非對稱射流噴嘴MILD氧燃燒模擬研究

伍永福，武殿斌，劉中興，董云芳

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非對稱射流噴嘴MILD氧燃燒模擬研究

伍永福1，武殿斌1，劉中興2，董云芳2

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010； 2.內蒙古自治區白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室，內蒙古 包頭 014010）

MILD氧燃燒技術是由MILD燃燒技術發展而來的一種更加節能減排的技術。為了找到一種更有利于MILD氧燃燒實現的噴嘴結構，本文設計了一種單側傾斜的喇叭口噴嘴，通過改變非對稱噴嘴喇叭口開口方向設置了4種不同的噴嘴結構，在各種參數相同的條件下進行了數值模擬研究，并通過速度場與渦量場、組分場、溫度場幾個方面對非對稱噴嘴進行了對比分析。結果表明：非對稱射流噴嘴可以將射流氣體打散成諸多小體積微團，不同噴嘴結構中大動量噴嘴傾斜角方向影響流場的偏移方向，且影響回流區域的分布；其中噴嘴傾斜面向外放置的噴嘴結構打散氣流產生的小體積微團擴散效果最好，CO體積分數最小，回流煙氣對O2稀釋效果最好，溫度分布最均勻，最有利于MILD氧燃燒的實現。

MILD氧燃燒；非對稱射流；噴嘴結構；速度場；渦量場；組分場；溫度場；數值模擬

MILD（moderate or intense low-oxygen dilution）燃燒是在低氧稀釋狀態下的一種溫和的燃燒模式[1-4]，它是一種高效率、低污染的環保型燃燒技術[5-6]。國內外已經對MILD燃燒進行了大量的研究，在其燃燒條件、燃燒機理、燃燒特點等方面取得很大突破，但對于氧氣助燃的MILD燃燒的研究相對較少。

MILD氧燃燒技術是由MILD燃燒技術發展而來的一種更加節能減排的技術，它是將MILD燃燒與氧燃燒相結合的技術，其燃燒過程沒有空氣中氮氣的參與，可以大大提高燃燒效率及減少燃燒過程NO的排放，燃燒后煙氣中CO2體積分數高，易于回收處理，可以大大降低污染物的排放，同時可以擴展燃燒火焰結構，均勻火焰空間的溫度分布，使爐膛整體溫度提高、輻射傳熱增強，提高材料及零件的加熱質量，為全氧燃燒技術在工業加熱爐上的應用提供理論基礎。

本文在實現空氣MILD燃燒的基礎上，將空氣變為氧氣進行研究，并根據文獻[7]中非對稱射流可以產生更大的煙氣循環的結論設計了一種非對稱射流噴嘴，并進行了不同的模擬研究，找到最有利于實現MILD氧燃燒的結構。

1 研究內容及方法

1.1 噴嘴結構介紹

圖1是本文所使用的非對稱射流噴嘴結構。采用單側傾斜喇叭型開口的噴嘴結構設計，燃料和助燃氣體的兩只噴嘴為對稱結構，實驗中也是呈對稱放置，但由于流量的不同，使噴入的氣速不對稱，形成非對稱射流。本文選取的非對稱射流噴嘴的直徑為 3 mm，噴嘴間距為10 mm，噴嘴角度為11°。

1.2 模型介紹

本文使用ANSYS軟件中的GM軟件建立模型，然后使用Mesh軟件劃分網格，最后導入Fluent軟件中進行模擬研究。Fluent軟件中選擇的模型有：能量方程、RNG湍流模型、通用有限速率組分傳輸模型、P-1輻射傳熱模型。圖2是由ANSYS軟件中的GM軟件建立的全氧加熱爐的物理模型。尺寸為長2 000 mm，寬200 mm，高200 mm。

圖2 全氧加熱爐物理模型

網格的劃分采用ANSYS自帶前處理軟件Mesh。在三維流體模擬中，由于六面體網格可以提高計算精度和加快收斂，因此本文進行網格劃分時選用六面體網格。另外，對于燃燒器的重要部位噴嘴結構，在劃分噴嘴的網格時進行了加密。最終 網格總數約為60萬~70萬。燃燒爐的網格劃分如 圖3所示。

