張亞竹,黃朱犇,黃 軍,張 立,2,李 凱
(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)
目前,我國工業(yè)爐實(shí)際運(yùn)行效率普遍較低,多在60%~65%之間[1-2],且工業(yè)爐燃燒時會產(chǎn)生大量NOx,導(dǎo)致酸雨和霧霾的產(chǎn)生。因此,工業(yè)上要求提高加熱爐燃燒效率[3],達(dá)到超低NOx排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。工業(yè)上已采用的燃燒技術(shù)有空氣分級燃燒技術(shù)[5]、燃料分級燃燒技術(shù)[6]和煙氣再循環(huán)技術(shù)[7]等。為追求更高燃燒效率以及更低污染物排放,研究者們不斷探尋新的燃燒技術(shù),無焰燃燒是其重要領(lǐng)域之一。無焰燃燒技術(shù)具有熱流分布均勻、燃燒效率高和污染物排放極低等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。
1971年,Weinberg[10]使用高溫?zé)煔饧訜岱磻?yīng)物,雖然該方法未將反應(yīng)物預(yù)熱到自燃點(diǎn),但燃燒效率更高,燃燒更穩(wěn)定。此后這種燃燒技術(shù)快速發(fā)展,空氣加熱溫度也越來越高,甚至超過1 300 K。1997年,Wunning等人[11]在實(shí)驗(yàn)中使用高溫預(yù)熱空氣及高速射流進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)燃燒區(qū)域無明顯火焰鋒面,爐膛內(nèi)NOx排放量變化趨勢與傳統(tǒng)燃燒有明顯差別,NOx排放量隨空氣溫度升高而降低,尾部煙氣中NOx排放量極低,最高不超過80 mg/m3,該燃燒方式滿足了節(jié)能減排的要求,被稱為預(yù)熱式無焰燃燒技術(shù)。
國際上普遍認(rèn)為實(shí)現(xiàn)無焰燃燒需將空氣預(yù)熱到可燃物自燃點(diǎn)以上[12-15],Adelaide大學(xué)對預(yù)熱式無焰燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[16],詳細(xì)分析了不同燃燒模型、不同湍流模型以及不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對無焰燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)基于簡單化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的無焰燃燒數(shù)值模擬對于NOx排放量預(yù)測存在一些誤差,并且在數(shù)值模擬過程中需考慮高速射流導(dǎo)致的火焰提升和爐膛內(nèi)整體慢反應(yīng)現(xiàn)象。胡乃俊等[17]對預(yù)熱式無焰燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)預(yù)熱空氣會使?fàn)t膛內(nèi)氧氣濃度峰值位置提前,同時爐膛尾部氧氣濃度降低;預(yù)熱空氣會提高爐膛平均溫度并降低爐內(nèi)溫度波動。預(yù)熱式無焰燃燒需要對空氣或燃料進(jìn)行預(yù)熱,這并不利于無焰燃燒技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的推廣,隨著研究人員對無焰燃燒認(rèn)識的加深,近年來發(fā)現(xiàn)即使空氣或燃料不進(jìn)行預(yù)熱也可以實(shí)現(xiàn)無焰燃燒[18-19]。李鵬飛等[20]對燃料與空氣的混合方式進(jìn)行調(diào)節(jié),發(fā)現(xiàn)完全預(yù)混時反應(yīng)物的射流動量最大,煙氣卷吸效率最好,無焰燃燒的效果最佳。
國內(nèi)對非預(yù)熱條件下不同燃料實(shí)現(xiàn)無焰燃燒的過程及其對比研究較少,且在模擬無焰燃燒時多采用單步或兩步化學(xué)反應(yīng),對GRI-Mesh 3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理在無焰燃燒方面的應(yīng)用較少,采用該反 應(yīng)機(jī)理可詳細(xì)分析NOx形成機(jī)理及氮化學(xué)機(jī)理。本文通過減小燃燒器噴嘴入口直徑來提高燃燒器的射流總動量,使燃燒器噴嘴擁有足夠的射流動量,并且在加熱過程中對爐膛溫度進(jìn)行監(jiān)控,尋找不同燃料實(shí)現(xiàn)無焰燃燒時爐膛內(nèi)部工作溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)主要通過以下方法判定無焰燃燒[21-26]:燃料燃燒時無明顯火焰鋒面;爐膛內(nèi)溫度分布均勻,峰值溫度不高于1 400 K;煙氣中的CO與NOx排放量不高于20 mg/m3。本研究通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探究非預(yù)熱條件下甲烷與丙烷實(shí)現(xiàn)無焰燃燒的燃燒過程和達(dá)到無焰燃燒時爐膛內(nèi)的溫度分布和NOx排放情況。
