基于CFD 的風(fēng)道旋流燃燒器優(yōu)化分析

王松青，陳瀅，孫仁權(quán)，李鋒，黃曉明

（1.蘇州先機(jī)動(dòng)力科技有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.安德森熱能科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215024；3.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

燃?xì)忮仩t是供熱、發(fā)電行業(yè)常用的加熱設(shè)備。近年來(lái)隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格[1-2]，江蘇省內(nèi)大氣污染物NOx排放限值已經(jīng)由400 mg/m3下調(diào)至200 mg/m3；CO 排放標(biāo)準(zhǔn)也下調(diào)至1 000 mg/m3，燃?xì)忮仩t面臨著節(jié)能減排的重要挑戰(zhàn)，這對(duì)燃具開(kāi)發(fā)和燃燒工藝設(shè)計(jì)都提出了新的要求。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)論是開(kāi)發(fā)新型燃燒器還是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，由于無(wú)法預(yù)測(cè)其可能的燃燒結(jié)果，只能通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行摸索。這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗極大的人力、物力以及時(shí)間，燃具的開(kāi)發(fā)過(guò)程也因此進(jìn)展十分緩慢。隨著計(jì)算流體力學(xué)（computerized fluid dynamics，CFD）技術(shù)的日益成熟和計(jì)算機(jī)算力的快速提升，基于仿真的分析手段在工程應(yīng)用中不斷取得成功，國(guó)內(nèi)外科研單位和工程師開(kāi)始逐漸將CFD 技術(shù)應(yīng)用于燃燒器設(shè)計(jì)及優(yōu)化領(lǐng)域，包括熱解反應(yīng)器的燃燒分析[3]，臨界機(jī)組鍋爐的燃燒器改造[4]，輻射管燃燒器的燃燒狀態(tài)研究[5]，旋流結(jié)構(gòu)對(duì)貧油燃燒的影響分析[6]等。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)燃燒器的內(nèi)、外部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)燃燒器的進(jìn)一步改進(jìn)，最終達(dá)成理想的結(jié)構(gòu)。

除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，依靠CFD 技術(shù)結(jié)合燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)模擬分析排放產(chǎn)物的質(zhì)量濃度與燃燒工藝參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，尋找有效的減排措施，優(yōu)化燃燒工藝設(shè)計(jì)，也是當(dāng)前主流的研究方向。吳曉磊等[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究獲取了新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器預(yù)熱溫度、過(guò)量空氣系數(shù)和燃?xì)赓|(zhì)量分率的最優(yōu)組合；Mafra等[8]研究發(fā)現(xiàn)燃料當(dāng)量比最低，旋流數(shù)最高的情況為NOx排放的最佳條件；解利方等[9]應(yīng)用CFD 軟件模擬確認(rèn)了過(guò)濃和過(guò)淡燃燒對(duì)燃燒器NOx的形成都具有顯著的抑制作用；Habib 等人[10]研究發(fā)現(xiàn)在流量固定的條件下，過(guò)量空氣系數(shù)的提升有助于出口溫度和NO 排放質(zhì)量濃度的降低；同時(shí)爐溫越高，NO 排放質(zhì)量濃度越高。這些研究成果對(duì)實(shí)際燃?xì)馊紵に嚨恼{(diào)節(jié)具有指導(dǎo)意義。

本文研究對(duì)象為某燃燒鍋爐配套的雙“王”型風(fēng)道旋流燃燒器。首先采用三維軟件SolidWorks 構(gòu)建風(fēng)道燃燒器的結(jié)構(gòu)模型，隨后導(dǎo)入ICEM CFD 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的繪制，將經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后的模型載入CFX 軟件執(zhí)行仿真計(jì)算，基于仿真結(jié)果確認(rèn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，確定該型燃燒器最佳的燃燒溫度區(qū)間，為實(shí)際工程中進(jìn)行燃燒工藝優(yōu)化、降低污染物排放提供技術(shù)支持。

1 燃燒反應(yīng)機(jī)理

該型鍋爐燃燒器應(yīng)用環(huán)境下的燃料為天然氣，其中甲烷占比約為96.42%，氮?dú)庹急燃s為1.93%，硫化氫占比約為0.69%，其他烷烴占比約為0.96%。

由此可見(jiàn)，燃燒生成的排氣污染物將主要包括未充分燃燒產(chǎn)生的CO、各型NO（NO 通常占95%以上）和極少量的SO2。由于燃?xì)庵辛蛟卣急葮O少，即便全部生成SO2，其質(zhì)量濃度也遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，所以本次仿真不考慮污染物SO2。同時(shí)，也假定微量的硫化氫不會(huì)對(duì)其他反應(yīng)生成物質(zhì)量濃度變化產(chǎn)生影響。

