同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 黃思怡 馮 良 伊帥帥

全預(yù)混表面燃燒效率與NOx排放量特性的仿真研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 黃思怡 馮 良 伊帥帥

利用Fluent軟件對全預(yù)混表面燃燒過程中燃燒熱效率和NOx排放量特性做了數(shù)值模擬研究。綜合考慮過剩空氣系數(shù)和燃燒功率對燃燒熱效率和NOx排放水平的影響，給出了全預(yù)混表面燃燒過剩空氣系數(shù)的建議取值范圍。

全預(yù)混表面燃燒 數(shù)值仿真 節(jié)能減排 燃燒熱效率 NOx排放

0 前言

隨著天然氣行業(yè)的蓬勃發(fā)展，天然氣在我國一次能源中所占的比例越來越大。在天然氣得到大規(guī)模應(yīng)用的背景下，高效地利用天然氣對節(jié)能減排具有重要意義。全預(yù)混燃燒是指燃?xì)夂涂諝饣旌暇鶆?過剩空氣系數(shù)α≥1)后燃燒，反應(yīng)瞬時完成，燃燒完全，火焰溫度高，長度短，容積強(qiáng)度可達(dá)29~58×103kW/m2；金屬纖維表面燃燒技術(shù)能有效解決回火問題；兩種技術(shù)相結(jié)合具有極大優(yōu)越性。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件仿真研究了全預(yù)混表面燃燒過程中，燃燒效率和NOx排放量在不同燃燒工況下的變化規(guī)律，提出提高燃燒效率、降低NOx排放量的具體措施，對天然氣的高效利用具有重要指導(dǎo)意義。

1 燃燒熱效率

對于全預(yù)混燃燒系統(tǒng)，在燃?xì)饬髁恳欢ǖ那闆r下，燃?xì)馔耆紵尫诺臒崃渴嵌ㄖ担紵枥碚摽諝饬堪凑栈瘜W(xué)當(dāng)量比計算得出，假如爐膛壁絕熱，則燃燒釋放的熱量完全為煙氣所吸收，此過程稱為絕熱燃燒，可獲得最高燃燒溫度，稱為理論燃燒溫度，而實(shí)際情況中由于過?？諝獯嬖?，煙氣帶走的熱量會增加，燃燒溫度低于理論燃燒溫度，周向陽等在《大型爐膛燃燒過程的數(shù)值模擬》中用空氣過剩燃燒得到的絕熱燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值定義燃燒效率：

式中：η——燃燒效率；

T——絕熱燃燒煙氣溫度，K；

Tmax——理論燃燒溫度，K。

由于全預(yù)混燃燒火焰幾乎透明，輻射熱量非常有限，此定義作為評價標(biāo)準(zhǔn)直觀有效。

2 NOx生成機(jī)理

NOx是天然氣燃燒生成的主要污染物之一，是燃燒的必然產(chǎn)物。NOx種類多，包括NO，NO2，N2O，N2O3，N2O4和N2O5等。天然氣燃燒過程中生成的氮氧化物幾乎全部是NO和NO2，因此通常把這兩種氮氧化物合稱為NOx，其中NO占90%左右，NO2由NO在火焰下游或空氣中進(jìn)一步氧化生成，因此本文將重點(diǎn)關(guān)注燃燒過程中NO的生成。按照生成方式的不同，可將NOx分為熱力型NOx，快速型NOx和燃料型NOx。

熱力型NOx習(xí)慣上指由空氣中N2在1 800 K以上的高溫區(qū)域按擴(kuò)大的捷里多維奇機(jī)理生成的氮氧化物，其生成特點(diǎn)是生成反應(yīng)比燃燒反應(yīng)慢，主要在火焰帶下游的高溫區(qū)域生成。其生成量和氧濃度、火焰溫度及在高溫區(qū)域停留時間成正比。

