基于微火焰燃燒的新型低氮燃燒器模擬優化

宋佳霖，程星星，孫榮峰，王志強，耿文廣，張興宇，趙改菊，員冬玲，王魯元

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.齊魯工業大學(山東省科學院)能源研究所 能源與動力工程學院，山東 濟南 250014；3.山東省能效與低碳工程實驗室，山東 濟南 250014)

0 引 言

天然氣作為一種高效清潔的能源越來越受業界重視，許多燃煤電廠也加快了“煤改氣”進程。煤炭是我國主要能源，但其燃燒會產生大量污染物，為此我國采取多種手段對能源結構進行調控。煤炭消費從2000年的67.5%降低到2020年的55%，同步降低12.5%；天然氣從2000年的2.8%增長到10%[1]。大力發展天然氣能源能緩解我國能源與環境的矛盾問題，而天然氣鍋爐的“低氮燃燒”是解決污染問題的有效方式[2-5]。近年來，國內外研究機構針對低氮燃燒問題開展大量研究，設計原理包括煙氣再循環、貧燃預混燃燒、旋流燃燒、分級燃燒[6-9]等。王子葉[10]在Chemkin平臺建立了軸向分級預混燃燒室模型，并在溫度1 973 K的燃燒室內研究了當量比、停留時間等對NOx排放量影響，結果表明相比于常規貧預混燃燒，AFS燃燒在高溫區有更低的NOx排放。Ahrens等[11]運用模擬軟件對摻混特性的影響進行了分析，研究表明提高主燃區火焰的摻混均勻度有利于降低NOx排放。

采用高速射流火焰也是控制NOx生成的有效手段。惠鑫[12]研究了穩定射流擴散火焰的燃燒特性，發現燃料稀釋以后火焰面向燃料側移動且火焰的尺寸減小。燃料稀釋降低了燃料濃度，反應區域向燃料側移動，同時提高了燃料進口速度，使氣流加快混合，導致反應區變小，火焰尺寸減小。陳陽等[13]對軸對稱射流火焰燃燒穩定性進行數值模擬，發現適當改變射流入口壓力及速度脈動，可以有效控制燃燒不穩定性。沈燕等[14]對矩形噴口射流火焰的軸向溫度進行研究，發現火焰中心軸向溫度隨自身火焰長度呈三段式分布，第2段火焰溫度最高，NO生成主要集中在該區域。

前人研究多對現有經典燃燒器進行改進，鮮見針對高速射流式燃燒器的研究。現有燃燒器的NOx排放量可達到國家的最新標準30 mg/m3，但燃燒器結構復雜，造價成本過高且可改進空間較小。故本文提出一結構更加簡單的新型高速射流式低氮燃燒器，并運用雷諾時均模擬的方法對該低氮燃燒器在微火焰尺度狀態下的燃燒進行優化模擬，比較了4種口徑下燃燒室內溫度場及NO分布情況，并分析了不同過量空氣系數對燃燒室溫度及污染物排放的影響。

1 數學、物理模型及數值模擬方法

1.1 物理模型與控制方程

本文以一新型高速射流式低氮燃燒器為研究對象，研究了其在微小火焰尺度燃燒狀態下的溫度場及污染物生成情況。燃燒室整體結構示意如圖1所示，燃燒室整體為標準圓柱形結構，直徑為230 mm，整體長度為550 mm，甲烷與空氣從燃燒室一側通入，另一側設為煙氣出口。燃燒器的立體結構如圖2所示，燃燒器俯視圖如圖3所示。燃燒器整體直徑為70 mm，高度為30 mm，整體采用空氣進口與燃氣進口相間的布置方式，大孔為空氣入口，小孔為甲烷入口。該布置方式使燃氣與空氣混合更均勻且將傳統燃燒器的大火焰細化為數股小火焰，不但增大了火焰的散熱面積，降低火焰溫度，還增大了火焰整體直徑，拉長火焰長度使其充滿爐膛，使得爐膛整體溫度分布更加均勻，有效減小了中心火焰高溫區的面積，從而達到控制NOx排放的目的。