本文搭建的無焰燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模爐膛來研究不同燃料對無焰燃燒的影響。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含燃?xì)庀到y(tǒng)、空氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。在空氣系統(tǒng)中,常溫空氣通過風(fēng)機(jī)送入管道內(nèi),經(jīng)過壓力表、過濾器、氣體減壓閥、質(zhì)量流量計(jì)和壓力變送器到達(dá)燃燒器噴嘴。燃料系統(tǒng)中燃料由燃料罐提供,經(jīng)過壓力表、過濾器、氣體減壓閥、質(zhì)量流量計(jì)及壓力變送器到達(dá)燃燒器噴嘴。送入的燃料與空氣在爐膛中混合后燃燒,煙氣經(jīng)過套筒出口直接排放到大氣中。
在測量系統(tǒng)中,溫度測點(diǎn)沿爐膛中軸線布置,每隔50 mm設(shè)置1個測溫點(diǎn)。當(dāng)每分鐘溫度變化小于1.5 K時,開始采集溫度,采集過程至少持續(xù)3 min,并以該時間段溫度平均值作為溫度的測量值。煙氣組分測量使用TESTO350XL型便攜式煙氣分析儀測量,可測量煙氣中CO、CO2、NO和NOx的組分體積分?jǐn)?shù)。測量設(shè)備精度見表1。
表1 測量設(shè)備精度 Tab.1 Accuracy of the measuring equipment
實(shí)驗(yàn)采用對稱射流噴嘴結(jié)構(gòu),噴嘴入口直徑為4 mm,噴嘴間距為40 mm,噴嘴角度為7°。反應(yīng)物射流總動量與爐膛內(nèi)部煙氣循環(huán)是無焰燃燒形成的關(guān)鍵,實(shí)驗(yàn)采用4 mm的噴嘴入口直徑,反應(yīng)物的入射速度可達(dá)到80 m/s以上,較小的噴嘴入口直徑可以增強(qiáng)反應(yīng)物的射流總動量。實(shí)驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴入口角度的增大,爐膛內(nèi)部煙氣卷吸率越來越高,對無焰燃燒越有利,但受限于燃燒器結(jié)構(gòu),燃燒器的角度無法無限制的增大,7°的噴嘴角度是該燃燒器最佳入射角度。爐膛結(jié)構(gòu)如圖2所示,無焰燃燒燃燒爐長度為460 mm,內(nèi)徑為150 mm,外徑170 mm。爐膛采用厚度為10 mm的玻璃纖維毯包圍保溫,用來加強(qiáng)爐膛保溫效果,以保持爐膛內(nèi)煙氣溫度高于燃料自燃點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)分別使用甲烷與丙烷作為燃料,溫度均為298 K。其中甲烷體積流量為1 m3/h,甲烷燃燒時使 用的空氣體積流量為9.5 m3/h;丙烷體積流量為0.5 m3/h,丙烷燃燒時使用的空氣體積流量為12 m3/h。
無焰燃燒是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程,涉及一系列的流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)過程,簡單的單步和雙步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理很難對無焰燃燒的NOx生成機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確分析。GRI-Mesh 3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含有53種組分,325步基元反應(yīng),甲醛、NOx形成機(jī)理以及氮化學(xué)機(jī)理。本文采用GRI-Mesh 3.0機(jī)理對無焰燃燒過程中的熱力型 NO、快速型 NO、N2O轉(zhuǎn)化型NO進(jìn)行詳細(xì)分析,通過大量的組分計(jì)算及基元反應(yīng)計(jì)算來模擬無焰燃燒過程。
