助燃的實驗，并與模擬的結(jié)果進行對比分析.實驗臺由燃燒裝置及檢測裝置構(gòu)成，如圖2所示.實驗用液化氣及氧氣由儲氣瓶提供，經(jīng)減壓閥及流量計最后通入燃燒器中，液化氣流量采用LZB-10玻璃轉(zhuǎn)子流量計，量程為0.16～1.6 m3/h，助燃氧氣流量采用MF5706氣體流量計，量程為0～200 L/min.由于實驗中氧氣流量較大，需在流量計前接入穩(wěn)壓罐進行穩(wěn)壓.圖3為爐膛內(nèi)監(jiān)測點的分布，溫度由型號為WRP-130的S型鉑銠熱電偶測得.

3 純氧平焰燃燒器的數(shù)值模擬

為減小實驗與模擬的誤差，根據(jù)相似原理，按照1∶1的比例對燃燒器進行建模，并在已驗證的工況基礎(chǔ)上對氧氣過剩系數(shù)進行改變，以獲得其變化對溫度場、流場及濃度場的影響.

3.1 網(wǎng)格劃分與模型選取

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計算結(jié)果，由于燃燒器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且與燃燒室的體積差異較大，故將其拆分成多個部分進行劃分.燃燒器的進氣口采用掃略方式進行劃分；擴張口采用四面體網(wǎng)格進行劃分；燃燒室及出口采用六面體網(wǎng)格進行劃分.為獲得較為準確地模擬結(jié)果，對燃燒器連接處及熱態(tài)實驗中產(chǎn)生平焰現(xiàn)象的區(qū)域進行加密.劃分后網(wǎng)格總數(shù)為2 754 789，其中燃燒器網(wǎng)格數(shù)量為654 452，爐膛網(wǎng)格數(shù)量為2 100 337，網(wǎng)格最終劃分結(jié)果如圖4所示.

根據(jù)平焰燃燒器的結(jié)構(gòu)，湍流模型選擇重點考慮到旋渦、旋轉(zhuǎn)和張力變化適用于燃燒室高速旋轉(zhuǎn)流的雷諾應(yīng)力模型(RSM)，并采用標準壁面方程[6]；輻射模型選擇考慮到散射的影響選用對任何光學深度都適用的DO輻射模型[7]；燃燒模型選擇組分傳輸模型中的Eddy-Dissipation模型[8，9].本模擬為液化氣-氧氣燃燒反應(yīng)，由于液化氣成分較為復(fù)雜，主要成分為丙烷與丁烷，且兩者的H/C原子比與熱值相近，為簡化燃燒過程，采用丙烷-氧氣2步燃燒反應(yīng)代替原反應(yīng)，反應(yīng)方程為：

C3H8+3.5O2=3CO+4H2O

CO+0.5O2=CO2

3.2 邊界及其他條件設(shè)置

控制方程采用有限容積法進行求解.壓力與速度的耦合采用穩(wěn)定性較好、松弛因子較大的SIMPLE算法.由于燃燒器擴張口下方存在一定的負壓，對壓力的采用PRESTO離散格式.對于動量的分離求解采用計算旋轉(zhuǎn)流場較好的QUICK算法.對于湍流動能及其耗散率均采用一階迎風格式計算.由于燃燒的過程較為復(fù)雜、求解時殘差不宜收斂，故適當?shù)恼{(diào)小松弛因子來加快收斂.

4 結(jié)果分析與討論

4.1 實驗驗證

圖5(a)為工況下爐膛中截面處溫度云圖.從溫度云圖可以看出：爐膛的高溫區(qū)域緊貼燃燒器的擴張口，呈“八字形”向兩側(cè)延伸，與熱態(tài)實驗中均勻貼壁的火焰現(xiàn)象相吻合；燃氣管下方存在一個低溫區(qū)域，為平焰燃燒時火焰的黑心.

