燃?xì)?空氣雙分級(jí)低氮燃燒器數(shù)值模擬

侯翠翠， 朱禹洲， 海明璋， 張青鵬

(北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所， 北京 100011)

1 概述

近年來(lái)，霧霾已成為危害公共健康的罪魁禍?zhǔn)祝瑪?shù)據(jù)表明，PM2.5是形成霧霾的主要原因之一，當(dāng)重污染發(fā)生時(shí)，PM2.5與氮氧化物(NOx)的環(huán)境質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)、同步變化的特征[1]。鑒于如此嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)，城市內(nèi)氣體燃料燃燒產(chǎn)生的NOx逐漸成為國(guó)家環(huán)保部門(mén)關(guān)注的焦點(diǎn)，GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了更為嚴(yán)格的燃?xì)忮仩tNOx排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于能源工作者來(lái)說(shuō)，如何改善燃?xì)馊紵匦裕档蚇Ox排放水平，提高空氣環(huán)境質(zhì)量是其所面對(duì)的重要任務(wù)，也具有重要的現(xiàn)實(shí)與研究意義。

目前國(guó)內(nèi)外采用較多的低氮燃燒技術(shù)主要包括分段燃燒、濃淡燃燒、煙氣內(nèi)循環(huán)、煙氣外循環(huán)等多項(xiàng)內(nèi)容[1-7]。為了獲得更低的氮氧化物排放，本文主要對(duì)采用燃?xì)?空氣雙分級(jí)的分段燃燒及煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種新型低氮燃燒器，應(yīng)用FLUENT數(shù)值模擬分析方法研究燃?xì)?空氣雙分級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)燃燒器的燃燒和NOx生成特性的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)燃燒器提供參考依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)與研究方法

① 新型低氮燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型低氮燃燒器的設(shè)計(jì)主要依托分級(jí)燃燒的低氮燃燒技術(shù)，采用燃?xì)?空氣雙分級(jí)的設(shè)計(jì)方案，燃燒器頭部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。燃?xì)庠谇昂筝S向方向進(jìn)行兩級(jí)分配，兩級(jí)燃?xì)夥謩e以不同方向噴射(見(jiàn)圖1)。一級(jí)燃?xì)庋刂行娜細(xì)夤軓较蚍较蚋咚偕淙耄細(xì)馀c流經(jīng)此處的一級(jí)空氣混合，經(jīng)點(diǎn)火器點(diǎn)燃，燃燒形成的火焰所處的區(qū)域稱(chēng)為一級(jí)燃燒區(qū)；二級(jí)燃?xì)鈬娍滓砸欢ň嚯x圍繞中心燃?xì)夤芤原h(huán)型布置，燃?xì)庋刂髁鬏S向射入，與外圍直流風(fēng)(二級(jí)空氣)混合，二級(jí)混合氣由一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生的火焰或高溫?zé)煔庖迹瑥亩纬啥?jí)燃燒區(qū)。燃燒器設(shè)計(jì)有空氣分配板結(jié)構(gòu)，將空氣進(jìn)行分級(jí)。空氣分配板內(nèi)部設(shè)計(jì)布置著一定角度的葉片，形成第一級(jí)流道，葉片給流經(jīng)的空氣施加一個(gè)徑向流速，形成旋流風(fēng)，降低一級(jí)燃?xì)庠谳S向方向的流速，更好地與一級(jí)燃?xì)饣旌闲纬尚鲄^(qū)，達(dá)到穩(wěn)定火焰的作用。絕大部分空氣流經(jīng)空氣分配板的外緣射入，形成二級(jí)空氣，為燃?xì)馔耆紵峁┏渥愕闹紕？諝夥峙浒迳显O(shè)計(jì)有內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，主要是用于進(jìn)一步劃分一級(jí)空氣與一級(jí)燃?xì)猓纬擅鞔_、穩(wěn)定的一級(jí)燃燒區(qū)。

圖1 燃燒器頭部結(jié)構(gòu)

② 研究方法

燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投入大，需耗費(fèi)大量的人力物力，CFD在燃燒器的輔助設(shè)計(jì)[8]138-154，505-514[9]83-147具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為設(shè)計(jì)研發(fā)的有力工具。本文采用CFD軟件FLUENT對(duì)低氮燃燒器進(jìn)行全尺寸三維數(shù)值模擬，整體三維模型見(jiàn)圖2。為保證網(wǎng)格計(jì)算的合理性，采用網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。燃燒器的燃燒模型的主要參數(shù)列表見(jiàn)表1。x軸由燃?xì)馊肟谥行拇怪敝赶蚣埫嫦騼?nèi)，為水平方向。

