7MW工業爐內燃油噴霧燃燒過程的模擬研究

關美霞

(陜西鐵路工程職業技術學院 高鐵學院， 陜西 渭南 714000)

盡管清潔能源成為未來能源領域發展的趨勢，但在全球范圍內，目前化石燃料仍占80%，是目前的主要能源。化石燃料通過燃燒燃料轉化為能量，燃燒過程會產生有用的熱量，但也會產生有害的煙道氣[1-2]。因此，如何優化化石燃料的燃燒過程，提高熱能利用率降低污染仍然是研究的熱點。在開發計算機模擬軟件之前，對燃燒過程的分析僅限于測量和觀察。如今，在煤粉，氣態燃料或液體燃料噴霧的燃燒過程的分析和改進，計算機模擬已成為不可或缺的部分。對于復雜的液體燃料燃燒過程來說，其燃燒過程中的物理和化學過程包括多維的，穩定的或瞬態問題，同時計算過程中耦合了許多子模型：湍流-化學相互作用，離散相和連續相之間的熱與質量相互作用，輻射傳熱，NOx，SOx和煙灰形成，采用計算機模擬是研究復雜燃燒過程優化工業爐的有效方法[3-5]。目前大量的研究對于液體燃料噴霧的擴散，傳輸，蒸發和燃燒的理論和模擬進行了研究。Sirignano等人[6]采用了數值模擬及實驗的方法研究了燃油噴霧燃燒過程，結果表明，標準k-e(SKE)湍流模型無法如實預測高渦旋流場，因此應改用雷諾應力模型(RSM)。 Barreiroset等人[7]發現，燃燒器的幾何形狀和進氣速度對爐內的氣體溫度，同時氣體速度和物質濃度有很大的影響。研究還表明NOx濃度與燃燒器渦流數的關系，快速的液滴蒸發和較長的停留時間有助于減少NOx。Ling等人[8]通過具有Y型霧化噴嘴的旋流燃燒器和空氣分級，過火空氣和煙道氣再循環的燃燒配置，實現了較低的NOx和CO濃度。 Wu等人[9]研究了霧化器的數量和類型，其燃燒方式和在工業燃燒器中的位置對燃油噴霧燃燒中NO排放的影響。以上研究主要集中在燃燒器的幾何形狀對NOx濃度的影響上。本文擴展了對影響燃油噴霧燃燒的其他參數的數值分析，例如空燃比，燃油液滴直徑，燃油噴霧半角和燃燒器渦流數。目的是提高圓柱形工業爐的性能，該工業爐將熱量提供給油真空蒸餾的精煉過程。為此，本文采用商用CFD軟件Fluent 18，所選擇的燃燒模型與文獻中的測量結果進行了驗證。最終驗證了模擬的可靠性為優化工業爐的燃燒過程提供指導工藝。

1 計算模型

1.1 工業爐模型

本文所研究工業爐是一個圓柱形垂直燃燒爐，為煉油廠的減壓蒸餾過程提供熱量。圖1為爐體幾何示意圖，爐膛高度15 m，由四個主要部分組成：三個燃燒器的爐底、輻射段、錐形對流段和煙囪，其中輻射段高7 m，直徑2.8 m。輻射段之后是錐形段和煙囪。錐形截面高度為2 m，將煙氣導入高度為6 m的煙囪，煙囪管道直徑0.8 m。

圖1 爐體結構圖

1.2 邊界條件

本文模擬中燃油的物性參數如表1所示，計算采用旋轉周期網格模型。計算域包含一個燃燒器(如圖2所示)，燃料質量流量為279 kg/h，而空氣質量流量為3 860 kg/h。燃料油進口溫度為383 K，空氣進口溫度為453 K。燃燒器旋流數從0.15到1.10不等。對爐膛內壁設置為恒溫邊界條件，爐底壁面800 K，輻射段850 K，錐形截面和煙囪管道中的溫度為550 K。

表1 重油物性參數及化學成分

圖2 計算域和邊界條件

2 結果與討論

2.1 空燃比的影響

本文研究了7種相對空燃比(AFR)，分比為0.9、0.975、1.05、1.125、1.15、1.20和1.275。計算中設置液滴直徑dp為50 μm，燃油噴射半角φ為42.5°，渦流數S為0.78。爐膛加熱量Q和煙氣溫度T如圖3所示。從圖3中可以看出，當AFR值在0.95～1.05時，可獲得最高的加熱輸出和煙氣溫度。但當AFR較大時其返回較低的加熱輸出和氣體溫度，這主要是因為空氣量較大，顯熱損失較高。爐出口處的CO、H2、NO和SOx摩爾分數如圖4所示。當AFR=0.9時，未燃物CO和H2的摩爾分數分別為17‰和13‰，并迅速下降，當AFR=1.15時，下降到0‰。這是因為較低的AFR值促進不完全燃燒，從而導致未燃燒物種的摩爾分數較高。SOx和NO的含量隨AFR值的增加而降低，這主要是由于煙氣中的空氣相對較多。在AFR=0.90時，SOx分數(SO2和SO3)為215×10-6，在AFR=1.275時，SOx分數降至165×10-6。值得注意的是，在這種情況下，SO3僅占SOx排放總量的1%。通常，在重質燃油燃燒過程中，1%到3%的硫轉化為SO3。

