燃油燃燒器的正交數值試驗分析

張瑞安 恩科 韓益帆 劉棟

同濟大學熱能與環境工程研究所

前言

燃氣不含燃料N，燃氣燃燒NOx主要是熱力氧化氮，降低燃燒溫度就可以降低NOx的排放。燃油燃燒與燃煤燃燒相似，燃油也含有燃料N，除熱力氧化氮外，燃油與燃煤燃燒的NOx排放主要是燃料NOx，因此，燃油無焰燃燒是降低燃油NOx排放的潛在技術之一。劉若晨等[1]對氧煤無焰燃燒進行了數值模擬，在爐膛熱負荷為300kW/m3，一二次風動量比大于10時，爐膛內的煙氣內循環速率大于4，氧煤燃燒處于無焰燃燒狀態，同時通過對爐膛內介觀參數如：湍流積分平均尺度、湍流脈動速度、層流火焰厚度、層流火焰傳播速度等參數的計算，表明此時爐膛溫度梯度最大的區域的湍流Reynolds數遠大于1、Damkohler數小于1和Karlovitz數大于1，即氧煤無焰燃燒為分布式燃燒模式。Torresi等[2]對一種空氣動力學分級配風的雙旋流燃燒器在煙氣空氣混合溫度為673K，O2的濃度為12.59%時的燃油燃燒進行了實驗和數值模擬，數值計算采用了簡化PDF的局部瞬時平衡模型，實驗得到了燃油的無焰燃燒，模擬與實驗的結果吻合良好。崔運靜等[3]認為液體燃料的霧化角影響燃料與空氣混合、燃燒性能、火焰形狀等，是燃燒室設計中的一個重要參數，增大霧化角將會分散霧滴，并且減少初次霧化后液滴的碰撞黏結，加強了對周圍氣體的卷吸摻混，但是霧化角過大反而會使霧滴噴到噴嘴邊壁上，液滴未蒸發時發生碰壁，會影響噴霧質量。射流動量比、旋流數以及燃油霧化質量都會影響燃油無焰燃燒的形成。

而當這些參數共同作用于目標值時，好的計算方法應該既能節約計算資源，又能帶來有效的目標值。陳奕婷等[4]采用正交試驗的方法對文丘里供料器中不同結構組合和不同稀相運輸工況對壓降的影響程度進行分析，取得了最優解水平組合參數并加以印證。所以正交試驗方法提供了一種多因素多水平作用時的解決辦法。

本文根據無焰燃燒的理論設計了雙旋流燃燒器，基于前期的研究設計了內旋流葉片內徑、軸向分速度、內旋流數、外旋流數和霧化角5個因素，每個因素設置4個水平數，從而形成5因素4水平的16組正交試驗。運用正交試驗手段研究這5個因素對爐膛燃燒因子的影響及顯著性水平，從而找到爐膛的燃燒因子最小時對應的5個因素的最優解組合并加以驗證，旨在為工業鍋爐降低NOx排放提供理論支持。

1 數值模擬

1.1 物理模型

以4t/h燃油（柴油）鍋爐為研究對象，爐膛尺寸為Φ950mm×3205mm，燃燒器布置在爐膛前墻，燃油噴嘴位于爐膛中心，燃料為0號輕柴油，其油質分析如表1所示；燃油采用壓力霧化，將爐膛出口的煙氣通過煙氣再循環風機與常溫空氣混合作為氧化劑，氧化劑的質量分數為12.22%O2，9.03%CO2，5.03%H2O，73.72%N2，混合溫度為312K,鍋爐燃燒系統如圖1所示，其雙旋流配風器進口截面如圖2所示。

表1 0號輕柴油的油質分析/%

圖1 燃油鍋爐燃燒系統示意圖

圖2 雙旋流式燃油燃燒器進口截面示意圖

1.2 網格劃分

燃油鍋爐爐膛（燃燒室）具有對稱性，可以取爐膛的四分之一為計算模型，采用結構性六面體網格對計算區域劃分網格。取爐膛的長度為X軸，高度和寬度分別為Y軸和Z軸，坐標系的原點位于爐膛入口截面的中心。計算劃分了17套網格，根據作者文獻[5-6]關于燃燒模擬收斂性以及網格無關性的研究結果，對應爐膛網格節點數大于700萬時，計算結果與網格數目無關，所有網格的扭曲度均在0～0.4之間，網格的長寬比均在5：1之間，網格質量良好。

1.3 計算方法

主要模型設置如表2所示。氧化劑入口的邊界條件為質量流量進口，爐膛出口為壓力出口，爐膛壁面按標準壁面函數處理，壁面溫度設為423K，對流項采用一階迎風差分格式，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法。