圖2 低氮燃燒器整體三維模型

表1 主要參數(shù)列表

③ 模型驗(yàn)證

為提高數(shù)值模擬模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)以1.4 MW臥式三回程鍋爐配套的新型設(shè)計(jì)低氮燃?xì)馊紵鳛轵?yàn)證對(duì)象，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。滿(mǎn)負(fù)荷下，隨著過(guò)剩空氣系數(shù)的增大，NOx質(zhì)量濃度降低，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。在相同條件下，兩者的平均相對(duì)誤差較小，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，此數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)NOx生成量變化趨勢(shì)。

圖3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 燃?xì)?空氣雙分級(jí)技術(shù)分析

3.1 燃?xì)馀浔葘?duì)爐膛溫度及NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

燃燒器的一級(jí)燃燒區(qū)處于燃燒器頭部附近，具有穩(wěn)燃火焰及分級(jí)的雙重作用，為了形成穩(wěn)定的分區(qū)火焰，且避免一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生局部高溫，一級(jí)燃?xì)庹伎側(cè)細(xì)饬康捏w積比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)一級(jí)燃?xì)馀浔?不應(yīng)過(guò)大。考慮到以上情況，選取一級(jí)燃?xì)馀浔确謩e為10%、20%、30%進(jìn)行模擬，研究一級(jí)燃?xì)馀浔葘?duì)于爐膛內(nèi)部燃燒與NOx生成特性的影響，具體模擬工況見(jiàn)表2(表2中，燃?xì)饬髁烤鶠閴毫?01.325 kPa，溫度20 ℃標(biāo)準(zhǔn)工況下的流量)。模擬時(shí)，一級(jí)空氣占總空氣量的體積比為10%，內(nèi)筒的直徑為140 mm。工況1：一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.3；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.65；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.43。工況2：一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.2；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.6；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.4。工況3：一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.3；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.65；一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.43。當(dāng)一級(jí)燃?xì)馀浔茸兓瑖娍谌細(xì)馑俣燃叭紵隣顟B(tài)會(huì)有所區(qū)別，一級(jí)燃?xì)饣鹧嫒紵奈恢糜星昂髤^(qū)別。由于火焰燃燒將產(chǎn)生高溫，故在模擬中，采用溫度來(lái)描述火焰所處區(qū)域。

表2 模擬工況

工況1中軸線(xiàn)的溫度分布見(jiàn)圖4，其中中軸線(xiàn)如圖2所示，以原點(diǎn)為起點(diǎn)，與z軸重合。以往學(xué)者研究表明[9]55-62在1 700 K以下，熱力型NOx生成量很少，當(dāng)溫度在1 700 K以上時(shí)，溫度每增加100 K，反應(yīng)速度增大6～7倍， NOx生成量迅速增加，溫度對(duì)NOx的生成有決定性的影響。故選取1 700 K以上區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)域，溫度超過(guò)1 700 K部分溫度越高，或當(dāng)最高溫度相同時(shí)高溫范圍越大，則表明反應(yīng)速度增大，NOx生成量越大。由圖4可知，當(dāng)一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，中軸線(xiàn)除燃燒器出口外，整體處于較均勻的溫度水平且溫度最低，只存在燃燒器出口的高溫區(qū)域，具體位置為z=0.3～0.6 m的范圍內(nèi)，高溫區(qū)域范圍最小，即此時(shí)一級(jí)燃燒區(qū)分布在燃燒器出口附近。當(dāng)一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，燃?xì)饬髁看螅隹诹魉俅螅患?jí)燃?xì)饣鹧嫒紵恢孟蚝笠苿?dòng)，且不完全燃燒的燃?xì)怆S煙氣向爐膛出口方向流動(dòng)，燃燒火焰被拉長(zhǎng)，即高溫區(qū)域向后移動(dòng)，使中軸線(xiàn)上z=0.4～1.2 m的范圍處于高溫狀態(tài)，即一級(jí)燃燒區(qū)向后移動(dòng)。一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，幾乎整體中軸線(xiàn)均處于高溫狀態(tài)，高溫范圍最大。由上分析可知，一級(jí)燃?xì)馀浔仍酱螅罡邷囟瘸霈F(xiàn)的位置越靠后，高溫范圍越大，爐膛內(nèi)部整體溫度水平越高。

圖4 工況1中軸線(xiàn)的溫度分布

工況1中軸線(xiàn)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖5。受溫度分布的影響，一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致低于其他兩種狀態(tài)，其中NOx主要集中在爐膛前部最高溫度的下游，隨著溫度的降低，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)， NOx主要集中在爐膛中部，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體高于一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%的狀態(tài)。一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，NOx主要集中在爐膛中后部，由于其高溫范圍廣，相應(yīng)的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)也最高。