使用Fluent軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,根據(jù)前人無焰燃燒數(shù)值模擬研究[27-28],采用修正標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型,耗散率方程中Cε1設(shè)置為1.6,可以有效預(yù)測無焰燃燒的燃燒特征。在Fluent中采用渦耗散概念模型(EDC)計(jì)算詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)GRI-Mesh 3.0機(jī)理。無焰燃燒模擬的輻射傳熱模型選擇DO離散坐標(biāo)模型配合使用灰氣體加權(quán)模型。
使用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算求解,離散格式采用二階迎風(fēng)格式。收斂的判定依據(jù)是能量和輻射項(xiàng)殘差小于10–6,其他項(xiàng)殘差小于10–3。計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3所示,根據(jù)燃燒室對稱設(shè)計(jì)和流動對稱性質(zhì),建立1/4的燃燒室模型,通過設(shè)置對稱邊界,得到完整的爐膛計(jì)算域。采用ISAT進(jìn)行計(jì)算加速,誤差容限設(shè)置為10–4。模擬的過程中爐膛長度、爐膛半徑、噴嘴孔數(shù)、噴嘴內(nèi)徑、噴嘴間距等與物理模型一致。模擬邊界條件設(shè)置為速度入口、壓力出口與定壁溫條件,其中壁溫條件通過實(shí)驗(yàn)測得,甲烷定壁溫條件設(shè)置為1 123 K,丙烷定壁溫條件設(shè)置為923 K。
使用ICEM劃分高質(zhì)量六面體網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。在出口處與入口處進(jìn)行不同程度的加密,得到不同疏密的計(jì)算網(wǎng)格(粗網(wǎng)格數(shù)150 000、中等網(wǎng)格數(shù)460 000、細(xì)網(wǎng)格數(shù)680 000)。實(shí)驗(yàn)爐直徑為150 mm,實(shí)驗(yàn)過程中邊壁溫度低于爐膛中軸線溫度,且溫差在20 K以內(nèi),故采用爐膛中軸線數(shù)據(jù)對無焰燃燒爐膛內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析。以爐膛前壁為0,由于燃燒器噴嘴需要深入爐膛30 mm,所以實(shí)驗(yàn)中第1個測點(diǎn)是從距爐膛前壁30 mm處開始,每隔50 mm設(shè)置1個溫度測點(diǎn),共9個溫度測點(diǎn)。模擬溫度測點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)溫度測點(diǎn)分布相同,模擬結(jié)果如圖4所示。不同網(wǎng)格溫度分布趨勢基本相似,這表明模擬結(jié)果對所設(shè)3種不同網(wǎng)格密度敏感性較低,中等網(wǎng)格模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在軸向距離30~ 180 mm處的溫度變化趨勢基本相似,模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度高50 K左右;在軸向距離180~ 330 mm區(qū)域內(nèi),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近;而在軸向距離330 mm以后,由于燃燒器出口位置氣體回流的干擾,出口位置溫度急劇下降,導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差,但整體變化趨勢基 本相似。由于中網(wǎng)格數(shù)目可以滿足該燃燒器數(shù)值模擬需求,故本文后續(xù)均采用460 000網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行數(shù)值模擬。
數(shù)值模擬采用甲烷空氣兩步總包化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(Global)結(jié)合EDC燃燒模型,Global結(jié)合EDM燃燒模型和GRI Mesh-3.0結(jié)合EDC燃燒模型對甲烷進(jìn)行燃燒模擬,模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可見:3種不同數(shù)值模擬結(jié)果中,Global結(jié)合EDC模擬方式得到的溫度值與實(shí)驗(yàn)值相比整體至少偏高100 K以上;Global結(jié)合EDM模擬方式得到的溫度值介于三者之間;GRI-Mesh 3.0結(jié)合EDC模擬方式得到的模擬值相比其他2種模擬方式更接近實(shí)驗(yàn)值,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度分布變化趨勢非常相似,但由于出口位置氣體回流的干擾,導(dǎo)致出口位置實(shí)驗(yàn)溫度值相比模擬溫度值會低一些。這表明GRI Mesh-3.0是一個可靠的燃燒動力學(xué)模型,可以較好地模擬無焰燃燒過程中的溫度場分布。
