田賽，芮文明，王愛(ài)華，劉宇，張炎

（1.東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819；2.上海鼎研智能科技有限公司，上海201600）

不同O2/CO2濃度下燃燒器燃燒特性數(shù)值模擬

田賽1，芮文明1，王愛(ài)華1，劉宇2，張炎1

（1.東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819；2.上海鼎研智能科技有限公司，上海201600）

針對(duì)葉片角度為30°的旋流式天然氣純氧燃燒器，采用Fluent軟件對(duì)不同助燃風(fēng)成分為23%O2/77%CO2、30%O2/70%CO2及40%O2/60%CO2配比條件下的燃燒器燃燒特性進(jìn)行模擬，獲得燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布。結(jié)果表明：不同的O2/CO2濃度配比對(duì)燃燒室內(nèi)溫度分布影響較大。不同的O2/CO2濃度配比對(duì)燃燒中間產(chǎn)物CO和H2的濃度分布影響不大，但直接決定了CO2和H2O的含量。

葉片角度；純氧燃燒器；溫度場(chǎng)；濃度場(chǎng)分布

目前，在各種燃煤CO2減排技術(shù)中，純氧燃燒技術(shù)是比較有前景的碳捕捉和存儲(chǔ)技術(shù)之一。純氧燃燒技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)CO2的大規(guī)模捕集和SO2的方便處理，而且能大幅度降低NOx排放，是一種清潔的燃煤發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。純氧燃燒（oxy-fuel combustion）技術(shù)中的著火特性、燃盡特性以及熱傳遞行為等與傳統(tǒng)燃燒存在著較大差異。RajhiMA等[1]對(duì)純氧燃燒的燃燒特性進(jìn)行了分析并與空氣燃燒進(jìn)行了對(duì)比研究。王愛(ài)華等[2]發(fā)明了一種燃?xì)鉄o(wú)焰純氧燃燒器，屬于高效燃燒設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，是涉及一種燃?xì)鉄o(wú)焰純氧燃燒器，用于大型冶金工業(yè)爐窯。

純氧燃燒是利用O2和CO2的混合氣體作為助燃劑與燃料燃燒，通常是利用21%的O2和79%的CO2氣體或者提高氧氣比例、降低CO2的比例的氣體。Chui等[3]把設(shè)計(jì)用來(lái)研究煤的純氧燃燒爐的CANMET垂直燃燒研究設(shè)施（VCRF）也開(kāi)始用于天然氣的純氧燃燒研究。Liu F等[4]對(duì)純氧燃燒過(guò)程中CO2的化學(xué)影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了燃燒速率的降低并不僅僅是由于CO2的物理性質(zhì)。Andersson K等[5]就溫度和氣體濃度方面對(duì)純氧燃燒不同O2/CO2濃度比例條件以及空氣條件下火焰的輻射特性缺乏基礎(chǔ)研究。本文不同助燃風(fēng)成分為23%O2/77%CO2、30%O2/70%CO2及40%O2/60%CO2濃度配比條件對(duì)葉片角度為30°的旋流式天然氣純氧燃燒器進(jìn)行模擬，來(lái)獲得燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 燃燒器尺寸及網(wǎng)格劃分

燃燒器的功率設(shè)計(jì)為P=0.8 MW，燃料種類(lèi)為天然氣，燃燒方式為純氧燃燒。燃燒器的長(zhǎng)度為160 mm，天然氣進(jìn)口為D1=16 mm，助燃劑O2和CO2的進(jìn)口設(shè)計(jì)為D2=44mm，圓柱形燃燒室直徑D=1 000 mm，長(zhǎng)為3 500mm，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1及圖2。燃燒器采用兩層共軸套管形式，燃料天然氣通過(guò)內(nèi)管直流進(jìn)入燃燒室，氧氣通過(guò)外環(huán)旋流進(jìn)入燃燒室，在氧氣風(fēng)管內(nèi)布置軸向葉片旋流產(chǎn)生器。選取葉片角度為30°，葉片數(shù)量為6個(gè)，葉片厚度為1 mm，葉片高度為20mm，作為不同O2/CO2濃度下燃燒特性研究時(shí)葉片旋流器的物理模型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖1 燃燒器及燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 葉片旋流角度30°燃燒器的物理模型圖