圖5 工況1中軸線(xiàn)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

工況2、3中軸線(xiàn)的溫度分布、中軸線(xiàn)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布分別見(jiàn)圖6～9。可以看出，工況2、3中軸線(xiàn)的溫度分布與工況1相似，工況2、3的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與工況1類(lèi)似，工況2的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較工況1總體較高，這是由于過(guò)剩空氣系數(shù)降低使得爐膛內(nèi)部溫度相對(duì)較高的原因。工況1、3的對(duì)比可以得出，當(dāng)流量變化時(shí)，變化趨勢(shì)相似，由此可見(jiàn)，一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%的設(shè)計(jì)，在降氮方面適用于過(guò)剩空氣系數(shù)及流量變化的情況。

圖6 工況2中軸線(xiàn)的溫度分布

圖7 工況2中軸線(xiàn)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8 工況3中軸線(xiàn)的溫度分布

圖9 工況3中軸線(xiàn)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.2 一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)溫度及NOx的影響

燃燒器采用分級(jí)燃燒技術(shù)的主要目的是使燃?xì)夥稚⒐┙o，同時(shí)使一、二級(jí)空氣與燃?xì)獾幕旌媳壤侠恚苊猱a(chǎn)生局部高溫區(qū)，以此來(lái)降低NOx的生成。一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)決定著一、二級(jí)燃燒過(guò)程的進(jìn)行狀態(tài)，決定著一級(jí)燃燒過(guò)程中NOx的生成，同時(shí)對(duì)二級(jí)燃燒過(guò)程中NOx的生成也具有很大影響，所以最佳的一次過(guò)剩空氣系數(shù)的選取，應(yīng)既保證一級(jí)燃燒具有較低的NOx水平，又要防止二級(jí)燃燒生成大量的NOx，二者相互配合，使燃燒過(guò)程具有較好的NOx水平。

保證一級(jí)燃?xì)馀浔?0%不變，內(nèi)筒的直徑為140 mm，過(guò)剩空氣系數(shù)為1.2，總?cè)細(xì)饬髁繛?60 m3/h時(shí)，通過(guò)一級(jí)空氣比例變化調(diào)整一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)，燃燒區(qū)最高溫度隨一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)變化見(jiàn)圖10。一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)從0.33向0.7增大時(shí)，一級(jí)燃燒區(qū)的最高溫度由2 166 K降低到2 085 K；一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.7～1.65時(shí)，溫度先增大至2 100 K后降低至約2 085 K；一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)從0.33逐漸增大到1.65時(shí)，二級(jí)燃燒區(qū)的溫度呈降低趨勢(shì)，整體溫度水平相較一級(jí)燃燒區(qū)較低，對(duì)于NOx生成影響作用弱于一級(jí)燃燒區(qū)，一級(jí)燃燒區(qū)的狀態(tài)為本燃燒器NOx生成的主要影響因素。

由圖10分析可得，當(dāng)一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.33時(shí)，一級(jí)混合氣為特濃混合氣，一級(jí)空氣流量低，氣流速度低，燃燒區(qū)域靠近空氣分配板位置，同時(shí)旋流作用低，受內(nèi)筒的作用，火道小，燃燒集中，產(chǎn)生局部高溫，此時(shí)燃燒強(qiáng)度低，易產(chǎn)生大量的CO。一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.7時(shí)，一級(jí)燃燒區(qū)為濃混合氣，此時(shí)空氣流軸向速度加大，一級(jí)燃燒區(qū)向爐膛出口方向移動(dòng)，同時(shí)混合氣偏離化學(xué)當(dāng)量比，一級(jí)燃燒區(qū)處于未完全燃燒狀態(tài)，燃燒溫度最低。一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.16～1.65時(shí)，一級(jí)燃燒區(qū)為稀混合氣，此時(shí)空氣流速軸向流速高，同時(shí)由于旋流作用大，減緩空氣軸向的流速，一級(jí)燃燒區(qū)位置與一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.7 相近，一級(jí)燃燒溫度處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的較低的水平，但一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.16時(shí)，靠近化學(xué)當(dāng)量比，燃燒溫度更高，溫度出現(xiàn)20 K小幅增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停菀装l(fā)生脫火現(xiàn)象，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖10 燃燒區(qū)最高溫度隨一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)變化

一般情況下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1×10-6對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度2.05 mg/m3。取爐膛出口平均NOx質(zhì)量濃度，NOx質(zhì)量濃度隨一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)變化見(jiàn)圖11。結(jié)合圖10溫度變化的情況，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.33時(shí)，NOx質(zhì)量濃度為79 mg/m3左右，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)從0.7增大到1.45時(shí)，NOx質(zhì)量濃度整體處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，NOx質(zhì)量濃度在62 mg/m3上下波動(dòng)，相較一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.33時(shí)降低17 mg/m3左右，降幅明顯；一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.65時(shí)，NOx質(zhì)量濃度有小幅上升，但增幅較小。一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為0.7～1.45時(shí)，NOx質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定，同時(shí)考慮到一級(jí)燃燒區(qū)域的穩(wěn)焰作用，防止脫火現(xiàn)象發(fā)生，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)不宜過(guò)大。

