毛思予，王圣元，王俊棋，叢龍巖，朱洪鵬，王春華

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

近年來，隨著我國“西氣東輸”工程的順利實(shí)施，國家節(jié)能環(huán)保要求日益嚴(yán)格，天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中所占比例一路攀升。加熱爐燃料煤、燃油也逐步被天然氣替代[1-2]。雖然天然氣的廣泛使用使得我國的環(huán)境污染問題得到一定程度的緩解，但是其燃燒時還是會產(chǎn)生非常多的氮氧化物（NOx），仍會對環(huán)境造成危害。目前出現(xiàn)的低氮燃燒技術(shù)主要有分級燃燒（包括空氣分級、燃料分級）[3-4]、預(yù)混燃燒[5]、富氧燃燒及煙氣再循環(huán)[6-7]等。從目前的工程實(shí)踐來看，煙氣再循環(huán)的運(yùn)行成本和改造費(fèi)用較低[8]，成為燃?xì)饧訜釥t控制排放的主流技術(shù)，但這種技術(shù)的應(yīng)用也存在一些缺陷，其減排效果受到煙氣循環(huán)率的限制。在高煙氣循環(huán)率下，火焰震蕩、不穩(wěn)定，甚至熄火。為了進(jìn)一步降低NOx的生成量，實(shí)現(xiàn)超低氮排放，加強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，內(nèi)、外煙氣雙循環(huán)燃燒器應(yīng)運(yùn)而生[9-10]。筆者所在課題組也設(shè)計(jì)出一種低氮燃燒器。該燃燒器包括燃?xì)鈬娮臁⒅紕┬髌?、中空管和穩(wěn)焰裝置[11]。噴嘴由多個具有一定傾斜角度的直射管組成，旋流器由多個軸向弧狀的葉片相間布置組成，中空圓柱管為煙氣回流提供內(nèi)循環(huán)通道，穩(wěn)焰裝置為一喇叭式擴(kuò)口嵌入到爐墻內(nèi)。燃燒器外連煙氣外循環(huán)管，形成煙氣內(nèi)、外雙循環(huán)。課題組通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，確定了外部煙氣循環(huán)率在28%～40%范圍內(nèi)，過量空氣系數(shù)在1.0～1.2范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)燃燒器的正常穩(wěn)定運(yùn)行，且NOx排放濃度均低于30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了燃燒器的低氮排放特性[12-13]。為了進(jìn)一步擴(kuò)大燃燒器的工業(yè)應(yīng)用范圍，系統(tǒng)建立燃燒器的設(shè)計(jì)理論，有必要研究燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其燃燒特性和氮排放性能之間的具體關(guān)聯(lián)。

在內(nèi)、外煙氣雙循環(huán)下，旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著火焰的穩(wěn)定與燃燒器的低氮排放。旋流器顧名思義是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，使氣流具備一定的旋流強(qiáng)度。當(dāng)旋流強(qiáng)度超過一定數(shù)值（一般為0.6）[14]時，氣流的軸向和切向就會產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力梯度，導(dǎo)致氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在火焰中心形成循環(huán)回流區(qū)，此回流區(qū)將高溫氣體引回到燃燒器前端，確保了對冷的未燃燒氣體的點(diǎn)火，穩(wěn)定了火焰；與此同時回流煙氣與旋流空氣之間存在很強(qiáng)的剪切力，可以促進(jìn)混合，減少產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間，即可減少NOx的生成。李金廣等人[15]通過研究發(fā)現(xiàn)隨著助燃空氣旋流強(qiáng)度的不斷增加，燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域逐漸向燃燒器噴口附近區(qū)域集中，燃燒室出口NOx的生成量呈先增大后減小的趨勢。ZHOU L X等人[16]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)旋流強(qiáng)度從0增加到0.68時，熱力型NOx的生成量增加，但當(dāng)旋流強(qiáng)度繼續(xù)增大至1.08時，熱力型NOx的生成量減少。旋流燃燒器的一次風(fēng)和二次風(fēng)噴口加裝擴(kuò)口，擴(kuò)口的角度越大，徑向速度越大，可以增加前期的擾動，使空氣和燃料得到充分的混合，使燃燒更加充分，有助于降低NOx的生成[17]。焦樹建[18]的研究表明當(dāng)葉片數(shù)量過少，將會使氣流直通，氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度將會大幅度下降，從而會導(dǎo)致燃料燃燒不充分。白鳳玲等人[19]經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著旋流葉片角度的增大，NOx排放量在不斷地降低，但降幅不算太大?；诖耍瑸榱诉M(jìn)一步完善本課題組提出的低氮燃燒器的設(shè)計(jì)理論，明確旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與燃燒器低氮性能之間的具體關(guān)聯(lián)及影響程度，拓展燃燒器在工程上的實(shí)際應(yīng)用，本文著重研究旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)葉片末端偏轉(zhuǎn)角度、葉片重疊角度和葉片個數(shù)對燃燒室內(nèi)溫度分布和NOx排放的具體影響。