本文采用4種不同的-模型在相同條件下進行了燃燒模擬，并將模擬結果與同條件下的實驗結果進行對比，結果如圖4所示。4種模型包括Standard模型、RNG模型、Realizable模型和修正Standard模型，其中修正Standard模型是根據文 獻[8]將Standard模型中的ε1值修正為1.6。由于實驗時爐膛封閉性較差，因此實驗結果與模擬結果有些誤差，但分布規律基本相同。將模擬結果與實驗結果進行對比，發現RNG湍流模型更接近實驗結果。因此在后續模擬中均選用RNG 湍流模型。

本文所使用的燃燒模型為通用有限速率模型（generalized finite-rate model），這種模型適合求解預混、部分預混以及非預混湍流燃燒，適用于本文的非預混燃燒模擬，且化學反應機理由用戶自己定義。本文使用丙烷-氧氣兩步反應作為模擬中的反應機理：

2C3H8+7O2→6CO+8H2O (1)

2CO+O2→CO2(2)

目前常用輻射傳熱模型有：P-1輻射模型、DO （discrete ordinates）輻射模型、DTRM模型。由于換熱方程十分復雜，通常要通過輻射傳熱換熱模型簡化求解。本文采用P-1輻射模型，這種模型比較簡單，適合擴散燃燒的數值模擬計算，比較適合MILD氧燃燒的數值模擬研究。

2 工況介紹

本文使用丙烷與氧氣進行MILD氧燃燒模擬研究，丙烷完全燃燒的反應機理為

C3H8+5O2→4H2O+3CO2(3)

其中丙烷與氧氣的體積比為1:5，本文采用丙烷流量為1 m3/h，氧氣流量為5 m3/h進行MILD氧燃燒模擬。

根據非對稱射流噴嘴單側傾斜喇叭口的特點，設置了4種工況，不同工況的噴嘴結構如圖5所示。圖5中：工況1是將喇叭口傾斜面向內放置，上噴嘴為丙烷噴嘴，下噴嘴為氧氣噴嘴；工況2和工 況3則是將喇叭口傾斜面同向放置，但是由于丙烷射流和氧氣射流速度存在差異，因此設置兩種工況；工況4則為喇叭口傾斜面向外放置。

3 結果與分析

3.1 速度場與渦量場

將模擬得到的數據進行處理后得到了不同工況下的速度場（圖6）、速度矢量圖（圖7）和渦量等值線圖（圖8）。

圖7 爐膛中心面速度矢量圖

圖8 爐膛中心面渦量等值線圖

由圖6可以看出，4種工況下的射流均為偏置分布狀態，工況1與工況3向上偏置，工況2和工況4則是向下偏置。這是由于單側傾斜的喇叭口噴嘴結構造成的，而且對比發現，流場的偏移方向主要由大動量的噴嘴（氧氣）的放置方向決定。

由圖7可以看出，在4種工況下產生的偏置氣流均在爐膛內形成了回流區，但是由于氣流分布不同，回流區域也不相同。工況1與工況3中氣流向上偏置分布，爐膛內上半部分氣流流向爐膛尾部，沒有發生回流，而在爐膛下半部分則形成了回流區；工況2和工況4的回流區則是位于爐膛上半部分。這說明流場的偏置方向影響爐膛內回流區的分布。

由圖8可以看出：兩股射流在單側傾斜噴嘴中大動量噴嘴的作用下偏置，并在混合處迅速打散成諸多小體積微團，形成渦量密集區；而2種氣流以無數小體積微團的形式在爐膛內反應，使燃燒變得溫和，火焰鋒面消失，形成MILD燃燒；工況3和工況4的打散作用最為明顯，形成的渦量密集區多于工況1和工況2，說明這兩種工況下最有利于達到MILD狀態；而工況4這種噴嘴結構產生的偏置作用一直擴散到爐膛尾部，煙氣回流大于工況3，更有利于MILD氧燃燒的實現。

3.2 組分場

將模擬得到的數據進行處理后得到了不同工況下的CO體積分數（圖9）、中心線上CO體積分數分布（圖10）、O2體積分數（圖11）和中心線上O2體積分數分布（圖12）。

圖10 爐膛中心線上CO體積分數分布

由圖9可以看出，爐膛內CO體積分數分布也受到噴嘴方向的影響，偏置方向與流場方向一致，且高體積分數區域只存在于射流混合處，兩股射流發生反應產生CO，后半段爐膛中CO體積分數很低。