圖11 NOx質(zhì)量濃度隨一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)變化

3.3 內(nèi)筒對(duì)于一級(jí)分級(jí)燃燒的輔助作用

內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是將空氣進(jìn)行嚴(yán)格分區(qū)，促進(jìn)一級(jí)燃?xì)馀c一級(jí)空氣的混合，產(chǎn)生明確的一級(jí)燃燒區(qū)，同時(shí)內(nèi)筒與空氣分配板相結(jié)合組成U形的鈍體，起到穩(wěn)定火焰的作用。保證一級(jí)燃?xì)馀浔?0%，一級(jí)空氣占總空氣量的10%，過(guò)剩空氣系數(shù)為1.2，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)為1.2，總?cè)細(xì)饬髁繛?60 m3/h。現(xiàn)取內(nèi)筒直徑分別為140 mm、145 mm的燃燒頭為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)筒對(duì)于分級(jí)燃燒的輔助作用。zx截面(局部)速度云圖和溫度云圖見(jiàn)圖12，其中速度垂直于zx平面，采用速度來(lái)表征一級(jí)旋流范圍。由圖12a觀察所得，由于內(nèi)筒的存在，氣流以?xún)?nèi)筒為邊界進(jìn)行旋流流動(dòng)，旋流區(qū)域充滿(mǎn)整個(gè)內(nèi)筒區(qū)域。由圖12b可得，燃燒區(qū)域同時(shí)以?xún)?nèi)筒為邊界，呈現(xiàn)出漏斗的形狀，形成一級(jí)燃燒區(qū)。

不同內(nèi)筒直徑下燃燒區(qū)最高溫度和NOx質(zhì)量濃度見(jiàn)表3，內(nèi)筒直徑為145 mm時(shí)，內(nèi)筒直徑大，一級(jí)火道直徑大，相應(yīng)的燃燒區(qū)與旋流區(qū)范圍增大，旋流流量大，即旋流強(qiáng)度大，卷吸的煙氣量大，穩(wěn)焰效果增強(qiáng)。在一級(jí)燃燒區(qū)高旋流區(qū)的作用下，爐膛一級(jí)燃燒區(qū)的高溫?zé)煔鉁囟扔兴档停瑑?nèi)筒直徑為145 mm爐膛最高溫度比內(nèi)筒直徑為140 mm時(shí)降低20 K，NOx質(zhì)量濃度降低4.82 mg/m3。由此可見(jiàn)，增大內(nèi)筒直徑，可以改善一級(jí)燃燒區(qū)的燃燒狀態(tài)，達(dá)到小范圍的降氮及穩(wěn)焰目的。

表3 不同內(nèi)筒直徑下燃燒區(qū)最高溫度和NOx質(zhì)量濃度

4 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了燃?xì)?空氣雙分級(jí)低氮燃燒器，通過(guò)CFD軟件FLUENT建立低氮燃燒器三維數(shù)值模型，并進(jìn)行模型驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)NOx生成量的變化規(guī)律。主要從燃?xì)馀浔取⒁患?jí)過(guò)剩空氣系數(shù)及內(nèi)筒直徑3方面對(duì)燃料-空氣雙分級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，尋求燃燒特性和NOx生成規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：

① 燃?xì)夥旨?jí)對(duì)溫度分布及NOx排放具有重要的影響，當(dāng)一級(jí)燃?xì)馀浔葹?0%時(shí)，火焰分配較為分散，溫度低且高溫區(qū)域較少，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

② 二級(jí)燃燒區(qū)對(duì)NOx生成影響作用弱于一級(jí)燃燒區(qū)，一級(jí)燃燒區(qū)的狀態(tài)為燃燒器NOx生成的主要影響因素。

圖12 zx截平面(局部)速度云圖與溫度云圖(軟件截圖)

③ 一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)宜處于0.7～1.45范圍，考慮到燃燒穩(wěn)定性，一級(jí)過(guò)剩空氣系數(shù)應(yīng)取較小值。

④ 內(nèi)筒直徑適量增大，可以達(dá)到改善一級(jí)燃燒狀態(tài)，降低NOx排放的目的。

⑤ 新型低氮燃燒器的分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有普遍適用性，可在氮氧化物燃燒控制中廣泛應(yīng)用。鑒于燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素較多，燃燒過(guò)程涉及燃燒穩(wěn)定性及安全性的問(wèn)題，燃?xì)馀浔取⒁患?jí)過(guò)剩空氣系數(shù)及內(nèi)筒設(shè)計(jì)需進(jìn)一步研究。