由于純氧燃燒的火焰溫度較高，熱電偶無法直接測得火焰溫度，所以通過測量火焰盤下方的溫度場間接反映火焰的的溫度變化趨勢.圖5(b)為模擬與實驗測點溫度對比圖.從測點對比圖可以看出，熱態(tài)實驗所得到的測點溫度分同模擬結(jié)果較為接近，誤差最大點位于爐膛中軸線40 mm處，相對誤差為13%.通過對比測點的溫度誤差及爐膛的溫度分布發(fā)現(xiàn)模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，從而驗證了本模型的準確性.

4.2 氧氣過剩系數(shù)對平焰燃燒器溫度場的影響

在已驗證的模型基礎(chǔ)上對不同氧氣過剩系數(shù)下平焰燃燒器進行數(shù)值模擬，得到了過剩系數(shù)為1，1.15及1.3時爐膛內(nèi)部的溫度分布，圖6分別選取了不同過剩系數(shù)下距爐膛頂部10，20，30 mm處溫度對比圖.

由圖可知，3種氧氣過剩下系數(shù)的溫度分布趨勢一致呈“M”型分布：在爐膛中軸線處溫度最低，隨著徑向距離的增加溫度不斷升高，在到達峰值后逐漸降低，位于燃料管下方的火焰黑心區(qū)域隨著過剩系數(shù)的增大而減少.造成這一現(xiàn)象的主要原因是：從旋流器流出的旋轉(zhuǎn)流股，在擴張口中心處產(chǎn)生較大的逆壓力梯度，對燃料管噴出的燃氣進行卷吸混合，造成燃料管下方的燃氣流量減少，溫度降低，形成火焰黑心.當氧氣過剩系數(shù)增大時，旋轉(zhuǎn)流股的對燃氣的卷吸作用增強，燃料與氧氣混合更加充分，火焰黑心區(qū)域變小.

隨著與爐膛頂部的距離H增加，3種過剩系數(shù)下的溫度梯度也發(fā)生改變.當H=10 mm時，不同氧氣過剩系數(shù)下的溫度梯度變化不大，這是由于此時的溫度面接近火焰盤，區(qū)域內(nèi)的溫度較高，溫度變化不明顯.但是，隨著軸向距離的增大，不同過剩系數(shù)下的溫度梯度發(fā)生了明顯的變化.當H=30 mm時，相比于α=1時的溫度場，α=1.15與α=1.3的溫度場隨著徑向逐漸趨于平緩.造成這一現(xiàn)象的主要原因是：當α=1時，氧氣的量較少，與燃料的混合不均勻，難以完全燃燒，未燃盡的部分需要經(jīng)過一段距離后才能完全燃燒，造成了距爐膛頂部較遠的溫度面分布不均.當α=1.15時，整體溫度場介于1與1.3之間，氧氣與燃氣的混合較好，未燃燒部分大大減少，處于爐膛2側(cè)(徑向距離為50～225 mm處)的局部溫度場變化較小，有利于工件的生產(chǎn)加工.隨著氧氣過剩系數(shù)繼續(xù)增大，當a=1.3時，通入爐膛內(nèi)的氧氣量過多，氧氣在滿足燃料充分燃燒后仍存在部分剩余，這部分氧氣會攜帶走大量的熱，使爐膛兩側(cè)溫度場明顯降低，影響生產(chǎn).