1 研究對象

低氮燃燒器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃燒器工作過程為：由燃燒室尾部抽取的部分低溫?zé)煔馀c空氣的混合物由助燃劑管道進(jìn)入燃燒器中，經(jīng)旋流器后形成旋轉(zhuǎn)流；燃?xì)饨?jīng)多個與燃燒器中心方向呈一定夾角的燃?xì)鈬娚涔車姵?；燃?xì)馀c助燃劑在喇叭式擴(kuò)口穩(wěn)焰裝置內(nèi)進(jìn)行充分混合燃燒。更為詳盡的結(jié)構(gòu)及工作過程詳見課題組申請的專利和發(fā)表的文章，即文獻(xiàn)[11-12]。該燃燒器用軸向旋流葉片內(nèi)嵌于中空環(huán)形圓柱體內(nèi)；旋流葉片呈雙曲面，設(shè)置多個，且在套管的徑向截面上等間隔設(shè)置，相鄰的兩個旋流葉片之間間隔設(shè)置形成流體的旋流通道。旋流葉片在套管內(nèi)、外側(cè)面上的連接方式如圖2所示。

圖1 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 葉片結(jié)構(gòu)及其連接方式示意圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)課題組發(fā)表的文章[13]中的同種燃燒器的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行，數(shù)學(xué)模型由連續(xù)、動量、能量和組分方程及附加的湍流、燃燒、輻射傳熱模型構(gòu)成。湍流模型采用Realizable k-ε模型，燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型，輻射模型采用P-1模型。對于天然氣燃燒過程中產(chǎn)生的NOx，NOx污染模型只考慮了熱力型NOx和快速型NOx，NOx僅考慮了NO。

3 模擬工況及邊界條件

將燃燒器應(yīng)用在1.4 MW燃?xì)饧訜釥t上，燃料為天然氣，其成分為82.89%CH4、8.98%C2H6、2.03%C3H8、0.87%CO2及1.84%N2；燃燒室截面為圓形，燃燒室平均直徑為1.1 m，長度為2.7 m；燃?xì)鈬娮熘睆綖? mm，噴嘴個數(shù)為31個，噴嘴傾角為32°；煙氣循環(huán)率為34%，過量空氣系數(shù)為1.15；助燃劑是空氣和循環(huán)煙氣組成的混合物。假設(shè)燃料燃燒完畢，通過混合空氣和循環(huán)煙氣，助燃劑的組分包括N2、CO2、H2O和O2，經(jīng)過多次循環(huán)燃燒計(jì)算可以得到各組分體積分?jǐn)?shù)依次為：74.6%、3.1%、8.7%和13.7%。這里選取葉片末端偏轉(zhuǎn)角度α、重疊角度（葉片間相互重疊所成的出口角度）β和葉片個數(shù)n作為研究對象，具體取值及其對應(yīng)的助燃劑邊界條件見表1。

表1 葉片參數(shù)及助燃劑入口邊界條件參數(shù)

4 網(wǎng)格劃分與模型驗(yàn)證

以旋流器入口端中心為零點(diǎn)坐標(biāo)，建立三維坐標(biāo)，以燃燒器本體、加熱爐爐體為數(shù)值計(jì)算區(qū)域，對旋流器和燃?xì)鈬娮爝M(jìn)行適當(dāng)加密。旋流器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜采用四面體網(wǎng)格，其余結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約300萬，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，對加裝該燃燒器的加熱爐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。通過燃燒器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)天然氣和助燃空氣的流量，并通過智能流量計(jì)顯示具體流量。通過德國ecom-EN2和ecom-J2KN型自動煙氣分析儀分別測定風(fēng)機(jī)出口處的助燃劑成分與溫度、燃燒室尾部煙道內(nèi)的煙氣成分、溫度以及NOx的排放濃度。煙氣分析儀O2的測量精度為±0.2%，NOx（NO、NO2）的測量精度為±5%，CO的測量精度為±5%。NOx和CO的測量結(jié)果均換算到3.5%O2下的標(biāo)準(zhǔn)值。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。由圖可知，煙氣中的O2濃度實(shí)測值與模擬值偏差小于15%，爐膛出口NOx排放值實(shí)測與模擬值偏差小于13%。因此，數(shù)值計(jì)算方法是可信的，可以進(jìn)行下一步的研究。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