本文采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域和燃燒器大部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)葉片旋流器進(jìn)行劃分，而在需要特別關(guān)注的流域，例如燃燒器出口，葉片流域和爐膛出口處等進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。共劃分了374 558個(gè)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)量為344 460。

1.2 控制方程

本研究主要以?xún)煞匠棠Ｐ蜑橹?，包括?dòng)量方程、能量方程、連續(xù)性方程和化學(xué)組分平衡方程分別為：

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；xi為流體在直角坐標(biāo)i方向上的距離；ui為流體在直角坐標(biāo)系方向上的速度。

動(dòng)量守恒方程：

式中：xj為直角坐標(biāo)系j方向的坐標(biāo)；uj為流體在直角坐標(biāo)系j方向上的速度；p為壓力；μ為湍流有效粘性系數(shù)；fj為單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。

能量方程：式中：Γ為熱源擴(kuò)散系數(shù)；S為熱焓源項(xiàng)；φ為熱焓。

大腦通過(guò)觀(guān)察、觸摸，以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到的一種能思考物體形狀、結(jié)構(gòu)、大小、輕重、質(zhì)地、位置關(guān)系的思維能力。

化學(xué)組分平衡方程：式中：ω1為組分1的質(zhì)量分率；Γ1為組分1擴(kuò)散系數(shù)；R1為反應(yīng)源項(xiàng)。

1.3 湍流流動(dòng)模型

k-ε雙方程模型是實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流流動(dòng)模型，本模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬爐內(nèi)氣流流動(dòng)。

1.4 燃燒反應(yīng)模型

本研究考慮化學(xué)反應(yīng)的組分傳輸過(guò)程，采用Finite-Rate/Eddy-Dissipation作為湍流燃燒反應(yīng)模型。

式中：YP為任何物質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；YR為顆粒反應(yīng)物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)4.0；B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)0.5。

1.5 輻射換熱模型

本模擬選擇P-1模型，因?yàn)樵撃Ｐ蜑橐粋€(gè)擴(kuò)散方程，求解時(shí)需要占用較少的CPU。Sazhin S等人[6-7]總結(jié)了P1模型的優(yōu)缺點(diǎn)，他們指出P1模型應(yīng)用于光學(xué)薄介質(zhì)時(shí)溫度預(yù)測(cè)值會(huì)偏高，但該模型特別適用于氣體與粒子進(jìn)行輻射熱交換的情形。

1.6 邊界條件及求解方法

本研究的入口邊界分為氧氣和天然氣兩個(gè)入口，性質(zhì)定義為速度入口。出口邊界定義為煙氣出口，性質(zhì)為壓力出口，大小為負(fù)壓出口。其他邊界取為固體壁面。采用分離解法，基本控制方程采用有限容積法進(jìn)行離散化，其余控制方程的離散采用一階迎風(fēng)格式；給定求解初始溫度2 000 K。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同O2/CO2濃度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖5為三種情況下燃燒室內(nèi)的溫度分布圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用O2/CO2作為助燃劑時(shí)，其燃燒效果與單純的O2燃燒是不一樣的。由于CO2的存在使得反應(yīng)高溫區(qū)滯后，最高溫出現(xiàn)在完全燃燒反應(yīng)后燃燒室后部，而且還可以看到隨著氧氣濃度提高，高溫區(qū)向燃燒器出口接近。在23%O2/77%CO2時(shí)，在據(jù)燃燒器1.8m的位置中心軸處，達(dá)到4 200 K的高溫；在30%O2/70%CO2時(shí)，在1.4 m位置中心軸處，達(dá)到4 200 K的高溫；在40%O2/60%CO2時(shí)，在距燃燒器1.8m的位置中心軸處，達(dá)到4 200 K的高溫。通過(guò)這三種情況的比較可以有兩種推斷：一種是CO2的存在使得反應(yīng)速度相對(duì)而言“變慢”，由于CO2的摻混使得反應(yīng)滯后，高溫區(qū)延后；另外一種可能是由于CO2作為三原子分子具有高輻射特性，燃燒完全的CO2在燃燒室后部富集，從而產(chǎn)生了均勻的高溫區(qū)。