圖1 燃燒室模型Fig.1 Burner model

圖2 燃燒器三維模型Fig.2 3D model of burner

圖3 燃燒器俯視圖Fig.3 Top view of burner

本文整個燃燒過程的數值模擬方程有連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分守恒方程，具體為

連續性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分守恒方程：

(4)

式中，ρ為密度，kg/m3；ui為i方向速度分量，m/s；uj為j方向速度分量，m/s；τij為黏性應力；Fi為體積力，N；cp為恒壓比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，K；u為速度，m/s；pr為微元體所受壓力，N；λ為導熱系數；ms為質量流量，kg/s；μ為動力黏度，N·s/m2；s為混合不均勻度；ws為功，W；Qs為熱量，J；t為時間，s；c為氣體濃度，mol/L。

1.2 數值模擬方法

目前，Fluent軟件為湍流流動的燃燒主要提供直接模擬、大渦模擬、雷諾時均模擬等。參考其他模擬可知采用大渦模擬與直接數值模擬的方法在相同網格情況下可以取得更高的模擬精度。由于本文整體燃燒室尺寸偏大，需要網格數量過大，計算周期過長，而雷諾時均模擬能在較少網格下取得較好的模擬結果[15]，且其將雷諾時均模擬方程與湍流輸運方程中的高階未知項用時均量與低階未知項表達，使方程封閉，在預測湍流燃燒上具有一定合理性，符合實際工程要求[16]。綜合考慮，本文決定采用由雷諾時均方程出發的統觀模擬方法。

本文采用雙方程模型中應用最廣泛標準k-ε模型(式(5))。方程模型引進了表示各向同性小尺度渦機械能轉化成熱能速率的脈動動能耗散率ε，具有更高的計算精確度。

(5)

式中，P為壓力，N；U為x方向速度分量，m/s；φ為通用因變量；V為y方向速度分量，m/s；W為z方向速度分量，m/s；Γφ為輸運系數；Sφ為通用因變量的源項。

甲烷燃燒過程復雜，包含眾多組分及反應。限于實際條件，采用簡化的甲烷-空氣兩步化學反應機理，反應方程為

(6)

(7)

反應反應速率分別為

(8)

(9)

式中，k為化學反應速率，mol/(L·s) ；Eα為活化能，J/mol；A為指前因子；R為氣體常數，J/(mol·kg)；n為反應指數。

1.3 邊界條件設定及網格無關性驗證

為了確定模型計算所需的網格數量，分別選取65萬、95萬、150萬的網格數量在一定工況下，通過Fluent對3種網格下燃燒室內中心軸線溫度進行對比分析。結果發現網格數量95萬及150萬時，數據基本重合。因此可認為網格數量95萬時模擬結果已足夠精確，故本文選取95萬網格數量進行模擬計算。

合理的設置邊界條件是保證計算結果準確性及合理性的基礎。在本文的模擬中：

1)燃燒器模型的燃氣與空氣入口都采用速度入口邊界條件，入口溫度設置為300 K，入口水力直徑根據不同入口口徑模型進行設置，入口速度根據不同工況設置，湍流強度為5%。

2)燃燒室出口設為壓力出口，出口壓力為0，為防止回流，設置出口氧氣質量分數為0.233，出口水力直徑與湍流強度分別230 mm和5%。

3)氣固交界面采用無滑移、絕熱邊界。

1.4 模型驗證

為獲得準確的模擬結果，進行了可靠性驗證。鄭建祥等[17]對一新型燃燒器進行了二維數值模擬并進行相關試驗，結果表明其模擬數據與試驗數據具有一致性。本文在其整體模型尺寸基礎上將其擴展為三維模型，并與前者試驗模擬結果進行對比。燃燒室沿軸線方向的溫度分布如圖4所示，可知溫度峰值出現位置及大小基本一致，且溫度總體分布情況也基本趨于一致。可知計算模型具有可靠性。

圖4 本文模擬與文獻中試驗模擬燃燒室內沿軸線方向溫度對比Fig.4 Comparison of the temperature in the combustion chamber along the axial direction and the experimental simulation in the literature

