任立言，劉 杰

（中國鋼研科技集團有限公司 工程事業(yè)部，北京100081）

高溫（預(yù)熱）空氣燃燒技術(shù)（HTAC）是一種集高效、節(jié)能、低排放多重優(yōu)勢于一體的全新型燃燒技術(shù)，早在20世紀90年代初，日本和德國就最先開始了該技術(shù)的研究[1]。在大力推進節(jié)能和環(huán)保的政策下，國內(nèi)相關(guān)院校和科研院所也積極投入研究和開發(fā)工作，運用該技術(shù)對全國數(shù)十家鋼鐵企業(yè)的熱工設(shè)備進行了改造，取得了顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

國內(nèi)燒嘴生產(chǎn)廠家在這方面的研究也達到了國際水平，某國產(chǎn)燒嘴（見圖1、圖2）的獨特之處在于燒嘴頭旋風(fēng)盤的應(yīng)用研究，即使燒嘴在低負荷工作時，也可以保證火焰長度和剛度，同時可以得到最低的NOx生成量，筆者利用STAR-CD熱流體模擬軟件對此燒嘴的三維模型進行了數(shù)值模擬。針對不同燃氣流量以及煙氣回流對爐內(nèi)溫度場速度場以及各種煙氣成分的濃度場進行了分析，對試驗起到進一步的指導(dǎo)作用。

圖1 燒嘴外部結(jié)構(gòu)圖

圖2 燒嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 原始條件

如圖3所示，燃燒爐爐膛尺寸為4 000 mm×1 000 mm×1 000 mm；燒嘴結(jié)構(gòu)為外混式混合方式，空氣和燃氣分開供給，保證空氣系數(shù)為1.2；煙氣出口直徑為150 mm。

圖3 燃燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究了燃氣流量分別為6 m3/h、8 m3/h、10 m3/h和12 m3/h時有無煙氣回流對爐內(nèi)溫度及NOx等煙氣成分的影響。

1.2 控制方程

試驗爐的流場控制方程主要有連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍流模型、燃燒模型和輻射模型。

1.2.1 試驗爐流場的連續(xù)方程和動量方程

1.2.2 試驗爐流場的能量控制方程

1.3 湍流模型

湍流模型直接影響火焰在燃燒爐內(nèi)的穩(wěn)定性和燃氣與空氣的混合，本計算采用RNG-kε湍流模型。

湍流動能方程：

湍流耗散率方程：

1.4 燃燒模型

在Spalding提出的湍流預(yù)混燃燒的EBU（Eddy-Break-Up）模型中，認為湍流燃燒區(qū)由未燃氣和已燃氣的微團組成，它們的破碎導(dǎo)致這兩種微團的迅速接觸，并在二者的交界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，假定湍流燃燒時化學(xué)反應(yīng)的速率取決于未燃氣和已燃氣微團在湍流作用下破碎成更小微團的速率，即湍流燃燒過程由湍流混合過程來控制。與其它湍流燃燒模型相比，EBU模型十分簡單易用，因此在燃燒爐等實際燃燒系統(tǒng)的數(shù)值模擬中都有廣泛的應(yīng)用[2]。

對于EBU模型，燃料的反應(yīng)速率為：

在本次計算中Aebu取值范圍在0.5～2之間。

為了避免模型中簡單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)忽略了對燃燒反應(yīng)具有重要影響的CO，滿足工程問題的實際需要，目前常采用兩步反應(yīng)系統(tǒng)[3]，反應(yīng)式為：

在STAR-CD中，當選擇NO products時，即不考慮產(chǎn)物濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，不需要設(shè)置點火，改變Aebu值可以來調(diào)整火焰的長度和溫度。

1.5 輻射模型

在STAR-CD中，輻射模型可以選擇Discrete Beam Model（詳見STAR-CD方法論，這里不再給出）。

1.6 NOx模型

燃燒過程所排出的NOx一般是指NO和NO2，其中絕大部分是NO，在火焰帶的下游或排放后一部分的NO轉(zhuǎn)化為NO2。按NOx生成機理方面的研究，分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。由于所用燃料中氮含量很少，故可以不考慮燃料型氮，同時在本次燃燒過程中所產(chǎn)生的NOx中NO超過95%，因此本次數(shù)值模擬只計算高溫低氧燃燒過程中所產(chǎn)生的熱力型NO。其反應(yīng)機理為：