1.1 CO 反應(yīng)機(jī)理

CO 為燃料燃燒反應(yīng)過(guò)程中的中間產(chǎn)物，其反應(yīng)機(jī)理如下：

污染物CO 主要來(lái)自于燃料的不充分燃燒。當(dāng)鍋爐效率較高時(shí)，燃燒較充分，CO 的排放量少；反之亦然。尾氣中CO 質(zhì)量濃度值是表征現(xiàn)代燃燒設(shè)備效率的重要參數(shù)。

1.2 NO 反應(yīng)機(jī)理

燃?xì)忮仩t燃料的主要成分為甲烷，其燃燒排放的NOx類型基本為熱力型NO 和快速型NO，不會(huì)形成燃料型NO。

熱力型NO 是指在燃燒溫度超過(guò)1 800 K 時(shí)，高溫區(qū)空氣中的氮?dú)鈺?huì)按照Z(yǔ)eldovic 機(jī)理形成NO[11]。其受到燃燒溫度的影響較大，反應(yīng)機(jī)理如下：

快速型NO 來(lái)源于分子碰撞，主要通過(guò)在氮?dú)馀c碳?xì)淞Ｗ訄F(tuán)在火焰鋒面的快速反應(yīng)產(chǎn)生。反應(yīng)機(jī)理如下：

由此可知，溫度對(duì)于CO 和NOx污染物的生成都存在著顯著的影響。因此，研究并掌握合適的燃燒工藝，是當(dāng)前節(jié)能減排的關(guān)鍵。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 燃燒模型

鍋爐燃燒屬于典型的湍流燃燒現(xiàn)象，不同的湍流燃燒現(xiàn)象，燃燒控制速率不同，要建立普遍適用的湍流燃燒模型十分困難。當(dāng)前主流的燃燒模型、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合及使用限制見(jiàn)表1。

表1 仿真燃燒模型Tab.1 The simulated combustion models

本文中的研究對(duì)象為非預(yù)混式燃燒器，且無(wú)粒子燃燒，因此采用渦耗散模型（EDM）作為氣相燃燒模型。近期的研究也表明EDM 模型在鍋爐燃燒數(shù)值模擬領(lǐng)域具備良好的適應(yīng)性[12]。另外，本次仿真的輻射傳熱模型采用P1 模型。

2.2 湍流模型

基于物理模型的復(fù)雜性，本文采用的是SSTk-ω（Shear Stress Transport）湍流模型。該模型最先由Menter[13-15]提出，其綜合了原始k-ω模型[16]在近壁面區(qū)域和k-ε模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了交叉擴(kuò)散項(xiàng)，在湍流黏性系數(shù)的定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力，擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)有研究表明，SSTk-ω湍流模型相較其他傳統(tǒng)湍流模型，具備更好的工程適用性[17-18]。

SSTk-ω湍流模型以湍動(dòng)能k和其比耗散率ω為求解變量。其中，

湍動(dòng)能k的輸送方程如下：

比耗散率ω的輸送方程如下：

式中：ω為密度；μ為動(dòng)力黏度；vt為湍流運(yùn)動(dòng)黏度；uj(j=1,2,3)為速度分量；β、σω、ωk、σω2為封閉常數(shù)；F1為加權(quán)函數(shù)；式(11)中右側(cè)前三項(xiàng)分別為生成項(xiàng)、耗散項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)，第四項(xiàng)為交叉擴(kuò)散項(xiàng)。

3 幾何和網(wǎng)格模型

3.1 幾何模型

該型風(fēng)道旋流燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可以看出：風(fēng)道旋流燃燒器的助燃風(fēng)入口為非對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此需要在適當(dāng)位置添加導(dǎo)流板來(lái)維持助燃風(fēng)流場(chǎng)的均勻性，避免噴嘴處出現(xiàn)局部過(guò)燒現(xiàn)象；噴嘴側(cè)裝有旋流裝置，可以使燃料射流在離噴嘴不遠(yuǎn)處形成回流區(qū)，與助燃風(fēng)得到充分混合，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性，提高燃燒效率，降低未充分燃燒燃料的占比。

圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of the cyclone burner

3.2 網(wǎng)格模型

相比于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格舍棄了網(wǎng)格連接性和正交性限制，能夠更容易控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置。因此，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有良好的幾何靈活性，尤其是針對(duì)工程設(shè)備此類復(fù)雜外形的結(jié)構(gòu)，具有更好的自適應(yīng)性[19]。

基于以上特點(diǎn)，本文仿真采用由ICEM-CFD 軟件設(shè)計(jì)生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。同時(shí)，在風(fēng)道與輸氣管道的氣固交界面均定義了多層棱柱邊界層來(lái)提高近壁面網(wǎng)格的精度。為了獲取燃燒區(qū)下游的尾氣成分含量，依照實(shí)際風(fēng)道建立了總長(zhǎng)8.5 m 的過(guò)程風(fēng)風(fēng)道。旋流燃燒器的網(wǎng)格示意如圖2 所示。

圖2 旋流燃燒器網(wǎng)格示意Fig.2 Mesh generation of the cyclone burner

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

Ferziger 等人的研究表明，隨著網(wǎng)格質(zhì)量的提高，性能預(yù)測(cè)的誤差將會(huì)逐漸降低[20]。為了保證仿真的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證。

本文主要通過(guò)比對(duì)計(jì)算結(jié)果中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 為距離噴嘴截面3 m 處的風(fēng)道截面中心點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2為距離噴嘴截面6 m 處的風(fēng)道截面中心點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置示意如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置示意Fig.3 Schematic diagram of the measuring points locations

此次網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)一共選擇了5 種密度的網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)試，具體見(jiàn)表2。噴嘴、助燃風(fēng)道、過(guò)程風(fēng)道、燃料通道、燃燒區(qū)的網(wǎng)格數(shù)目皆均勻增加。

表2 不同方案下各部件網(wǎng)格數(shù) 單位：萬(wàn)Tab.2 Number of grid cells in various cases

進(jìn)行測(cè)試的5 種網(wǎng)格模型邊界條件的設(shè)定均一致，燃燒仿真結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可見(jiàn)：在網(wǎng)格數(shù)量低于2 500 萬(wàn)時(shí)，燃燒仿真中的溫度計(jì)算值受網(wǎng)格數(shù)量影響較大，壓力受影響較小；在網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)2 500 萬(wàn)后，模擬結(jié)果十分接近，可認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量工況C 滿足了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。

表3 燃燒仿真下網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Combustion simulation results of the grid independence verification

由此，本文后續(xù)的仿真計(jì)算都統(tǒng)一采用工況C的網(wǎng)格模型。整個(gè)網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為491 萬(wàn)，網(wǎng)格單元為2 524 萬(wàn)，其中燃燒區(qū)網(wǎng)格數(shù)為415 萬(wàn)，風(fēng)道網(wǎng)格數(shù)為1 550 萬(wàn)，確保能夠準(zhǔn)確捕捉燃燒與流場(chǎng)信息。經(jīng)檢驗(yàn)，全部網(wǎng)格區(qū)域的y+值都在100 內(nèi)，重點(diǎn)區(qū)域如燃燒區(qū)等都在30 之內(nèi)（圖4）。

圖4 y+值分布示意Fig.4 Distribution of y+ value

4 邊界條件

本文仿真計(jì)算的邊界條件如下：

1）燃?xì)膺M(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，流量為400 m3/h 燃?xì)鉁囟葹?0 ℃；

2）助燃風(fēng)進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，流量為6 000 m3/h，空氣溫度為100 ℃；

3）過(guò)程風(fēng)進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，流量為14 000 m3/h，空氣溫度為20 ℃；

4）風(fēng)道壁面采用無(wú)滑移、絕熱邊界條件；

5）風(fēng)道出口采用壓力出口邊界，出口壓力為2 000 Pa；

6）輻射模型中，發(fā)射率統(tǒng)一設(shè)置為0.4。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

本次仿真的目的是針對(duì)該型風(fēng)道旋流燃燒器，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定合適的燃燒火焰溫度區(qū)間，為后續(xù)的設(shè)計(jì)制造以及燃燒工藝的制定提供參考。

CFD 軟件分析內(nèi)容可以分為2 個(gè)部分：1）加裝導(dǎo)流板后對(duì)燃燒狀態(tài)的影響；2）基于流場(chǎng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)確立合理的燃燒火焰溫度區(qū)間，控制污染物排放的質(zhì)量濃度。