由圖10可以看出：4種工況下在0.1 m處產生CO，然后呈先降低后升高再降低的趨勢。這是由于剛開始位置燃燒反應不完全，CO體積分數最高，隨后位置的燃燒反應完全，CO體積分數降低，而后又由于擴散和偏置等影響，又發生劇烈反應，產生高溫區，生成CO，在爐膛后半段隨著回流、擴散等作用CO持續下降至很低水平；工況4下CO體積分數變化最平穩，高體積分數CO分布區域最小，且在爐膛尾部的CO體積分數幾乎為0，根據文獻[9]中的MILD燃燒標準得出，工況4最有利于MILD氧燃燒的實現。

圖12 爐膛中心線上O2體積分數分布

由圖11可以看出：高氣速的O2從下端噴嘴射出，紅色富氧區向著噴嘴傾斜角方向擴散到爐膛中，這是由非對稱射流噴嘴結構中單傾斜角度的設計決定的；4種工況下的O2均呈現偏置分布，靠近丙烷噴嘴一側的O2被消耗，參與燃燒反應；O2體積分數不同是由于爐膛內回流作用卷吸回的煙氣對O2體積分數稀釋程度不同所致。

由圖12可以看出：工況2和工況4下O2體積分數均勻分布且都低于10%；而工況1和工況3的O2體積分數則是先升高后降低，在400 mm處降至10%以下，隨后趨于平穩，這是因為噴嘴對氧氣射流的偏置作用（即噴嘴的傾斜角會影響射流向該方向偏移）使工況1和工況3的氧氣射流向中心線處偏置，工況2和工況4則遠離中心線；但在射流密集區以外的爐膛中，O2體積分數均達到了10%以下。根據文獻[10]中提到的O2體積分數低于10%為達到MILD燃燒的標準之一，發現4種工況的O2體積分數均達到MILD燃燒標準。

通過圖11和圖12的對比并綜合前文的速度分布發現，工況4的噴嘴結構產生的煙氣回流對O2體積分數稀釋的最為明顯，最有利于實現MILD氧燃燒。

3.3 溫度場

將模擬得到的數據進行處理后得到了不同工況下溫度分布（圖13）和中心線上溫度分布（圖14）。由圖13和圖14可以看出：工況1丙烷氣流與氧氣氣流混合后向上方偏置，高溫區域也隨著向上偏移至爐膛上壁形成高溫區；工況2的高溫區域則是向下偏移至爐膛底部，但卻沒有向更大的區域擴散；工況3的高溫區域與工況1基本相同，只是擴散的區域略大于工況1；工況4的高溫區幾乎覆蓋了 爐膛的前半段，這說明工況4的噴嘴結構可以使 射流混合產生的小微團擴散到爐膛后端并進行燃燒反應。

圖14 爐膛中心線上溫度分布

表1為爐膛內溫度波動比值。表1中：平均溫度是指爐膛平均溫度；溫度波動比值是根據文獻[10]中的溫度波動比值公式計算得出，其值越小表示爐膛內溫度分布越均勻。由表1可見：工況2下的平均溫度最小，這是因為在工況2下的燃燒只發生在射流區域內，沒有向更大的區域擴散，使得高溫區很小，同時也使整體溫度降低；工況4中的高溫區擴散到幾乎充滿爐膛前半段，這也使得爐膛內整體溫度升高；工況4的溫度波動比值最小，這說明該工況下溫度分布最均勻，最有利于MILD氧燃燒的實現。

表1 爐膛內溫度波動比值

Tab.1 The temperature fluctuation ratio in furnace

綜合分析圖8、圖9、圖11和圖13發現：4種不同的噴嘴結構產生了不同的燃燒情況，大動量的噴嘴傾斜角決定了爐內氣流、CO、O2以及高溫區的分布方向，而這種偏置在爐膛內形成回流區，煙氣回流使O2體積分數降低；兩股射流混合時相互作用形成大量小微團，進行燃燒反應，產生CO，而這些小微團又由于偏置和回流的影響擴散到爐膛后方，反應也隨之擴散；工況4的噴嘴結構產生的效果最好，最有利于實現MILD氧燃燒。

4 結 論

1）在各種參數相同的條件下對4種結構的非對稱射流噴嘴MILD氧燃燒進行了數值模擬研究，通過觀察其速度分布及渦量等值線圖發現，非對稱射流噴嘴可以將射流氣體打散成諸多小體積微團，有利于形成MILD燃燒，不同噴嘴結構中大動量的噴嘴傾斜角方向影響流場的偏移方向，且影響回流區域的分布。

2）通過對4種工況的綜合對比分析發現，噴嘴傾斜面向外放置的噴嘴結構打散氣流產生的小體積微團擴散效果最好，CO體積分數最小，回流煙氣對O2稀釋效果最好，溫度分布最均勻，最有利于MILD氧燃燒的實現。

［1］ 劉曉東. 常溫空氣MILD燃燒實驗研究與火焰面模型的模擬[D]. 武漢: 華中科技大學, 2011: 35. LIU Xiaodong. Experimental study of MILD combustion at ambient temperature and Simulation of flame surface model[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011: 35.