2 計算結(jié)果的分析及討論

利用STAR-CD提供的上述各種模型，按文中原始條件中的邊界條件進行了數(shù)值模擬，所得結(jié)果見圖4～圖15。

圖4 流量為6 m3/h時O2濃度分布圖

圖5 流量為8 m3/h時O2濃度分布圖

圖6 流量為10 m3/h時O2濃度分布圖

圖7 流量為6 m3/h時CO2濃度分布圖

圖8 流量為8 m3/h時CO2濃度分布圖

圖9 流量為10 m3/h時CO2濃度分布圖

圖10 流量為6 m3/h時NO濃度分布圖

圖11 流量為8 m3/h時NO濃度分布圖

圖12 流量為10 m3/h時NO濃度分布圖

圖13 流量為6 m3/h時溫度分布圖

圖14 流量為8 m3/h時溫度分布圖

圖15 流量為10 m3/h時溫度分布圖

圖4 ～圖15分別為不同流量下爐膛內(nèi)的燃料濃度分布、O2濃度分布、CO2濃度分布、NO濃度分布和溫度分布?？梢钥闯?，在中心線處空氣供應(yīng)不足，燃燒反應(yīng)不能充分進行，在離開中心線一定位置，燃料與空氣達到反應(yīng)當量比，燃燒反應(yīng)最劇烈，在燃料濃度為零的區(qū)域出現(xiàn)了火焰前沿，形成火焰峰面?；鹧鏈囟冗_到了最高，氧氣濃度梯度最大，沿徑向氧氣濃度從峰值迅速降到最低值，離開火焰峰面。沿著爐膛中心線方向，隨著核心射流的擴散，燃燒火焰區(qū)域加大，火焰變寬?；鹧婷婧突鹧媲把谻O2濃度較高，這是因為火焰前沿以及火焰面中燃料和氧化劑發(fā)生了充分的燃燒，燃燒終產(chǎn)物CO2濃度高。隨著燃料的增加，火焰長度及爐膛內(nèi)的平均溫度均增加。NO濃度最高的區(qū)域正是燃料燃燒的火焰鋒面區(qū)域，溫度最高，最能夠滿足生成NO所需要的高溫環(huán)境。

圖16 ～圖23分別為煤氣流量為12 m3/h，有、無煙氣回流工況下，爐膛內(nèi)O2濃度分布、CO2濃度分布、溫度分布和NO濃度分布?？梢娪袩煔饣亓鲿r，火焰類型發(fā)生了變化，火焰形狀不明顯，燃燒爐內(nèi)的溫度場分布更加均勻，這種在高溫下組織貧氧狀態(tài)下的燃燒，避免了高溫下NO的大量產(chǎn)生。與無煙氣回流工況相比，溫度相對較為均勻和相對降低，NO濃度降低。但從中也可以看出，殘氧量也提高，因此，采用煙氣回流來控制NO的濃度時，應(yīng)合理調(diào)整煙氣的回流比例。

圖16 流量為12 m3/h時無煙氣回流工況下O2濃度分布圖

圖17 流量為12 m3/h時有煙氣回流工況下O2濃度分布圖

圖18 流量為12 m3/h時無煙氣回流工況下CO2濃度分布圖

圖19 流量為12 m3/h時有煙氣回流工況下CO2濃度分布圖

圖23 流量為12 m3/h時有煙氣回流工況下NO濃度分布圖

3 結(jié)論

（1）試驗分析的各種情況中，最低的NOx排放濃度只有2×10-6，最高的NOx排放濃度也只有60×10-6，說明文中研究的燒嘴結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低NOx排放。

圖20 流量為12 m3/h時無煙氣回流工況下溫度分布圖

圖21 流量為12 m3/h時有煙氣回流工況下溫度分布圖

圖22 流量為12 m3/h時無煙氣回流工況下NO濃度分布圖

（2）提高燃料流量，也提高了中心空氣的出口射流強度，在爐膛中心形成射流核心區(qū),沿爐膛中心線方向，速度最大；離開射流核心區(qū)，速度迅速衰減，并在靠近爐膛邊壁處出現(xiàn)負速度，從而將燃氣卷吸進來，有利于空氣和燃氣的進一步混合均勻。同時，煙氣在爐膛中的對流也有利于降低溫度梯度。

（3）煙氣回流裝置促使NOx生成總量有所降低，同時有效利用煙氣余熱，達到了節(jié)能的目的。試驗中適當調(diào)節(jié)煙氣回流的比例有助于進一步減少NOx生成總量。

（4）模擬得出的試驗數(shù)據(jù)，能夠為加熱爐及燒嘴的研究開發(fā)工作提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。