高溫空氣燃燒技術在新型倒焰窯爐中的數值模擬

閆 申，高 峰

(1.山西經濟管理干部學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

高溫空氣燃燒技術(high temperature air combustion(HTAC))是20世紀90年代開發成功的一項燃料燃燒領域中的新技術。HTAC包括兩項基本技術手段：一是通過性能優良的蓄熱回收裝置使燃燒產物顯熱極限回收；二是燃料在低氧氣氛下燃燒，達到溫室氣體排放量減少的目的。HTAC技術可以降低30%的二氧化碳排放和50%的污染物排放，同時減小25%的設備尺寸[1]。

在我國，大部分倒焰窯爐的熱利用效率較低，同時排放大量的二氧化硫、氮氧化物等污染物。目前高溫空氣燃燒技術已經在很多行業的工業窯爐中有所應用，例如冶金和玻璃窯爐等[5]。現在經濟發展新常態下，節能減排及環保檢查的常態化，高溫空氣燃燒技術作為一項節能、環保技術也一定會引起關注。

通過查閱工業窯爐數值模擬、HTAC技術的大量相關資料，本文利用FLUENT軟件對采用高溫空氣燃燒技術的新型倒焰窯爐進行數值模擬，通過改變燃料噴入速度，研究窯爐內部的溫度變化、組分分布的情況。

1 模型的建立

1.1 模擬高溫窯爐的構造

模擬對象為一個小型窯爐，有效容積為2m3，其尺寸是4403mm×3800mm×4104mm，該窯爐兩側分別設置有一個燃料燒嘴；底部分成兩部分，空氣通過一側底部煙道進入窯爐內與燃料反應，煙氣從另一側煙道排出。

燃料燒嘴的尺寸大小為Φ30mm；燃料燒嘴中心和底部煙道的距離為570mm；底部分布煙道24個，長×寬=115×30mm。窯爐的結構如圖1。

圖1 窯爐模型 Fig.1 Kiln model

1.2 窯爐模型的網格劃分

網格的劃分質量對數值模擬的計算精度和結果的收斂性有很大影響，一般情況下網格質量越高計算出的結果精度也越高。在對計算區域進行網格劃分時，主要考慮的內容有：初始化的時間、計算花費和數值耗散[2]。

在進行網格劃分時，根據實際情況，首先將模型劃分為不同的多個區域，然后分別對每一個區域進行網格劃分[3]。計算模型對燒嘴局部區域進行網格加密，保證計算的精度。計算區域的網格劃分見圖2。

圖2 計算區域的網格劃分 Fig.2 Grid division of regional

2 模型條件設置

2.1 基本條件設置

湍流模型采用Reynolds Stress模型和κ-ε兩方程紊流模型。因為Reynolds Stress模型可以精確的預測復雜流動模型，而κ-ε兩方程模型計算簡單、經濟、方便和成熟[3-4]。燃燒模型選用甲烷兩步完成反應機制，燃料燃燒系統用finite-rate化學模型分析[3]。

模型的幾何結構簡單，故熱輻射模型采用計算精度適中，占用計算機內存不大的P-1輻射模型[3]。

方程求解器采用SIMPLEC方法[3]。控制方程的離散格式選用精度較高的二階迎風格式，各方程的松弛因子采用默認值[3]。所有參數設定完畢后，最后對方程迭代求解。

2.2 計算條件

燃氣進口采用速度邊界條件，空氣入口和出口都采用壓力邊界條件，燃燒室墻壁使用壁面邊界條件，溫度為固定值300K。

為了研究燃料流速度對對窯爐內的溫度場的影響。對模型進行了燃料射流速度為10m/s、20m/s、30m/s、35m/s、40m/s等五個工況下爐內溫度場，組分場數值模擬，計算工況見表1。

表1 計算工況Tab.1 Calculation conditions

3 計算結果

3.1 燃料射流速度對窯爐內部溫度場的影響

燃料射流速度不同時，燃料燒嘴所在截面的溫度分布見圖3～圖7。

圖3 A的溫度分布圖 Fig.3 Temperature distribution of A

圖4 B的溫度分布圖 Fig.4 Temperature distribution of B

圖5 C的溫度分布圖 Fig.5 Temperature distribution of C

圖6 D的溫度分布圖 Fig.6 Temperature distribution of D

圖7 E的溫度分布圖 Fig.7 Temperature distribution of E

從圖3～圖7可以看出，提高燃料噴入速度，燒嘴截面上的最高溫度升高，同時高溫區域逐步擴大，溫差逐步減小。當燃料以較低速度噴入時，整個窯爐內部溫度較低，只有在燒嘴的附近有較高溫度存在。這主要是因為燃料噴入速度較低，燃燒發生在燒嘴周圍，爐內氣體流動性差，擾動少，傳熱較差，故此，高溫區域較集中，大部分區域溫度較低，溫度分部不均勻。燃料噴入速度的進一步增大，燃燒放出的熱能量增加，最高溫度在升高，區域范圍在擴大，這樣達到燃燒條件的燃氣就越多。同時，由于燃料速度的增大，卷吸大量熱煙氣，提高氣體的湍流強度，帶動周圍氣體的流動，有利于傳熱，從而使溫度的差值減小。下表2列出了不同工況下模擬得到的爐內溫度。其最高溫度、平均溫度為模擬計算得到的窯爐內的煙氣溫度的最大值、平均值。