表2 主要模型設置

本文穩態計算的收斂判定依據為：（1）能量方程殘差達到10-6數量級，其余各項殘差達到10-3數量級；或（2）當爐膛內部最高溫度、爐膛出口平均溫度和氧氣質量分數等隨迭代步數變化100步，其相對值的變化都小于10-2[6]。

2 正交試驗計算工況

2.1 正交試驗法簡介

在解決實際問題時，我們經常遇到一個問題受多個因素影響的情況，此時我們需要知道哪些因素重要，哪些因素不重要；每個因素取哪個水平好；每個因素依什么樣的水平組合起來會得到最優解。此時最簡單的方法是進行全面試驗，即把每個因素的水平所有可能的組合都做一遍，該方法可以分析各因素的效應、交互作用，也可選出最優水平組合，但全面試驗所包含的水平組合數較多、工作量大，在有些情況下無法完成，比如試驗因素有5個、每個因素的水平數有4個的全面試驗時的試驗次數為45即1024次。

利用正交性原理與數理統計學知識，從大量的試驗點中挑選出有代表性和典型性的試驗來代替全面試驗，應用“正交表”科學合理地安排試驗，將使問題變得簡單且易于解決。正交試驗雖不可能像全面試驗那樣對各因素效應、交互作用——分析，甚至當交互作用存在時有可能出現交互作用的混雜，但正交試驗可以運用極差分析法、方差分析法和顯著性水平檢測尋求到最優水平組合[7]。

2.2 無焰燃燒的正交模擬

雙旋流燃燒器的五個因素，即內旋流葉片直徑、氧化劑的軸向分速度、內旋流數、外旋流數和霧化角等的四水平如表3所示。定義燃燒因子θ：

其中，Tmax為爐膛最高溫度，Tavg為爐膛體平均溫度。燃燒因子θ越小，溫度場分布越均勻，燃燒穩定性越好。

根據L16(45)正交表的各工況的燃燒因子θ的數值試驗的結果如表4所示。

表3 雙旋流燃燒器的因素及水平

表4 正交模擬試驗結果

2.2.1 極差分析

數值計算的極差如表4所示，可以看出極差的大小關系為RC＞RA＞RB＞RD＞RE，即影響燃燒因子的最主要因素是內旋流數；影響燃燒因子的次要因素是內旋流葉片內徑；影響燃燒因子的最次要因素是軸向分速度、外旋流數和霧化角。這是因為內旋流數與內旋流葉片內徑(燃油噴射位置和氧化劑氣流間距)在燃料與氧化劑的混合過程中起決定性作用，內徑越小，通過高速氧化劑的卷吸作用，以及內旋流的攪拌混合作用，燃料與氧化劑混合更快，燃料在到達爐膛中心之前更早接觸氧化劑，燃燒更完全，燃燒因子越小。軸向分速度在爐膛動力場中起到卷吸程度大小以及點火熄火極限作用，是影響爐膛燃燒因子的次要因素。射流的外旋流數和霧化角對流場的影響相對較小，對爐膛燃燒因子的影響作用不大。

數值計算的極差分析如圖3所示,可以看出，以爐膛燃燒因子θ最小確定的最優水平組合為A1B3C4D4E3，對于最優解進行建模計算，通過模擬計算可得此時的最高溫度為1351K，爐膛內平均溫度為1102K，燃燒因子θ為18.43%，這與正交數值試驗的結果相一致。

圖3極差分析圖

圖4 是最優解的爐膛x-y平面的溫度等值線分布圖。可以看出，此時爐膛內高溫區域開始往下游移動，并且分布較為均勻。

圖4爐膛x-y平面的溫度等值線分布圖

圖5 是最優解的爐膛x-y平面的速度等值線分布圖。可以看出，此時爐膛前墻壁面速度較低，初步認為應該在此處產生了外部回流區。爐膛中部有處位置速度較低，應該在此處產生了內部回流區。內外回流區的建立則有利于燃燒產物再混合稀釋反應物，并且對反應物進行預熱，有利于無焰燃燒的形成。

圖5 爐膛x-y平面的速度等值線分布圖

圖6爐膛x-y平面的氧氣摩爾分數等值線分布圖

圖6 是最優解的爐膛x-y平面的氧氣摩爾分數等值線分布圖。可以看出，氧氣摩爾分數在爐膛上游明顯大于爐膛下游，說明爐膛內燃燒區域從上游向下游移動，使整個爐膛內的燃燒主要發生在爐膛中部，此時有利于燃燒反應將熱量傳遞給爐膛內壁，提高爐膛內的輻射換熱，也側面證實了爐膛的溫度等值線分布的合理性。并且經過計算得出此時爐膛出口的氧氣平均質量分數為0.02，說明燃料得到充分燃燒。