快速型NOx在碳?xì)湎等剂先紵^程中在氧氣較貧區(qū)域火焰面內(nèi)急劇生成。

燃料型NOx是指來源于燃料中N元素的NOx，天然氣中幾乎不含N元素，故在本文不予討論。

3 模型的建立與求解

3.1 物理模型的建立

本文用Rhino3D軟件建立燃燒設(shè)備的模型，圖1為最終建立的模型的半剖面圖。

圖1 燃燒設(shè)備半剖面

燃燒器圓柱狀頭部直徑80 mm，長度50 mm；爐膛內(nèi)部直徑450 mm，長度870 mm；煙氣出口直徑為150 mm。由于計算區(qū)域的對稱性，模擬的時候，只選取計算區(qū)域的1/4進(jìn)行計算便可。采用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，面網(wǎng)格類型采用Quad Dominant，劃分方式采用Patch Dependent；體網(wǎng)格類型采用Tetra/Mixed，劃分方式為Robust(Octree)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上。

3.2 計算模型的選擇

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型已被大量工程實(shí)例證明具有相當(dāng)高的正確性，本文選用此湍流模型。模擬甲烷與空氣在爐膛內(nèi)部的預(yù)混燃燒過程，涉及化學(xué)反應(yīng)以及能量守恒，所以計算時，需勾選能量守方程以及Species Transport下反應(yīng)選項(xiàng)下的Volumetric選項(xiàng)，Turbulence-Chemistry Interation選項(xiàng)下選擇Eddy-Dissipation(渦耗散)選項(xiàng)。計算收斂后，打開NOx的生成模型迭代計算的NOx的濃度分布場。本輻射換熱選擇DO模型，該模型適用于任何光學(xué)深度的計算，并且考慮了氣體與顆粒之間的輻射換熱。燃燒仿真需要重現(xiàn)極其復(fù)雜的燃燒溫度場，并且由于對金屬纖維多孔介質(zhì)湍流源項(xiàng)的添加，使得SIMPLE算法難收斂。為了更好的得到收斂的結(jié)果，壓力速度耦合迭代方式采用SIMPLEC算法。

3.3 邊界條件的設(shè)定

入口選擇速度邊界，入口速度根據(jù)燃燒器的功率以及過?？諝庀禂?shù)計算確定。煙氣出口采用壓力出口，出口表壓力設(shè)為零壓。

壁面邊界：計算區(qū)域的壁面邊界有兩類，一類是絕熱壁面，一類是水冷壁壁面。絕熱壁面熱流量設(shè)為零，水冷壁壁面采用對流換熱和輻射換熱的混合傳熱邊界。水冷壁壁面采用混合換熱邊界時，壁面換熱系數(shù)很難確定。本文采用流體外掠平板時的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表達(dá)式來確定壁面的對流換熱系數(shù)h。表達(dá)式如下：

式中：h—換熱系數(shù)，W/(m2?K)；

Re—雷諾數(shù)；

Pr——普朗特數(shù)；

λ——流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；

D—特征長度，m。

不同溫度時氣體的密度、導(dǎo)溫系數(shù)和運(yùn)動粘度等系數(shù)是不相同的，所以每一個燃燒工況下都需要重新計算一次壁面換熱系數(shù)。事實(shí)上，隨溫度的變化，水冷壁面的換熱系數(shù)變化很小，10 ℃時，按照式(2)計算得換熱系數(shù)為4.17 W/(m2?K)，100 ℃時為4.11 W/(m2?K)，400 ℃時為4.03 W/(m2?K)，可見換熱系數(shù)變化很小。燃燒仿真過程中發(fā)現(xiàn)，壁面附近流體的溫度變化很小，所以在整個仿真計算過程中認(rèn)為壁面附近流體溫度不隨時間發(fā)生變化。但是隨著功率的變化以及過剩空氣系數(shù)的變化，壁面附近流體速度變化較大，而速度對壁面的換熱系數(shù)的影響卻不容忽略。本文在模擬計算時，根據(jù)壁面附近煙氣流速調(diào)整壁面的換熱系數(shù)大小，取值變化范圍為：2.0~4.0 W/(m2?K)。

4 模型建立模擬結(jié)果與分析

本次仿真模擬分別計算了功率10 kW、15 kW、20 kW、25 kW和30 kW工況下的燃燒情況。在每一功率下，過?？諝庀禂?shù)α分別取1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35和1.40，總共 45組數(shù)據(jù)。