5 影響加熱爐低氮性能的燃燒器旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

5.1 葉片末端偏轉(zhuǎn)角度

葉片末端偏轉(zhuǎn)角度α由42°增加到63°時燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布如圖5所示。助燃劑旋流強(qiáng)度與葉片末端偏轉(zhuǎn)角度的正切成正比。在同等條件下，葉片末端偏轉(zhuǎn)角度越大，旋流強(qiáng)度越大。這里便于分析，定義高于1 377 K的區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)。由圖可知，在低旋流強(qiáng)度時，助燃劑向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度較弱，燃?xì)夂椭紕┎荒芎芎玫鼗旌?，且高溫?zé)煔庖膊荒芎芎玫鼗亓骷訜嵛慈蓟旌蠚?，使得燃燒推遲，火焰細(xì)長，高溫區(qū)細(xì)長；隨著旋流強(qiáng)度的增加，助燃劑向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度增加，有利于燃?xì)獾目焖倬鶆驌交欤沟没鹧嫦蛉紵抑行妮S線偏移，燃燒室中心區(qū)域內(nèi)溫度升高，分布均勻性增強(qiáng)。另外，在燃燒室下游由于湍流黏性作用，使得爐墻處邊界層的速度分布較低，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，致使?fàn)t墻附近溫度較高，燃燒室中心區(qū)域溫度較低。結(jié)合圖5和表2可知，隨著葉片末端偏轉(zhuǎn)角度的增加，溫度峰值增加，但燃燒室出口處NO排放值并未呈現(xiàn)增高的趨勢，這主要可能是由高溫區(qū)的分布情況造成的。隨著葉片末端偏轉(zhuǎn)角度的增加，高溫區(qū)由細(xì)長型向?qū)捙中娃D(zhuǎn)變，工況3的高溫區(qū)域面積最大，工況1次之，工況2最小。在此處，高溫區(qū)的大小可能是影響NO生成量的關(guān)鍵因素，致使工況3的燃燒室出口NO排放值最高，工況1次之，工況2最低。

圖5 不同葉片末端偏轉(zhuǎn)角度下燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布圖

表2 不同葉片末端偏轉(zhuǎn)角度下燃燒室溫度和出口NO排放值

5.2 葉片重疊角度

葉片重疊角度β由30°增加到45°時燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布如圖6所示。隨著葉片重疊角度的增加，火焰由向內(nèi)偏轉(zhuǎn)形成的火焰團(tuán)轉(zhuǎn)變成向外偏轉(zhuǎn)的火焰團(tuán)。這是因?yàn)槿~片重疊角度的增加，使得葉片內(nèi)、外緣的曲率半徑增加。在相同旋流強(qiáng)度下，曲率半徑增加，氣流通道的彎曲程度減小，氣流通道長度增加，沿程損失增加，末端出口面積增加，致使出口端助燃劑流速減小。如此，燃?xì)夂椭紕┑幕旌辖佑|界面向助燃劑側(cè)偏轉(zhuǎn)，形成的火焰向外偏轉(zhuǎn)。高溫區(qū)域逐漸變窄變短。查看表3知，燃燒室出口NO排放值由16.23 mg/m3降低到7.86 mg/m3，由此同樣說明高溫區(qū)的增加致使NO的生成量增加。

圖6 不同葉片重疊角度下燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布圖

表3 不同葉片重疊角度下燃燒室溫度和出口NO排放值

5.3 葉片個數(shù)

不同葉片個數(shù)下燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布如圖7所示，葉片個數(shù)n由10增加到15。葉片個數(shù)直接影響旋流強(qiáng)度，旋流強(qiáng)度與葉片個數(shù)成正比。隨著葉片個數(shù)的增加，旋流強(qiáng)度增加，呈現(xiàn)出了圖5類似的變化規(guī)律，隨著旋流強(qiáng)度的增加，火焰逐漸向燃燒室中心軸線偏移。結(jié)合表4，對于NO排放值同樣顯示了高溫區(qū)的關(guān)鍵作用。

表4 不同葉片個數(shù)時燃燒室溫度和出口NO排放值

圖7 不同葉片個數(shù)下燃燒室內(nèi)Z=0平面溫度分布圖

綜上，旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對高溫區(qū)域的分布影響較大，進(jìn)而對NO的生成量有著顯著的影響。

6 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值仿真方法，對低氮燃燒器的旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了葉片末端偏轉(zhuǎn)角度、葉片重疊角度和葉片個數(shù)三種旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對加熱爐內(nèi)溫度特性和NO排放特性的影響。研究結(jié)果顯示：

（1）葉片末端偏轉(zhuǎn)角度、葉片重疊角度和葉片個數(shù)的變化對對火焰位置和高溫區(qū)的分布有著顯著的影響。

隨著葉片末端偏轉(zhuǎn)角度和葉片個數(shù)的增加，由于旋流強(qiáng)度的增強(qiáng)，火焰由外向內(nèi)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，高溫區(qū)由細(xì)長型逐步轉(zhuǎn)變成寬胖型；隨著葉片重疊角度的增加，氣流通道的彎曲程度減小，火焰由內(nèi)向外偏轉(zhuǎn)，高溫區(qū)域由寬胖型變瘦變短；隨著葉片個數(shù)的增加，同樣因旋流強(qiáng)度的增強(qiáng)，火焰由外向內(nèi)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，高溫區(qū)域由外向內(nèi)偏移，長度變短。

（2）在所研究的溫度范圍內(nèi)，燃燒溫度并不是影響NO排放值的關(guān)鍵因素，而是由高溫區(qū)大小決定，較大的高溫區(qū)域產(chǎn)生較高的NO生成量。