增壓浸沒燃燒裝置中高反壓燃燒器數(shù)值模擬研究

宮小龍，朱慶霞，馮 青，劉中良，江 瀚

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100124)

增壓浸沒燃燒裝置中高反壓燃燒器數(shù)值模擬研究

宮小龍1，朱慶霞1，馮 青1，劉中良2，江 瀚2

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100124)

分析了傳統(tǒng)浸沒燃燒技術(shù)的特點和不足, 研制出增壓浸沒燃燒蒸發(fā)器裝置。借助Fluent軟件研究軸對稱燃燒器在5-30atm壓力下的燃燒特性。模擬計算結(jié)果表明, 壓力的增大提高了燃燒反應(yīng)速率, 強化了燃燒性能, 燃料燃燒更充分；隨著壓力不斷提高, 燃燒反應(yīng)起始位置向氣流上游移動；火焰最高溫度不斷升高；CO2和NOX濃度也相應(yīng)增加。仿真結(jié)果與前人預(yù)測結(jié)果對比, 二者基本吻合。證明高反壓燃燒器十分適合在增壓浸沒燃燒技術(shù)中應(yīng)用。

增壓浸沒燃燒；高反壓；燃燒器；數(shù)值模擬

隨著全球節(jié)能環(huán)保意識的提高，更加嚴格的法規(guī)和迫切的市場需求促使研究者們致力于設(shè)計出燃燒效率更高、污染物排放更低的燃燒裝置。近年來，人們研究了稀釋擴散燃燒法和注蒸汽燃氣輪機[1]等技術(shù)，都較好地實現(xiàn)了低排放的目的。但是，CO2或水蒸汽等稀釋作用會造成火焰溫度下降，降低了燃燒器傳熱效率。

火焰溫度高，NOX排放量大。燃燒器始終存在“節(jié)能”與“減排”的矛盾[2]。解決矛盾關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)變?nèi)紵鞯膽?yīng)用思路，浸沒燃燒是將燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣噴入待加熱液中，進行直接熱交換。煙氣在出口被液體冷卻，該方式幾乎沒有污染排放，排出的尾氣中NOX排量低于國家標準限定值的一半，熱效率高達95%以上[3,4]。但是，目前工業(yè)上應(yīng)用的浸沒燃燒技術(shù)屬于微正壓浸沒燃燒，液體在敞開容器中被加熱，溶解在液體中的CO2和NOX也會因為熱解、攪動等原因排放到大氣中。另一方面，為了提高加熱效率，必須控制待加熱溶液的溫度，例如純凈水的溫度一般控制在60-70 ℃之間，減少液體蒸發(fā)時帶走熱量。由于上述原因，微正壓浸沒燃燒技術(shù)的發(fā)展受到了限制。例如，工廠中常需要高溫高壓蒸汽為設(shè)備除垢，油田上也需要大量高溫高壓蒸汽用于稠油熱采和原油管道輸運。根據(jù)液體沸點與壓力的關(guān)系，在微正壓浸沒燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)了增壓浸沒燃燒蒸發(fā)裝置，并研究了高反壓燃燒器的性能。增壓浸沒燃燒技術(shù)是指在高壓容器內(nèi)進行浸沒燃燒蒸發(fā)過程，工作原理與微正壓浸沒燃燒相似，其突出特點有：壓力條件能夠提高燃燒效率和污染物在液體中的溶解能力，污染物排放更低；出口高溫高壓混合汽(煙氣和水蒸汽)直接用作換熱工質(zhì)不需額外動力裝置；燃燒室在封閉蒸發(fā)器內(nèi)，煙氣余熱和燃燒室輻射熱幾乎全用作加熱液體和蒸汽，熱效率更高。這樣，增壓浸沒燃燒技術(shù)真正實現(xiàn)了“節(jié)能”和“減排”的目的。

通信聯(lián)系人：宮小龍(1976-)，男，博士，副教授。

Correspondent author:GONG Xiaolong(1976-), male, Ph.D., Associate professor.