4.1 過?？諝夂腿紵β蕦Ox生成特性的影響

圖2為過剩空氣系數(shù)α為1.05時，不同功率下NOx生成速率分布云圖。

圖2 α=1.05時不同功率下NOx生成速率分布

從圖2中左側(cè)可以看出，熱力型NOx的生成速率分布區(qū)域隨著功率的增加逐漸變大，這說明熱力型NOx的生成量是隨功率增加而增加。其生成區(qū)域集中在燃燒器一側(cè)，功率增加的時候，生成區(qū)域逐漸向煙氣出口側(cè)延伸。其生成分布形狀與圖3中溫度分布圖有較多相似的地方，溫度越高，熱力型NOx生成量亦越大。

圖3 不同α和功率時爐膛內(nèi)部溫度場分布

圖2 右側(cè)是快速型NOx生成速率分布云圖，快速型NOx主要分布在火焰面上游部位，其生成速率分布區(qū)域隨功率的增加并未呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。

模擬所得數(shù)據(jù)的定量分析：

5.1 輪作：重病地應(yīng)實(shí)行與糧食、油料、經(jīng)濟(jì)作物或十字花科等非茄科作物3年以上輪作，實(shí)行與水稻、蓮藕等水旱輪作更為理想。

由圖4可看出：熱力型NOx生成速率隨著過?？諝庀禂?shù)α增加而減小。過?？諝庀禂?shù)α從1.0增加至1.1時，熱力型NOx生成速率迅速降低，之后隨著過?？諝庀禂?shù)α繼續(xù)增加，熱力型NOx生成速率的減小趨勢開始變得緩慢。過?？諝庀禂?shù)α大于1.2時，熱力型NOx生成速率幾乎趨于零。在相同的過?？諝庀禂?shù)α下，功率越大，熱力型NOx生成速率越大。這是因?yàn)殡S著功率的增加，爐膛內(nèi)部溫度逐漸升高，熱力型NOx生成速率增大。

圖4 不同功率下熱力型NOx生成速率隨α變化曲線

由圖5可看出：功率為10 kW，NOx生成量較大，功率進(jìn)一步增加至15 kW時，生成速率稍有下降。功率為20 kW時，其生成速率與功率15 kW時基本保持一致。功率25 kW時，快速型NOx生成速率在20 kW的基礎(chǔ)上，又稍有增加，隨后在功率為 30 kW時有所降低?？梢?，快速性NOx的生成量與功率之間并不存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系。

圖5 不同功率下快速型NOx生成速率隨α變化曲線

對比圖4與圖5，由于爐膛內(nèi)溫度整體較低(低于1 800 K)，熱力型NOx生成速率比快速型NOx生成速率小，當(dāng)功率為25 kW時，熱力型NOx生成速率大于快速型NOx的生成速率。

快速型NOx生成速率隨著過?？諝庀禂?shù)α增加而減小。過?？諝庀禂?shù)α從1.0增加至1.15的過程中，快速型NOx生成速率迅速降低，隨著過?？諝庀禂?shù)α的繼續(xù)增加，快速型NOx生成速率的減小趨勢開始變得緩慢。過剩空氣系數(shù)α大于1.2時，快速型NOx生成速率幾乎趨于零，這一點(diǎn)與熱力型NOx生成速率隨時間的變化趨勢較為相似。與圖4不同的是，除了功率為10 kW的快速型NOx生成速率曲線，功率為15 kW、20 kW、25 kW和30 kW的快速型NOx生成速率隨過?？諝庀禂?shù)α變化的曲線均非常接近，這說明在過?？諝庀禂?shù)α相同的情況下，當(dāng)燃燒器功率增加至15 kW時，隨著功率的繼續(xù)增加，快速型NOx生成速率不再發(fā)生顯著變化。功率為10 kW時，快速型NOx生成速率相比于其他功率的要大很多。

從圖6可以看出：煙氣中污染物體積分?jǐn)?shù)的曲線與圖5中不同功率下快速型NOx生成速率隨過剩空氣系數(shù)變化的曲線較為相似，這說明了功率較低時，快速型NOx生成量在總NOx生成量中所占比例比較大。