2 計算結果與分析

本節對此新型高速射流式低氮燃燒器在微火焰燃燒狀態下進行了4種孔徑的優化對比模擬，選出最優口徑后分別對不同過量空系數(1.1、1.2、1.3、1.4)的燃燒情況進行數值模擬，分析其對燃燒室內高溫區分布及污染物排放的影響。

2.1 孔徑優化模擬分析

模擬控制甲烷入口口徑2 mm不變，射流速度為50 m/s。分別將空氣入口口徑設置為16、18、20、22 mm，空氣流速設置為18.75、14.81、12.00、9.92 m/s，模擬對比其燃燒溫度分布及NO生成情況。

不同空氣入口口徑的燃燒室中心截面溫度分布如圖5所示。由圖5(a)可知，火焰中心溫度最高，為2 400 K左右，沿中心向外溫度逐漸降低，燃燒室大部分溫度處于1 700 K左右。由圖5(b)可知，中心火焰高溫區呈擴張趨勢，且燃燒室整體溫度提高，大部分區域溫度在1 900 K左右。由圖5(c)可知，相對于前2組孔徑下的燃燒情況，其高溫區域擴張較為明顯，燃燒室整體溫度大多在2 000 K以上。由圖5(d)可知，相較于圖5(c)，其燃燒室整體溫度略有上升，但火焰中心溫度從2 600 K降低到2 500 K。燃燒室溫度更趨于均勻。因此，隨著空氣入口口徑的擴大，火焰中心高溫區域擴張且燃燒室整體溫度呈升高趨勢。這是由于在控制甲烷流量流速不變的情況下，增大空氣進口口徑，降低空氣流速時，燃氣甲烷與空氣混合反應燃燒時間變長，燃燒釋放出更多的熱量，燃燒室整體溫度升高。而當空氣口徑繼續變大時(圖5(d))，空氣流速繼續降低，在燃燒室內雖然反應燃燒時間更長，由于小火焰散熱面積大，中心高溫火焰向四周散熱，導致火焰中心溫度有所降低而燃燒室整體溫度上升。

圖5 不同口徑燃燒室內沿軸線方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution along axial direction of combustion chambers with different diameters

本文在軸線方向上每隔20 mm設置了一個溫度監控點，共計27個點。4種口徑下沿軸線方向上燃燒室內相應溫度分布如圖6所示。可知空氣口徑為20 mm時，燃燒室內沿軸線方向溫度最高；而空氣口徑為16 mm時，燃燒室內沿軸線方向溫度最低。

圖6 不同口徑燃燒室內沿軸線方向溫度分布Fig.6 Temperature distribution along the axial direction of chambers with different diameters

燃燒產生的NO分為燃料型、熱力型、快速型。由于本文模擬研究的新型高速射流式低氮燃燒器使用的是清潔燃料甲烷，不含有氮原子，故無燃料型NO產生，而快速型NO在整個燃燒過程中產生的量相對其他2種可忽略不計。綜上，本文將對熱力型NO的排放情況進行數值模擬。

熱力型NO的產生主要是因為燃燒產生高溫，在高溫環境中，空氣中氮氣被氧化為NO(式(10)、(11))。

N2+O←→NO+N，

(10)

N+O2←→NO+O。

(11)

研究表明，溫度高于1 500 ℃時，燃燒產生的熱力型NO將呈指數增長，溫度每升高100 ℃，NO產生量將增長數倍[18]，其生成速率表達式為

(12)

熱力型NO生成速率不僅與溫度有關，還與空氣在高溫區停留的時間有關，停留時間越長，生成熱力型NO量越高。結合軸線方向NO質量分數分布(圖7)可以發現，空氣入口為16 mm時，產生NO量最低。這是由于甲烷流速相同，孔徑不變，燃料輸入量不變，需要氧量不變，故空氣口徑變小時，其流速變快，高速的空氣在火焰高溫區停留時間更短，熱力型NO生成更少。

圖7 不同口徑燃燒室內沿軸線方向NO分布Fig.7 Distribution of NO along axis direction in chambers with different diameters