2.2.2 方差分析

方差分析法可以判斷數據的波動主要是由試驗誤差引起的還是試驗條件的改變引起的，結合F分布可以對試驗因素的顯著性進行分析。

數值模擬的方差分析如表5所示，可以看出，A內旋流葉片內徑、C內旋流數和D外旋流數的變動對燃燒因子的影響是絕對的，三者貢獻率總和占據78.73%。而B軸向分速度和E霧化角對燃燒因子的影響較小，尤其是E霧化角,其貢獻率只有6%，對燃燒因子的變動幾乎不起作用。

表5 正交試驗方差分析表

數值計算沒有進行重復試驗，根據各列中偏差平方和最小者（因素E的偏差平方和）來代替誤差平方和的原則，取其一半代替隨機誤差的偏差平方和，誤差自由度與其相同[8]。對因素A、B、C、D、E做顯著性水平檢驗，若Fj＞Fα，就有（1-α）×100% 的把握說明j列對應的因素對結果有顯著影響，其中α表示顯著性水平，對于不同的顯著性水平α，有不同的F分布表，常用的有α=0.01，α=0.05，α=0.1。為了區別顯著性的程度，當Fj＞F0.01（fj，fe） 時，就有（1-0.01）×100% 即99%的把握說第j列對應

因素的改變對試驗結果有高度顯著的影響，記作☆☆☆；F0.01（fj，fe） ＞Fj＞F0.05（fj，fe） 時，就有95%的把握說j列對應因素的改變，對試驗結果有顯著的影響，記作☆☆；F0.05（fj，fe） ＞Fj＞F0.1（fj，fe） 時，就有90%的把握說j列對應因素的改變，對試驗結果有一定影響，記作☆；若F0.1（fj，fe） ＞Fj，則我們就有90%的把握說j列對應因素的改變，對試驗結果沒有影響[9]。查F檢驗表可得：F0.01(3,3)=29.46，F0.05(3,3)=9.28，F0.1(3,3)=5.39。通過與F值的對比可以得到A內旋流葉片內徑、C內旋流數和D外旋流數是影響燃燒因子的主要因素，而B軸向分速度和E霧化角對燃燒因子影響不大。即顯著性分析與方差分析結果相吻合。

綜上所述，極差分析法與方差分析法在因素B軸向分速度和D外旋流數的作用大小上體現了不同的權重，初步分析是試驗誤差所致，但是A內旋流葉片內徑和C內旋流數在兩種方法上均體現出了絕對的權重優勢，故在分析影響爐膛燃燒因子時因素A內旋流葉片內徑和C內旋流數是主要考慮因素，而B軸向分速度和D外旋流數是次要考慮因素，因素E霧化角作用可以忽略不計。

3 結論

（1）內旋流葉片內徑和內旋流數是影響燃燒因子的主要因素；軸向分速度和外旋流數是影響燃燒因子的次要因素；霧化角對燃燒因子的影響不大。

（2）當內旋流葉片內徑、內旋流數、軸向分速度、外旋流數和霧化角選取最佳值組合時，獲得的燃燒因子具有最小值，爐膛燃燒室溫度場分布均勻，燃燒穩定性較好，這再次印證了正交試驗的優越性，對于降低工業鍋爐NOx排放具有一定的指導意義。

崇明區節能降碳培訓暨2018年節能大會順利召開

日前，崇明區召開節能降碳培訓暨2018年節能大會。全區節能條線各鄉鎮、園區、委辦局、重點用能單位逾60人參加會議。會上，崇明區政府通報了崇明區“十三五”前期節能降碳工作完成情況，并部署下階段節能降碳重點工作，要求進一步強化責任意識，努力克服不利因素，確保節能降碳各項任務抓出成效。同時，通報了崇明區2018年節能降碳先進單位和崗位能手評比情況，鼓勵各單位向先進單位學習，認真落實各項工作措施和目標責任，確保實現年度節能降碳目標。會上，上海市節能減排中心開展了節能降碳專題培訓，解讀上海市和崇明“十三五”節能降碳重點工作，并對崇明區節能降碳工作面臨的形勢及后續工作提出建議：嚴控能耗總量，加快產業結構轉型；落實相關重大專項任務；積極開展節能降碳試點示范。