表2 最高溫度與平均溫度比較Tab2 Comparison of the maximum temperature and average temperature

表2可以看出，燃料噴出速度從10m/s～40m/s，窯爐內部的溫差在減少，窯爐內部的溫度逐漸均勻化。

3.2 燃料射流速度對窯爐內部組分場的影響

燃料的射流速度會對組分場產生影響。對CH4、O2和CO2組分場的影響分布圖見圖8～圖26。

圖8 A的甲烷濃度分布 Fig.8 Methane concentration of A

圖9 B的甲烷濃度分布 Fig.9 Methane concentration of B

圖10 C的甲烷濃度分布 Fig.10 Methane concentration of C

圖11 D的甲烷濃度分布 Fig.11 Methane concentration of D

圖12 E的甲烷濃度分布 Fig.12 Methane concentration of E

圖13 A的氧氣濃度分布 Fig.13 Oxygen concentration of A

圖14 B的氧氣濃度分布 Fig.14 Oxygen concentration of B

圖15 C的氧氣濃度分布 Fig.15 Oxygen concentration of C

圖16 D的氧氣濃度分布 Fig.16 Oxygen concentration of D

圖17 E的氧氣濃度分布 Fig.17 Oxygen concentration of E

圖18 A的二氧化碳濃度分布 Fig.18 Carbon dioxide concentration of A

圖19 B的二氧化碳濃度分布 Fig.19 Carbon dioxide concentration of B

圖20 C的二氧化碳濃度分布 Fig.20 Carbon dioxide concentration of C

圖21 D的二氧化碳濃度分布 Fig.21 Carbon dioxide concentration of D

圖22 E的二氧化碳濃度分布 Fig.22 Carbon dioxide concentration of E

圖23 燃料燒嘴軸線上CH4的濃度圖 Fig.23 Methane concentration of central axis

圖8～圖12可知，燃料噴口速度的加快，帶動周圍氣體，使燃燒的區域遠離窯爐的內壁，這樣就保護了窯爐內壁。不同工況下，燃料都可以很快發生燃燒反應，且燃燒完全。當燃料以較高速度噴入時，加大對爐內煙氣和空氣的擾動，有利于熱量的散發，從而降低窯爐內部的溫差。

圖13～圖17可以發現，燃料噴口速度的加快，更多的氧氣參與燃燒反應，并且使氧氣的流動更加的快速，促進熱量的散發。各工況下，由于燃燒反應的徹底進行，在燒嘴附近的區域形成第一個低氧區，但是在當燃料速度大于30m/s時，在窯爐的出口處，形成第二個低氧區。隨著工況燃料速度的加大，第二個低氧區的范圍逐漸的加大，主要原因是流速加大，促進煙氣的流動，從而形成一個小的漩渦，進一步稀釋空氣而造成的。

圖18～圖22可以發現，圖形外觀上看，二氧化碳的濃度分布和氧氣的濃度分布大小正好互補。

綜合以上，燃料噴口速度加快，燃料量增加，燃料在窯爐內的濃度提高，有利于燃燒反應和稀釋氧氣，放出大量的熱；同時加強了窯爐內部煙氣的擾動，有利于進一步減少窯爐內部的溫差，可以減少污染物的排放。

燃料的射流速度不同時，燃料燒嘴軸線上的CH4、O2和CO2的分布分別見圖23～圖26。其中圖24是圖23中A區域的局部放大圖。

圖24 燃料燒嘴軸線上CH4的濃度局部放大圖 Fig.24 Methane concentration

圖25 燃料燒嘴軸線上O2的濃度圖 Fig.25 Oxygen concentration of central axis enlarged drawing of central axis

從圖23、圖24可以看出，燃料噴出燒嘴后，燒嘴軸線上的燃料的濃度迅速降低。這主要是由于來自底部的空氣對燃料的吹動作用，使燃料向上偏移。燃料的速度越快，越穩定，空氣越難吹動燃料，使其脫離軸線。

圖26 燃料燒嘴軸線上CO2的濃度圖 Fig.26 Carbon dioxide concentration of central axis

圖26可以看出，第一階段二氧化碳的濃度隨著燃燒反應的進行而提高；在后期，由于出口壓力的吸力作用，二氧化碳的濃度降低。整個階段，燃料噴口的速度越高，反應產生的二氧化碳就越多，變化也越大，可見，提高燃料的速度，能夠加強窯爐內部煙氣的流動。

4 結論

(1)燃料噴口速度的加快，可以強化窯爐內部擾動，燒嘴所在面上的最高溫度升高，高溫區進一步擴大，窯爐內部溫差逐步減小；

(2)隨著燃料噴口速度的提高，爐內煙氣流動加強，氧氣在燃料燒嘴所在面上高濃度的區域進一步減少，低濃度氧氣的區域增加；在低濃度氧氣區域二氧化碳的濃度較高，高氧濃度區域二氧化碳的濃度低。與傳統的倒焰窯相比，二氧化碳的排放量整體上是降低了。

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