2.2 不同O2/CO2濃度對(duì)濃度場(chǎng)的影響

2.2.1 CO的濃度分布

圖6為不同軸向位置處CO濃度對(duì)比，沿軸向方向CO濃度降低，在0.1 m后接近于0，在徑向方向上，可以看到在軸向0.05m位置處，出口處CO濃度含量較高，出現(xiàn)了CO“飛邊”的現(xiàn)象，在壁面附近有CO產(chǎn)生。結(jié)合CH4的四步反應(yīng)機(jī)理，其主要原因是相對(duì)而言低O2時(shí)CO2的大量存在使得化學(xué)反應(yīng)方程CO和H2的發(fā)生受到了抑制，導(dǎo)致CO濃度富集。在40%O2/60%CO2情況下沿徑向會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。另外，從軸向0.2 m以后，可以看到CO濃度很低，但是在徑向方向上，靠近壁面的位置CO濃度反而會(huì)升高。

圖5 不同O2/CO2濃度時(shí)XY中心截面溫度場(chǎng)分布圖

2.2.2 H2的濃度分布

圖7為不同軸向位置處H2濃度對(duì)比，由圖可以看到其徑向分布與CO的大致相似。出口中心軸線(xiàn)處濃度較高，沿徑向方向濃度減低，在近壁面附近H2的濃度會(huì)有一定的上升，主要原因也是因?yàn)榻诿鎱^(qū)域H2O濃度相對(duì)于燃燒室內(nèi)中心軸向附近較高，見(jiàn)圖9所示。根據(jù)甲烷的四步反應(yīng)機(jī)理，H2O的存在使得其與CO反生反應(yīng)，使得H2在壁面處產(chǎn)生。

2.2.3 CO2的濃度分布

圖8為不同軸向位置處CO2的濃度分布，從圖中可以看到燃燒器出口中心軸向位置處，燃燒反應(yīng)開(kāi)始后CO2濃度迅速升高，其中23%O2/77%CO2工況下燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的CO2濃度比其它工況下的CO2濃度要高，這是因?yàn)檠鯕馊紵怀浞郑S著反應(yīng)的發(fā)生沿軸向濃度開(kāi)始降低，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在徑向方向上，可以看到距燃燒器出口0.1 m位置段內(nèi)徑向0.05 m位置處CO2波動(dòng)較大，分析其原因主要是由于此區(qū)域?yàn)樘烊粴夂蚈2、CO2的混合交界面，所以導(dǎo)致波動(dòng)較大。

2.2.4 H2O的濃度分布

圖9為不同軸向位置處H2O的濃度分布，從圖可以看到H2O的濃度可以分為三個(gè)不同的區(qū)間：第一個(gè)區(qū)間為CH4和O2/CO2混合區(qū)，大約在距燃燒器出口0.05 m軸向位置處，在這個(gè)區(qū)間CH4和O2/CO2混合開(kāi)始發(fā)生劇烈反應(yīng)，因此可以看到H2O的濃度不斷上升；第二個(gè)區(qū)間為CH4和O2/CO2反應(yīng)區(qū)，約在距燃燒器出口0.1m軸向位置處，在此區(qū)間CH4和O2/CO2發(fā)生劇烈反應(yīng)，所以可以看到H2O的濃度隨著反應(yīng)波動(dòng)；第三個(gè)區(qū)間為距燃燒器出口0.2 m軸向位置處，可以看到在此位置之后H2O濃度趨于穩(wěn)定，表明反應(yīng)已經(jīng)完畢。另外還可以看到反應(yīng)結(jié)束后40%O2/60%CO2情況下最高約23%。在23%O2/77%CO2情況下最低，約為14%，這正好與CO2的濃度分布相反。