5.1 導(dǎo)流板影響分析

圖5 為有、無(wú)導(dǎo)流板情況下的流場(chǎng)分布。由圖5a)可以看出，該型風(fēng)道旋流燃燒器的助燃風(fēng)是單側(cè)入口，在沒(méi)有導(dǎo)流板的情況下會(huì)發(fā)生明顯的流場(chǎng)偏置現(xiàn)象。不均勻的流場(chǎng)將引發(fā)燃料的燃燒過(guò)程不夠充分，由此產(chǎn)生大量的CO 將導(dǎo)致尾氣排放難以達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此，在助燃風(fēng)道內(nèi)加裝了導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)來(lái)校正流場(chǎng)。其彎角角度基于助燃風(fēng)道的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體為隔板式結(jié)構(gòu)，縱向貫穿助燃風(fēng)道。

由圖5b)可以看出，在添加了導(dǎo)流板后，助燃風(fēng)流場(chǎng)明顯變得更加均勻，流場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象也得到了顯著改善。

圖5 有、無(wú)導(dǎo)流板情況下的流場(chǎng)分布Fig.5 The distribution of flow field with and without deflector

圖6 為有、無(wú)導(dǎo)流板情況下的CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。從圖6 可以看出，加裝導(dǎo)流板后，噴嘴出口風(fēng)道截面處（距噴嘴0.5 m 處）的，CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了約18.83%，這表明均勻的流場(chǎng)大大增強(qiáng)了燃燒的穩(wěn)定性。

圖6 有、無(wú)導(dǎo)流板情況下CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Distribution of CO mass concentration with and without deflector

綜上，通過(guò)仿真結(jié)果可以確認(rèn)，導(dǎo)流板的添加對(duì)于提高該型風(fēng)道旋流燃燒器的燃燒效率、降低污染物CO 的排放都起到了積極作用。

5.2 燃燒火焰溫度影響分析

確定一個(gè)合適的燃燒火焰溫度，細(xì)化燃燒工藝，將污染物質(zhì)量濃度控制在合理的范圍內(nèi)，能夠帶來(lái)極大的環(huán)保價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

該階段仿真分析采用前文已分析過(guò)的有導(dǎo)流板的燃燒器結(jié)構(gòu)模型。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，分別模擬計(jì)算了燃燒火焰溫度在1 500～2 000 ℃內(nèi)模型出口處的CO與NO 質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 NO 與CO 質(zhì)量濃度隨燃燒溫度分布Fig.7 The NO and CO mass concentrations at different flame temperatures

由圖7 可以看出，在1 800～1 900 ℃的燃燒溫度區(qū)間內(nèi)，CO 與NO 的質(zhì)量濃度都接近于大氣污染物的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。參照此仿真結(jié)果，可以確認(rèn)該區(qū)間為當(dāng)前燃燒器的合理燃燒溫度區(qū)間。

此外，在2 000 ℃時(shí)，CO 的質(zhì)量濃度出現(xiàn)了增長(zhǎng)現(xiàn)象，初步推斷為高溫下的CO2還原反應(yīng)導(dǎo)致，后續(xù)計(jì)劃會(huì)進(jìn)行針對(duì)性的研究。

5.3 試驗(yàn)比對(duì)

在仿真計(jì)算的同時(shí)，還進(jìn)行了近似工況下尾氣成分的實(shí)際測(cè)定，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位于測(cè)點(diǎn)1 位置的下一層管道。煙氣成分測(cè)量裝置選用Tesco-340 型設(shè)備。尾氣成分測(cè)試設(shè)備如圖8 所示，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison between the experimental and numerical results

圖8 尾氣成分測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備Fig.8 The exhaust gas composition test device

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)獲取的CO 質(zhì)量濃度約為757.5 mg/m3，對(duì)比仿真結(jié)果781.4 mg/m3，數(shù)值吻合度較高，驗(yàn)證了仿真結(jié)果具備工程實(shí)用性。

6 結(jié)論

1）針對(duì)當(dāng)前該型風(fēng)道旋流燃燒器，數(shù)值仿真結(jié)果顯示，在助燃風(fēng)道加裝導(dǎo)流板能有效提高其燃燒效率，降低尾氣中CO 的排放質(zhì)量濃度。

2）當(dāng)燃燒火焰溫度在1 800～1 900 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，尾氣中NO 與CO 的質(zhì)量濃度都在國(guó)家大氣污染物一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)之下，后續(xù)工程應(yīng)用中燃燒工藝的設(shè)定可以以此為參考。

3）通過(guò)CFD 數(shù)值分析，可以準(zhǔn)確地模擬燃燒器尾氣的排放情況，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和燃燒工藝的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。