E-mail:gongxiaolong@ici.edu.cn

高反壓燃燒器是增壓浸沒燃燒蒸發(fā)裝置中核心組件之一，它是指燃燒在環(huán)境氣流壓力較高的條件下進行，如內(nèi)燃機和液體火箭發(fā)動機中，燃燒室內(nèi)壓力通常為20-30 MPa。受到應(yīng)用領(lǐng)域的影響，高壓燃燒特性的研究主要集中在液體燃料，如汽車發(fā)動機、火箭發(fā)動機等，而對氣體燃料的研究比較少。在高的環(huán)境氣流壓力下，噴嘴性能、噴霧質(zhì)量、火焰結(jié)構(gòu)和火焰溫度都與操作壓力存在密切關(guān)系。目前國內(nèi)外的研究結(jié)論并不一致，在高溫高壓條件下高反壓燃燒器性能研究受到實驗條件的限制。Shang[5]采用TAB和Reitz兩種模型對實心噴霧過程進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)噴霧錐的尺寸及穿透深度均隨壓力增加而減小，霧滴尺寸會隨時間推移而增大。Linck等[6]認為船用增壓鍋爐不僅能提高鍋爐爐膛容積熱負荷，也能減少能量損耗，降低鍋爐尺寸和重量。對氣體燃料高反壓燃燒特性研究中，Liu[7]和Charest[8]分別對5-40 atm 和1-60 atm壓力條件下的甲烷-空氣同心射流層流擴散火焰進行了研究也發(fā)現(xiàn)，壓力對氣體密度影響很大，是影響火焰結(jié)構(gòu)、碳煙含量和火焰溫度分布的重要因素，火焰直徑隨壓力升高而縮小，碳煙含量不斷升高。Liu[7]將壓力對燃燒影響的原因歸結(jié)為壓力升高使氣體密度增大，強化了噴嘴出口燃氣-空氣混合能力，導致燃料熱分解速率加快。

眾所周知，氣體的密度受壓力的影響要比液體大得多，也避免了類似燃油霧滴的霧化、聚合和蒸發(fā)等影響燃燒的因素。可見，研究氣體燃料在高反壓條件下的燃燒特性意義十分重要。本文采用ANSYS軟件對5-30 atm背壓條件下甲烷-空氣燃燒器的燃燒過程進行數(shù)值模擬。不同于航空發(fā)動機中復雜結(jié)構(gòu)的高壓燃燒器，本次模型采用的是結(jié)構(gòu)相對簡單的圓筒形同心射流燃燒器，研究甲烷-空氣噴射燃燒器的燃燒特性，同時為增壓浸沒燃燒蒸發(fā)器中高壓燃燒器設(shè)計提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬幾何、物理模型及邊界條件

在保證氣體流量和不堵塞的前提下，常規(guī)燃燒器噴嘴盡可能減小噴射小孔的直徑，增加小孔數(shù)量，使燃氣與空氣能夠混合均勻。但是在設(shè)計高反壓燃燒器過程中我們發(fā)現(xiàn)，氣流供氣壓力必須足夠高克服小孔的節(jié)流降壓作用，才能使燃燒室內(nèi)壓力達到預(yù)期值，這對供氣設(shè)備的要求會非常高，例如，油田注汽采油的注汽壓力可以高達21 MPa，這意味著如果采用常規(guī)燃燒器噴嘴，供氣壓力必須大于420 MPa才能保證背壓的波動不至于導致燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定。為了解決這一問題，本文將高反壓燃燒器設(shè)計為同心射流結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，實際操作簡便。燃燒器為圓筒狀，長2000 mm，半徑225 mm。左側(cè)為燃氣與空氣入口，寬度分別為5 mm和212 mm，噴嘴壁面厚度為2 mm，長10 mm，壁面設(shè)有三處凸起，有利于增強燃燒室內(nèi)氣流擾動和延長燃料停留時間使燃燒更充分。圖1顯示了模型的幾何形狀和網(wǎng)格劃分。甲烷、空氣的質(zhì)量入口條件如表1所示。假設(shè)噴嘴壁面和燃燒室壁面均為絕熱、常溫，溫度為300 K。燃燒器出口條件設(shè)為壓力出口。為準確描述火焰溫度，采用變比熱容解法。燃燒器內(nèi)氣體燃燒為湍流流動，用k-ε模型對燃燒器內(nèi)流動過程進行數(shù)值模擬，啟動組分傳輸和Eddy-Dissipation反應(yīng)方程。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格Fig.1 Geometric structure and grid