圖7 不同軸向位置處H2濃度對(duì)比圖

圖8 不同軸向位置處CO2濃度對(duì)比圖

圖9 不同軸向位置處H2O濃度對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文研究不同O2/CO2濃度配比下燃燒器燃燒特性，研究總結(jié)O2/CO2的不同配比對(duì)燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響：

（1）O2/CO2濃度配比對(duì)燃燒室內(nèi)溫度分布影響較大，在40%O2/60%CO2工況下，燃燒室內(nèi)溫度分布均勻性好，即氧氣含量越高燃燒溫度分布均勻性越好；

（2）O2/CO2不同濃度配比對(duì)燃燒中間產(chǎn)物CO和H2的濃度分布影響不同：在23%O2/77%CO2時(shí)CO在燃燒器出口附近壁面集中，最高摩爾分?jǐn)?shù)可以達(dá)到約7%，而H2量較少；在40%O2/60%CO2時(shí)在燃燒器出口附近壁面H2的含量最高，而CO量較少。O2/CO2不同濃度配比對(duì)主要燃燒生成物CO2和H2O的影響較大，直接決定了其含量。

∶

[1]RAJHIM A,MANSOUR R B,HABIB M A,et al.Evaluation of gas radiation models in CFD modeling of oxy-combustion[J].Energy Conversion and Management，2014，81（2）：83-97.

[2]王愛(ài)華，劉宇，牛義紅.燃?xì)鉄o(wú)焰純氧燃燒器：201410509152.4[P]. 2014.

[3]CHUIEH,DOUGLASMA,TAN Y W.Modeling of oxy-fuel combustion for awestern Canadian sub-bituminous coal[J].Fuel,2003, 82（10）：1201-1210.

[4]LIU F,GUO H,J SMALLWOOD G,et al.Effects of gas and soot radiation on soot formation in counter flow ethylene diffusion flames [J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2003，84（4）：501-511.

[5]ANDERSSON K,JOHNSSON F.Flame and radiation characteristics of gas-fired O2/CO2combustion[J].Fuel，2007，86（s 5-6）：656-668.

[6]SAZHINS S,SAZHINA E M,FALTSI-SARAVELOUO,et al.The P-1 model for thermal radiation transfer∶Advantages and limitations[J].Fuel，1996，75（3）：289-294.

[7]SAZHINSS,FENGG,HEIKALM R,et al.Thermal ignition analysis of a monodisperse spray with radiation[J].Combustion and Flame，2001，124（4）：684-701.

Numerical Simulation of Combustion Characteristics of Burner under Different O2/CO2Concentration

TIAN Sai1,RUIWenming1,WANG Aihua1,LIU Yu2,ZHANG Yan1
（1.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-Industry,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.ShanghaiDingyan Intelligent Technology Co.,Ltd,Shanghai201600,China）

Under different proportions of combustion air component of 23%O2/77%CO2,30%O2/70% CO2and 40%O2/60%CO2for the vane angle of 30°,the swirling oxygen gas burner is simulated by utilizing Fluent software,obtained temperature field and concentration field distribution in the combustion chamber.The results show that the different concentration proportions of O2/CO2has the large effect on temperature distribution in the combustion chamber.Different concentrations proportion of O2/CO2has little impact on combustion intermediate products CO and H2concentrations distribution,but determines directly the CO2and H2O content.

vane angle;oxygen gas burner;temperature field;concentration field distribution

TK16

A

1001-6988（2016）05-0001-05

2016-07-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAB18B02）

田賽（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿細(xì)饧冄跞紵?