4.3 氧氣過剩系數(shù)對平焰燃燒器流場的影響

圖7為3種氧氣過剩系數(shù)在爐膛中心剖面處的流場圖.從圖中我們可以看出：這3種過剩系數(shù)下流場的主流區(qū)與回流區(qū)分布相似.主流區(qū)緊貼擴張口內(nèi)側(cè)，主要為從旋流器出來的旋轉(zhuǎn)流股；回流區(qū)共分為兩個部分，一部分為從燃氣管軸向噴出受到主流區(qū)旋轉(zhuǎn)流股卷吸作用向上流動的燃氣；另一部分為燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，在受到旋轉(zhuǎn)流股負壓及爐膛結(jié)構(gòu)尺寸的影響下發(fā)生回流.回流的高溫煙氣同主流區(qū)的混合氣體進行混合，沿著擴張口與爐膛頂部內(nèi)壁，呈“八”字形向兩側(cè)展開，使燃燒更加充分.隨著氧氣過剩系數(shù)的增大，處于燃料管下方燃氣回流區(qū)的區(qū)域逐漸減小，這是因為氧氣過剩系數(shù)的大小直接影響到擴張口下方旋轉(zhuǎn)流股的速度，過剩系數(shù)越大，旋轉(zhuǎn)流股中心處的逆壓力梯度就越大，對燃氣的卷吸作用越明顯，使得回流區(qū)不斷地減小，火焰黑心區(qū)域變小.

4.4 氧氣過剩系數(shù)對平焰燃燒器CO2濃度場的影響

由于采用純氧助燃，且燃料不含氮元素，所以無NOx產(chǎn)生，所以文中只對燃燒的最終產(chǎn)物CO2進行討論.圖8為3種氧氣過剩系數(shù)下燃燒室中心截面處CO2濃度場.

從圖8可以看出：爐膛內(nèi)的CO2質(zhì)量分數(shù)大致分為3個區(qū)域：燃燒器出口處水滴形區(qū)域；擴張口下方火焰燃燒區(qū)域；爐膛剩余部分區(qū)域.當α=1時，擴張口下方火焰燃燒區(qū)呈帶狀分布，其質(zhì)量分數(shù)低于爐膛剩余部分區(qū)域.當氧氣過剩系數(shù)α=1.15與α=1.3時，爐內(nèi)CO2的分布較為接近.此時CO2質(zhì)量分數(shù)最大值出現(xiàn)在擴張口下方火焰燃燒區(qū)，并隨著燃燒反應(yīng)進行沿著徑向距離不斷減少，最后趨于穩(wěn)定.隨著氧氣過剩系數(shù)的增大，未參加反應(yīng)的氧氣隨著回流煙氣向四周擴散，將CO2逐漸稀釋，使得爐膛剩余部分區(qū)域CO2質(zhì)量分數(shù)降低.根據(jù)丙烷與氧氣的兩步反應(yīng)機理，在火焰盤附近，由于氧氣的量相對較少且與燃氣混合較差，在第一步反應(yīng)完成后，沒有充分的氧氣與CO反應(yīng)，使得CO產(chǎn)生局部富集，抑制了CO2的產(chǎn)生.同時，燃料的不完全燃燒，導(dǎo)致火焰盤周圍殘存著部分丙烷，也在一定程度上稀釋了擴張口下方CO2的質(zhì)量分數(shù).

5 結(jié)論

(1)本文通過對比一種新型純氧助燃平焰燃燒器在數(shù)值模擬與熱態(tài)實驗的溫度場，驗證了模擬結(jié)果的準確性，為將來旋流強度、擴張口曲率半徑等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)對純氧平焰燃燒的影響的數(shù)值模擬提供了理論支持.

(2)氧氣過剩系數(shù)的變化不改變爐膛內(nèi)部流場整體結(jié)構(gòu)，但隨著過剩系數(shù)的增大，燃料管下方回流區(qū)域不斷縮小，使得火焰黑心區(qū)域的面積減小，燃料與氧氣混合更加充分，更有利于平焰現(xiàn)象的產(chǎn)生.

(3)氧氣過剩系數(shù)的增大有利于燃料的充分燃燒，隨著爐膛頂部距離的增加，氧氣過剩系數(shù)越大的溫度面其溫度分布越均勻.但過剩系數(shù)也不宜過大，否則會降低爐膛兩側(cè)溫度，不利于工件加工.同時，氧氣過剩系數(shù)過大還會降低爐膛內(nèi)CO2的濃度，使煙氣中摻雜氧氣，不利于CO2的捕集.綜合考慮，當氧氣過剩系數(shù)為1.15時更有利于平焰燃燒.