有焰燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o焰燃燒過程如圖6所示。
由圖6可見,甲烷有焰燃燒狀態(tài)下火焰鋒面較為明顯,隨著空氣量和射流動量的不斷增加,火焰剛性不斷減弱。當(dāng)空氣量提升到6 m3/h后,隨著燃燒的不斷進(jìn)行,爐膛內(nèi)部工作溫度不斷升高,爐膛內(nèi)的火焰鋒面開始逐漸淡化,從圖6a)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D6b),傳統(tǒng)有焰燃燒逐漸向無焰燃燒轉(zhuǎn)變。圖6b)處于甲烷傳統(tǒng)有焰燃燒到無焰燃燒的過渡階段,火焰根部處間斷性地出現(xiàn)淡藍(lán)色火焰。燃燒過程中使用鉑銠熱電偶對爐膛溫度進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)驗(yàn)測得當(dāng)內(nèi)部工作溫度達(dá)到1 123 K后,爐膛內(nèi)火焰鋒面徹底消失,繼續(xù)提升空氣量至9 m3/h,使?fàn)t膛內(nèi)燃料充分反應(yīng),燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D6c)甲烷無焰燃燒狀態(tài)。達(dá)到無焰燃燒狀態(tài)后,爐膛內(nèi)整體溫度波動在15%以內(nèi),沒有明顯火焰鋒面,最高溫度僅1 215 K,污染物NOx排放量只有2.4 mg/m3。
丙烷有焰燃燒向無焰燃燒轉(zhuǎn)變的燃燒過程,當(dāng)空氣量提升到9 m3/h時,隨著燃燒的不斷進(jìn)行,爐膛內(nèi)部工作溫度不斷升高,爐膛內(nèi)的火焰鋒面開始逐漸淡化,火焰鋒面逐漸變得不明顯,從圖6d)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D6e)。圖6e)處于丙烷有焰燃燒到無焰燃燒過渡階段,火焰根部處間斷性的出現(xiàn)淡紫色火焰,實(shí)驗(yàn)測得,當(dāng)燃燒器內(nèi)部工作溫度達(dá)到923 K后,爐膛內(nèi)火焰鋒面徹底消失,繼續(xù)增大射流動量,空氣量提升到12 m3/h,燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D6f)丙烷無焰 燃燒,爐膛內(nèi)溫度波動比值小于15%,火焰鋒面消失,最高溫度僅1 397 K,污染物NOx排放量只有16.4 mg/m3。由此得出非預(yù)熱條件下實(shí)現(xiàn)無焰燃燒的2個必要條件:1)對爐膛進(jìn)行充分預(yù)熱,使?fàn)t膛內(nèi)任意點(diǎn)溫度均大于燃料自燃點(diǎn);2)提高射流動量,使射流動量大于火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
甲烷與丙烷非預(yù)熱條件下無焰燃燒軸向溫度分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7可見:溫度測點(diǎn)均沿爐膛中軸線布置,甲烷無焰燃燒中 心溫度峰值位置在距前壁130 mm處,峰值溫度為1 215 K,最低溫度在出口處為873 K;丙烷無焰燃燒中心溫度峰值位置在距前壁180 mm處,燃燒 的峰值溫度為1 397 K,最低溫度位置在出口處為 1 053 K。甲烷燃燒溫度平均在1 148 K左右,丙烷燃燒溫度平均在1 243 K左右。
爐膛內(nèi)溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,初始狀態(tài)時燃料與空氣從噴嘴噴射進(jìn)入爐膛,燃料未到達(dá)完全燃燒狀態(tài),所以噴嘴入口處溫度較低,隨著軸向距離的增大,燃燒反應(yīng)越來越劇烈,溫度不斷上升,直至達(dá)到無焰燃燒狀態(tài)后,溫度開始逐漸降低。不管何種燃料無焰燃燒最高溫度均低于1 400 K,由于出口位置氣體回流的干擾,出口位置溫度急劇下降,導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差,但整體變化趨勢基本相似。