數(shù)值模擬計算過程中，操作壓力分別設(shè)置為5、15和30 atm，甲烷和空氣均為理想氣體，研究不同壓力條件對熱態(tài)空氣-燃氣混合性能和熱態(tài)燃燒特性的影響。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度分布

圖2至圖5分別給出了5-30 atm條件下燃燒器火焰溫度場和沿火焰中心線軸向溫度分布情況。從圖中可以看出，從燃燒器入口(x=0 m)至燃燒器的中部(x≈1.2 m)的范圍內(nèi)，煙氣的溫度隨壓力增大而提高，但差別不太明顯。此后(x＞1.2 m)火焰溫度隨壓力明顯變化：在不考慮熱輻射和煙灰的情況下，沿燃燒器軸線方向軸線處火焰溫度隨壓力的增大而升高。這是因為隨著壓力升高，入口處單位體積內(nèi)空氣-甲烷濃度明顯增加，提高了空氣-甲烷之間的混合效果，在高溫條件下，加速了甲烷的反應(yīng)速率，這一結(jié)果與Liu[8]的預(yù)測結(jié)果吻合較好，最高溫度值在表2中列出。

2.2 燃燒反應(yīng)速率

雖然壓力對各級反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響不同，但在一定溫度及反應(yīng)物濃度的條件下，對于n級反應(yīng)都有以下規(guī)律[9]：

其中，w為反應(yīng)速率，p為系統(tǒng)總壓力，n為反應(yīng)級數(shù)。可見，從理論上，壓力增大能夠加快反應(yīng)速率。圖6給出了5-30 atm條件下反應(yīng)速率沿y=0.007 m軸向坐標的變化情況，選取這條線作為研究對象是因為空氣-甲烷化學反應(yīng)在兩氣流接觸面處最劇烈，這正好是在噴嘴壁面附近。從圖中可以看出，從燃燒器入口附近(x≤0.018 m)的范圍內(nèi)，反應(yīng)速率隨著壓力增大而升高，此后(x＞0.018 m)反應(yīng)速率開始下降。圖7給出了不同壓力下軸線上CH4質(zhì)量分數(shù)沿燃燒器軸向坐標的變化情況。從圖中可以明顯地看出，壓力增大加快了CH4在燃燒器內(nèi)反應(yīng)速率，CH4質(zhì)量分數(shù)隨壓力提高而減小，證明壓力增大確實能提高燃燒效率，有利于更充分燃燒。模擬結(jié)果與理論分析十分吻合。

表1 入口條件Tab. 1 Inlet condition

圖2 5 atm條件下溫度場Fig.2 Temperature field under 5 atm

圖3 15 atm條件下溫度場Fig.3 Temperature field uuder 15 atm

圖4 30 atm條件下溫度場Fig.4 Temperature field under 30 atm

2.3 CO2和NOX濃度

圖8和表3、4給出了CO2質(zhì)量分數(shù)沿燃燒器軸向坐標分布曲線和出口截面CO2、NOX平均質(zhì)量分數(shù)。CO2、NOX質(zhì)量分數(shù)隨背壓升高而升高，結(jié)合圖7的結(jié)論，說明在高壓條件下，入口射流速度小，氣體在燃燒器內(nèi)停留時間長并且反應(yīng)速率加快，這樣有利于燃料和空氣混合充分，使得燃料燃燒更充分，燃燒效率越高。另外，增壓浸沒燃燒裝置內(nèi)的高壓條件加強了CO2和NOX在水中的溶解能力，帶有弱酸性的高溫高壓混合氣(煙氣-水蒸汽)更適合在汽車清洗、工業(yè)設(shè)備除垢和稠油熱采等方面的應(yīng)用，該技術(shù)幾乎沒有污染排放，最終實現(xiàn)“零排放”。

表2 不同背壓條件下火焰的最高溫度Tab. 2 The top temperature of flame under different environment pressure

圖5 不同背壓條件下軸線上燃燒產(chǎn)物溫度沿燃燒器軸向坐標的變化情況Fig.5 Changes of combustion products’ temperature under different environment pressure