［2］ WüNNING J A, WüNNING J G. Flameless oxidation to reduce thermal no-formation[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 1997, 23(1): 81-94.

［3］ CAVALIERE A, JOANNON M D. Mild combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30(4): 329-366.

［4］ KATSUKI M, HASEGAWA T. The science and technology of combustion in highly preheated air[J]. Symposium on Combustion, 1998, 27(2): 3135-3146.

［5］ TSUJI H, GUPTA A, HASEGAWA T, et al. High temperature air combustion: from energy conservation to pollution reduction[J]. Environmental & Energy Engi- neering, 2002, 28(5): 945-953.

［6］ 李鵬飛. 氣體燃料MILD燃燒的實驗和模擬研究[D]. 北京: 北京大學, 2013: 28. LI Pengfei. Experimental and numerical investigation of the MILD combustion of gaseous fuels in a laboratory-scale furnace[D]. Beijing: Peking University, 2013: 28.

［7］ GUPTA A. Flame Characteristics and challenges with high temperature air combustion[C]//Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference. Miami Beach, Florida, 2000.

［8］ LI P, WANG F, TU Y, et al. Moderate or intense low-oxygen dilution oxy-combustion characteristics of light oil and pulverized coal in a pilot-scale furnace[J]. Energy & Fuels, 2014, 28(2): 1524-1535.

［9］ 汪延鵬. 渦團耗散模型A值對模擬精度的影響[D]. 廈門: 廈門大學, 2014: 48. WANG Yanpeng. The impact of the model constant A of the eddy dissipation model on simulation[D]. Xiamen: Xiamen University, 2014: 48.

［10］ 伍永福, 趙光磊, 劉中興, 等. MILD燃燒評定標準驗證實驗[J]. 熱力發電, 2018, 47(1): 106-111. WU Yongfu, ZHAO Guanglei, LIU Zhongxing, et al. Verification experiment for MILD combustion evaluation standards[J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(1): 106-111.

Simulation research on MILD oxygen combustion of asymmetric jet nozzle

WU Yongfu1, WU Dianbin1, LIU Zhongxing2, DONG Yunfang2

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources, IMUST, Baotou 014010, China)

MILD oxygen combustion technology is a more energy-saving and emission-reducing technology developed from the MILD combustion technology. In order to find a nozzle structure that is more conducive to MILD oxygen combustion, this article has designed a unilateral inclined bell mouth nozzle. Four different nozzle structures were set up by changing the direction of the opening of the asymmetric nozzle horn, and numerical simulations were performed under the same conditions for various parameters. Moreover, from the aspects of speed field, vorticity field, component field and temperature field, the asymmetrical nozzles were analyzed. The results show that, the asymmetric jet nozzles can disperse the jet gas into many micelles with small size. The direction of inclination of the large momentum nozzles in different nozzle structures affects the direction of the flow field and the reflow area. For the nozzle with structure that the inclined surface placed outwards, the diffusion of small size micelles resulting from the dispersion of the airflow is the best, the CO concentration is the minimum, the reflux flue gas has the best O2 dilution effect, and the temperature distribution is the most uniform, so nozzle with this structure is most beneficial to the realization of MILD oxygen combustion.

MILD oxygen combustion, asymmetric jet, nozzle structure, velocity field, vorticity field, component field, temperature field, numerical simulation

National Natural Science Foundation of China (51464041); Inner Mongolia Higher Education Research Project (NJZZ17161)

伍永福(1974—)，男，博士，副教授，主要研究方向為復雜熱過程仿真模擬優化，wyf07@imust.cn。

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201805093

伍永福, 武殿斌, 劉中興, 等. 非對稱射流噴嘴MILD氧燃燒模擬研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(2): 59-64. WU Yongfu, WU Dianbin, LIU Zhongxing, et al. Simulation research on MILD oxygen combustion of asymmetric jet nozzle[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 59-64.

2018-05-08

國家自然科學基金項目(51464041)；內蒙古自治區高等學校科學研究項目資助(NJZZ17161)

劉中興(1963—)，男，博士，教授，16085545@qq.com。

（責任編輯 馬昕紅）