甲烷與丙烷無焰燃燒模擬溫度分布如圖8所示。因燃燒室對稱設(shè)計(jì)和流動對稱性質(zhì),通過對稱邊界獲得完整的爐膛內(nèi)溫度分布圖,可更直接地觀察爐膛內(nèi)高溫區(qū)域與低溫區(qū)域分布情況。從溫度場分布中可以明顯觀察到丙烷達(dá)到無焰燃燒狀態(tài)時溫度至少比甲烷高200 K,在圖7中也發(fā)現(xiàn)丙烷無焰燃燒峰值溫度明顯高于甲烷無焰燃燒峰值溫度。
在工業(yè)上燃?xì)忮仩t的NOx排放范圍為 100.66~229.08 mg/m3,污染物NOx的平均值為156.26 mg/m3[29]。無焰燃燒狀態(tài)下尾部煙氣成分見 表2,當(dāng)實(shí)驗(yàn)的燃燒狀態(tài)到達(dá)無焰燃燒后,甲烷為燃料時無焰燃燒尾部煙氣中CO排放量為6.3 mg/m3,NOx排放量為2.4 mg/m3。丙烷為燃料時無焰燃燒尾部煙氣中CO排放量為1.3 mg/m3,NOx排放量為16.4 mg/m3。無論是甲烷無焰燃燒還是丙烷無焰燃燒,尾部煙氣污染物中CO與NOx排放量均低于 20 mg/m3,這符合無焰燃燒低污染的特點(diǎn)。
NOx的主要成分為NO和NO2,但NO2的生成依賴于NO濃度[17],所以下文主要討論NO的生成。在實(shí)驗(yàn)過程中,甲烷無焰燃燒尾部煙氣成分中NO的排放量為1.3 mg/m3,丙烷無焰燃燒尾部煙氣成分中NO的排放量為10.7 mg/m3,這表明NO是爐膛尾部污染物NOx的主要成分。燃燒過程中NO的生成機(jī)理主要為熱力型NO、快速型NO及N2O轉(zhuǎn)化型NO,由于在實(shí)驗(yàn)中無法準(zhǔn)確分析這些成分,因此本文采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對這些成分進(jìn)行數(shù)值模擬分析。
在無焰燃燒模擬數(shù)據(jù)中,甲烷尾部煙氣中NOx排放量為4.8 mg/m3,丙烷尾部煙氣NOx排放量為19.6 mg/m3,其中甲烷無焰燃燒NO排放量為4.1 mg/m3,丙烷無焰燃燒NO排放量為16.2 mg/m3。傳統(tǒng)燃燒NOx主要由熱力型NO生成,而無焰燃燒反應(yīng)較為分散,燃燒溫度相對較低,抑制了熱力型NO的生成,導(dǎo)致N2O轉(zhuǎn)化型NO成為NOx的主要生成途徑。雖然隨著溫度的升高,N2O轉(zhuǎn)化型NO的生成會被抑制,但熱力型NO的生成量在不斷 上升,導(dǎo)致NOx總量隨著溫度的增加而增加。由 于丙烷燃燒溫度值總體比甲烷燃燒溫度值更高,所以燃燒丙烷產(chǎn)生NOx排放量高于燃燒甲烷產(chǎn)生NOx排放量。
表2 無焰燃燒狀態(tài)下尾部煙氣成分 Tab.2 The composition of tail flue gas in flameless combustion state
甲烷無焰燃燒尾部煙氣模擬數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高2.4 mg/m3,丙烷模擬數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高3.2 mg/m3,主要原因在于模擬過程中溫度預(yù)測偏高。通過前文分析,發(fā)現(xiàn)選用GRI-Mesh 3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可以較好地輔助分析無焰燃燒過程中NOx的生成過程。
在上述實(shí)驗(yàn)室條件下,以甲烷與丙烷為燃料實(shí)現(xiàn)非預(yù)熱條件下的無焰燃燒過程,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,然后采用數(shù)值模擬的方法分析無焰燃燒的燃燒特征,得出以下主要結(jié)論:
1)燃燒從傳統(tǒng)有焰燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o焰燃燒時,燃料為甲烷時爐膛內(nèi)工作溫度需大于1 123 K,燃料為丙烷時爐膛內(nèi)工作溫度需大于923 K。否則會影響無焰燃燒的穩(wěn)定性,導(dǎo)致火焰無法達(dá)到無焰 燃燒狀態(tài)。
2)當(dāng)火焰狀態(tài)達(dá)到無焰燃燒狀態(tài)后,爐膛內(nèi)溫度分布均勻,甲烷無焰燃燒平均溫度為1 148 K,丙烷無焰燃燒平均溫度為1 243 K,甲烷無焰燃燒平均溫度相比丙烷無焰燃燒溫度更低。
3)無論是甲烷無焰燃燒還是丙烷無焰燃燒,尾部煙氣污染物中CO與NOx排放量均低于20 mg/m3,CO與NOx的含量極低,這符合無焰燃燒低污染的特點(diǎn)。
4)對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)采用GRIMesh 3.0反應(yīng)機(jī)理結(jié)合EDC模型可較好預(yù)測非預(yù)熱條件下的無焰燃燒特征。