圖6 不同背壓條件下反應(yīng)速率沿y=0.007 m軸向坐標的變化情況Fig. 6 Changes of reaction rate under different environment pressure along the y=0.007m

圖7 不同壓力下軸線上CH4質(zhì)量分數(shù)沿燃燒器軸向坐標的變化情況Fig.7 Changes of CH4mass fraction under different pressure along the axis

圖8 CO2質(zhì)量分數(shù)沿燃燒器軸向坐標分布曲線Fig. 8 The distribution curve of CO2mass-weighted average along the axis

表3 出口CO2表面平均質(zhì)量分數(shù)Tab.3 CO2mass-weighted average at the outlet

表4 出口熱力NOX表面平均質(zhì)量分數(shù)Tab.4 NOXmass-weighted average at the outlet

3 結(jié) 論

本文通過對圓筒形燃燒器內(nèi)甲烷-空氣同心射流燃燒過程進行數(shù)值模擬，分析了壓力對燃燒器內(nèi)溫度分布、燃燒反應(yīng)速率以及CO2和NOX排放的影響，模擬結(jié)果與Khaleghi[10]對純氫氣-純氧氣的計算結(jié)果、Liu[7]和Charest[8]的預(yù)測結(jié)果吻合較好。理論分析和仿真結(jié)果顯示，增壓浸沒燃燒技術(shù)中高反壓燃燒器具有高效、低排放的良好特點，證明增壓浸沒燃燒技術(shù)思路是正確的。

(1)在不考慮熱輻射和煙灰的情況下，燃燒器中心軸線處火焰的溫度隨壓力的增大而增大。

(2)在相同的入口質(zhì)量流量條件下，燃燒反應(yīng)起始位置隨壓力的增大向氣流上游移動，且反應(yīng)速率加快；由于壓力升高，在保持質(zhì)量流量不變的情況下，氣體的入口速度減小，燃料在燃燒器內(nèi)可以停留更長的時間，燃料燃燒更充分。雖然NOX排放隨壓力的增大略有增加，但在浸沒燃燒過程中，煙氣噴入待加熱液體被快速冷卻，大部分NOX被溶解在液體中。煙氣與高溫高壓水蒸汽共同組成的弱酸性混合氣清洗設(shè)備垢面和稠油熱采等十分有效。

(3)工業(yè)浸沒燃燒技術(shù)中通常需要高速煙氣與液體攪動混合強化換熱，然而高反壓燃燒器中入口氣流速度隨壓力升高而顯著下降，有必要對燃燒器出口結(jié)構(gòu)進一步研究和改進。

另外，本文的燃燒器模型結(jié)構(gòu)需要進一步改進，尤其是入口結(jié)構(gòu)，需要增大入口空氣-燃氣氣流交叉角度，有利于縮短火焰長度，達到優(yōu)化燃燒器尺寸的目的。

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Numerical Simulation of the High Pressure Burner Applied in the Pressurized Submerged Combustion Evaporator

GONG Xiaolong1, ZHU Qingxia1, FENG Qin1, LIU Zhongliang2, JIANG Han2
(1. College of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Benefits and disadvantages of conventional submerged combustion technology are expatiated, and pressurized submerged combustion device with higher efficiency and less pollution is newly developed. In order to investigate the effect of pressure on combustion characteristics, numerical simulation of methane-air flame under 5 and 30 atmospheres in an axisymmetric chamber is carried out by means of a Fluent software. The results show that the increases of pressure accelerate the reaction rate of air and methane and make the fuel burn abundantly, enhancing the combustion performance: the position of combustion commencement moves towards the upstream of the air; the top flame temperature increases, so do the CO2and NOXconcentrations. The computed results are in good agreement with the predictions from previous studies. It’s proved that high pressure combustion burner is very suitable for pressurized combustion evaporator.

pressurized submerged combustion; high pressure; burner; numerical simulation

date: 2016-01-18. Revised date: 2016-04-23.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.017

TQ174.6

A

1000-2278(2016)05-0541-06

2016-01-18。

2016-04-23。

江西省科技廳社會發(fā)展領(lǐng)域重點項目(2015BBG70022)；江西省教育廳科技項目(GJJ14636)。