圖3 熱能輸出，氣體溫度與AFR數的關系

圖4 CO、H2、NO和SOx的摩爾分數與AFR數的關系

2.2 燃油噴射半角的影響

霧化噴嘴將燃油液滴噴射成空心錐形噴霧。這里考慮了7種不同的燃油噴射半角：20°， 30°， 40°， 47.5°， 55°， 62.5° 和 70°。固定以下參數值：AFR=1.15、dp=75 μm和S=0.78。燃油噴射半角對爐膛加熱量和煙氣溫度的影響如圖5所示?？梢钥闯觯^大的噴霧半角會降低爐膛的發熱量和煙氣溫度。大的噴霧角增強了空氣和燃料液滴之間的混合，使其點火更快，更靠近燃燒器，但噴霧角過大會導致火焰縮短和熱通量在爐壁上的不利分布。窄的噴霧角阻礙了空氣和燃料液滴之間的混合。因此，燃料液滴點火較晚，火焰區域被拉長，這使得爐內的溫度分布更為有利，輻射和對流部分的熱通量也更高。

圖5 熱能輸出和氣體溫度與燃油噴射半角的關系

2.3 燃油液滴直徑的影響

燃油液滴的大小取決于霧化噴嘴中的壓力。燃油液滴的大小影響燃油通過再循環區的穿透方式，從而影響火焰的幾何形狀和穩定性。一般來說，在液體噴霧中，較大的燃料液滴遵循彈道軌跡，它們的運動受初始噴嘴特性的影響，而不是受周圍氣相的影響。另一方面，較小的液滴更容易受到氣相的影響，因為很快失去慣性。此外，較小的液滴與氣相的混合更好，蒸發和點燃比較大的液滴更早。在本研究中，液滴的粒徑分布用RosinRammler函數來描述，RosinRammler函數由液滴的平均直徑和擴散參數來定義[10]。擴散參數為1.4，連續液滴尺寸分布近似為20個離散液滴尺寸。本文計算了7個平均直徑的液滴：25、50、75、100、125、150和175 μm，固定參數值：AFR=1.15、φ=42.5°和S=0.78。熔滴直徑對加熱爐加熱量和煙氣溫度的影響如圖6所示。從計算結果可以看出小液滴可獲得較高的加熱輸出和氣體溫度。這是因為空氣和燃料之間的蒸發和混合被小液滴強化了。而大的燃油滴更容易發生不完全燃燒，因為它們需要更多的時間蒸發和點燃。因此，CO和H2分數增加，如圖7所示。SOx組分隨液滴直徑的增大略有增加，而NO組分隨液滴直徑的增大無明顯變化趨勢。因此盡可能減小液滴大小對于熱能的利用和減少氣體污染物的產生都是有利的。

圖6 熱能輸出和氣體溫度與平均液滴直徑的關系

圖7 CO、H2、NO和SOx的摩爾分數與平均液滴直徑的關系

2.4 流場模擬結果

最后對不同AFR和噴射角下爐內CO氣體分布情況進行表征，其中AFR值對工業爐內燃油噴霧燃燒CO餾分的影響如圖8所示。通過模擬云圖可以直觀顯示，當AFR值為0.90、1.05和1.20時，在x=1、2和3爐底的三個截面上的CO分數隨AFR值的增大而減小。同樣燃油噴射角對于CO濃度分布也具有類似的規律(見圖9)。通過CO濃度分布可以清晰看出爐體內底部CO濃度最高，隨著高度的增加，CO濃度逐漸減小，AFR及φ值越大，CO濃度將越低。

圖8 不同AFR爐體內CO濃度分布圖

圖9 不同燃油噴射半角爐體內CO濃度分布圖

3 結 論

本文對工業爐內燃油噴霧燃燒進行了數值研究。分析了空燃比、油滴尺寸、燃油噴射角等燃料和燃燒器參數對燃燒過程質量的影響。關于AFR值的影響，發現大于1.15的AFR確保完全燃燒和未燃燒物種CO和H2的最小分數。污染物NO和SOx的含量也隨AFR值的增大而減小，這是由于煙氣中空氣含量相對較大所致。但是，在接近化學計量比的條件下，即AFR值在1.0左右時，可獲得最高的爐加熱輸出。燃油噴射半角對爐膛發熱量和組分排放有相似的影響。寬噴霧半角有利于燃料滴在近燃燒器區域的空間分散?；鹧鎱^寬而短，顆粒平均停留時間延長。因此，當噴霧半角大于50°時，CO和H2排放以及SOx分數顯著降低。但是，供熱量也有所下降因為短火焰會對熱通量向爐壁的分布產生負面影響。數值分析表明，液滴平均直徑在100 μm以下，可以保證較高的加熱溫度產量和低污染物排放。更大的油滴需要更多的時間蒸發和燃燒，從而導致不完全燃燒。