通過對比4種口徑下的燃燒室溫度分布與污染物排放情況，發現在甲烷入口口徑2 mm，空氣入口口徑16 mm時，其火焰中心高溫區域面積相對最小，燃燒室內整體溫度分布均勻，NO生成量達到相對較低水平。

2.2 燃燒工況優化

甲烷入口口徑2 mm，空氣入口口徑16 mm時，對過量空氣系數下的燃燒及污染物排放情況進行模擬，燃燒室中心截面溫度分布如圖8所示。可知隨著過量空氣系數增大，火焰中心高溫區面積明顯變小，燃燒室整體溫度呈降低趨勢。這是由于隨著過量空氣系數的增大，通入空氣量更多，空氣流速加快，高速的射流空氣在燃燒室內與甲烷混合反應時間更短，反應區小且高速的空氣本身在流動過程中帶走大量熱量，降低了中心火焰高溫區域面積與溫度。

圖8 不同過量空氣系數下燃燒室內沿軸線方向溫度分布Fig.8 Temperature distribution along the axial direction of combustor under different excess air coefficient

4種過量空氣系數下，燃燒室沿軸線方向的溫度分布如圖9所示，可知過量空氣系數為1.1時，其軸線上溫度最高，達到2 300 K左右；過量空氣系數為1.4時，軸線上溫度整體在1 800 K左右，相對較低，燃燒情況較好。

圖9 不同過量空氣系數下燃燒室內沿軸向方向溫度分布Fig.9 Temperature distribution along the axial direction under different excess air coefficients

4種過量空氣系數下，燃燒室內沿軸線方向NO分布如圖10所示。

圖10 不同過量空氣系數下燃燒室內沿軸線方向NO分布Fig.10 Distribution of NO along the axis direction with different excess air coefficients

由圖10可知，增大過量空氣系數可以有效降低NO生成。過量空氣系數從1.1增大到1.2時，NO排放量從412 mg/m3降低到137 mg/m3。過量空氣系數設置為1.4時，NO排放最低，為52 mg/m3，現了“低氮燃燒”。原因在于甲烷入口流速50 m/s，為高速射流狀態，而過量空系數為1.4時，所需空氣量較大，進流速度(26.25 m/s)達到高速流動狀態，在此工況下整個燃燒處于強湍流狀態，抑制了燃燒室整體溫度，有效減小局部高溫區域的面積，且在該流速下，空氣在火焰中心高溫區停留時間更短，達到了減小NO生成的目的。而傳統燃燒器NO排放量會隨著過量空氣系數增大而增大。這是由于隨著過量空氣系數增大，燃燒室內氧化氛圍加強，空氣中的氮更易被氧化為NO而造成污染。本文新型低氮燃燒器采用一種高速射流式設計，空氣在高溫火焰和強氧化性氛圍內停留時間更短，達到了低氮燃燒效果。因此將過量空氣系數設置為1.4，可有效降低燃燒室高溫區面積且NO排放很低。

3 結 論

1)本文提出的新型燃燒器結構簡單，生產成本低，可減少NO排放。這是由于空氣與甲烷入口采用了相間布置形式且入口空氣以高速射流狀態噴入，這種設計不但使燃料燃燒更充分，火焰分布均勻，避免了局部高溫區域產生，還降低了空氣在高溫區的停留時間，達到了抑制NO生成的目的。

2)與傳統燃燒器相比，新型燃燒器將傳統燃燒器的一個火焰細化為多股小火焰，增大了散熱面積，降低了火焰溫度，有效抑制了NO的生成。

3)控制甲烷進口口徑2 mm，空氣進口口徑為16 mm時，燃燒室整體溫度分布更低，火焰中心高溫區域面積更小，污染物NO生成量更低。

4)過量空系數對燃燒室溫度及NO排放有很大影響。隨著過量空氣系數的增大，燃燒室整體溫度和污染物NO排放量下降。過量空氣系數達到1.4時，燃燒室整體溫度達到最低，且溫度分布均勻，生成NO很低為52 mg/m3。