圖6 不同功率下煙氣中NOx體積濃度隨α變化曲線

事實(shí)上，對于大型爐膛，由于燃燒功率極大，爐膛溫度非常高，爐膛內(nèi)部熱力型NOx生成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于快速型NOx生成速率，以至于快速型NOx生成速率可以忽略不計。對于功率比較小的燃燒器，由于爐膛內(nèi)溫度水平較低，快速型NOx生成速率不可忽略。功率小于一定數(shù)值時(本文模擬數(shù)據(jù)為25 kW)，快速型NOx生成量甚至大于熱力型NOx生成量。10 kW時，煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)比較大，這主要是因?yàn)檫@一功率下快速型NOx生成量較大。功率為15 kW、20 kW、25 kW和30 kW時，煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)隨過?？諝庀禂?shù)變化的曲線均非常接近，這說明在功率大于一定數(shù)值時(本文中為15 kW)，煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)不再隨功率的增加而有顯著的變化。

從圖6中可以看出，適當(dāng)增加過剩空氣系數(shù)對降低NOx排放有利，而當(dāng)過?？諝庀禂?shù)大于1.2時，繼續(xù)增加過?？諝庀禂?shù)對降低NOx排放的作用有限。

4.2 過?？諝庀禂?shù)和燃燒功率對NOx生成的影響

從圖7中可以看出，燃燒熱效率與過?？諝庀禂?shù)之間呈負(fù)線性相關(guān)，過大的過?？諝庀禂?shù)意味著燃燒熱量的大量浪費(fèi)。綜上所述，過?？諝庀禂?shù)宜在1.1與1.2之間取值。本文數(shù)值模擬時，假設(shè)燃料入口處空氣與甲烷已處于完全均勻混合狀態(tài)，實(shí)際燃燒過程中，會有混合不完全的情形存在，此時過?？諝庀禂?shù)范圍宜適當(dāng)擴(kuò)大至1.1至1.3左右?；旌显骄鶆颍^?？諝庀禂?shù)可以越趨向于區(qū)間左側(cè)取值。

圖7 燃燒熱效率隨過?？諝庀禂?shù)變化曲線

5 結(jié)語

本文研究了全預(yù)混表面燃燒的熱效率和污染物的排放特性。對全預(yù)混表面燃燒的熱效率和NOx排放量特性做了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1)過?？諝庀禂?shù)與燃燒器熱燒熱效率之間線性相關(guān)，過?？諝庀禂?shù)越大，燃燒熱效率便越低。過?？諝庀禂?shù)與NOx排放量之間存在非線性的關(guān)系。在過?？諝庀禂?shù)從1.0 增加至1.2 時，NOx排放量量急劇下降，之后隨著過?？諝庀禂?shù)的進(jìn)一步增加，NOx排放量的減小趨勢變得平緩，過剩空氣系數(shù)從1.3開始繼續(xù)增加時，NOx排放量量已基本保持不變。

(2)隨著過?？諝庀禂?shù)增大，燃燒功率變化對NOx排放量的影響減弱，過剩空氣系數(shù)大于1.2時，不同燃燒功率下NOx體積濃度基本相同。同時，燃燒功率大于一定數(shù)值時，煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)不再隨功率的增加而有顯著的變化。

(3)綜合考慮過?？諝庀禂?shù)對燃燒熱效率和NOx排放量的影響，對于全預(yù)混表面燃燒系統(tǒng)，建議過?？諝庀禂?shù)在1.1至1.3之間取值，且混合越均勻，過剩空氣系數(shù)可以越趨向于區(qū)間左側(cè)取值。

Simulation Study on Premixed Surface Combustion Efficiency and NOxEmissions Characteristic Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Huang Siyi Feng Liang Yi Shuaishuai

Fluent software is used to numerical simulation study on the combustion thermal efficiency and NOxemissions characteristic of the premixed surface combustion process in this paper. The proposed value range of the air excess rate of the premixed combustion is given basing on the influence of the air excess rate and power output on the combustion thermal efficiency and the NOxemissions.

premixed surface combustion，numerical simulation，combustion thermal efficiency，NOxemission