林得福

（福建南方路面機(jī)械股份有限公司，福建 泉州 362021）

0 引言

燃?xì)馊紵魇菍⑷細(xì)夂涂諝庖砸欢ǚ椒▏娚浠蚧旌虾筮M(jìn)行點(diǎn)燃的裝置的總稱[1]。燃?xì)馊紵魅紵a(chǎn)生的大氣污染物含有NOx。由于國家節(jié)能減排政策對(duì)工業(yè)污染物中NOx排放限值的要求逐漸提高，因此需要對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效合理的設(shè)計(jì)，優(yōu)化天然氣和空氣分布的比例和均勻性，以提高燃燒器燃燒的燃燒效果，從而降低NOx排放。隨著科技的發(fā)展，越來越多的學(xué)者基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)燃?xì)馊紵鞯娜紵植己腿紵ЧM(jìn)行過數(shù)值模擬和分析研究。

從優(yōu)秀學(xué)者的研究成果可以得出，有效合理的燃?xì)馊紵鹘Y(jié)構(gòu)對(duì)燃燒分布和低NOx廢氣排放具有決定性作用[2-3]。因此，基于以上考慮，該文提出了一種天燃?xì)舛嗉?jí)燃燒器，并對(duì)其燃燒分布和燃燒效果進(jìn)行了數(shù)值研究。該文通過Fluent軟件仿真，對(duì)比鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉對(duì)氣流分布的影響、旋流葉片回流強(qiáng)度分析、燃燒場(chǎng)產(chǎn)物的分布來研究多級(jí)燃燒器的燃燒分布，并判斷其燃燒效果和NOx的排放，研究結(jié)果對(duì)燃?xì)馊紵鞯娜紵植季哂幸欢ǖ膮⒖純r(jià)值。

1 燃燒器模型建立

1.1 三維結(jié)構(gòu)

燃?xì)馊紵饔晒娘L(fēng)機(jī)、燃?xì)夤艿馈⒎€(wěn)焰盤和爐膛組成。燃燒器的三維示意圖如圖1（a）所示。鼓風(fēng)機(jī)具有特殊的偏轉(zhuǎn)葉片，能對(duì)氣流產(chǎn)生一定的加速作用。燃燒器原理圖如圖1（b）所示，燃燒器頭部由天然氣噴管、穩(wěn)焰盤、環(huán)板和頭罩組成，燃?xì)鈬姽苎刂鴪A周均勻布置，共有多條燃?xì)鈬姽?，每個(gè)燃?xì)鈬姽苌隙加行】?，燃?xì)饽芡ㄟ^該結(jié)構(gòu)均勻輸送到穩(wěn)焰盤進(jìn)行點(diǎn)火。穩(wěn)焰盤由兩級(jí)旋風(fēng)葉片組成，以30°角安裝，如圖1（c）所示。

圖1 燃?xì)馊紵髡w與部件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

由于燃燒器模型的形狀不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算的模型劃分細(xì)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量約904 萬個(gè)。使用Fluent 軟件進(jìn)行模擬，并使用Meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖2 所示，燃燒頭器頭罩、穩(wěn)焰盤葉片、燃?xì)鈬姽艿炔糠纸Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃?xì)庠诖颂帗交欤瑫r(shí)發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)。此處劃分的網(wǎng)格密集，網(wǎng)格尺寸設(shè)置較小，網(wǎng)格數(shù)量較多。非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格用于重要流體區(qū)域內(nèi)，如燃燒器和爐膛的燃燒區(qū)域，需要滿足經(jīng)濟(jì)和性尺寸的要求。最小網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格的Element Quality 大于0.2，Skewness 小于0.85，Orthogonal Quality 大于0.2，縱橫比大于1.6。燃燒器中的流體區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此該文數(shù)值計(jì)算將整個(gè)流體域分為3 個(gè)部分，即空氣段為AirPart，燃?xì)舛螢镃H4Part，爐膛為FurnacePart。

圖2 燃?xì)馊紵饔?jì)算域的三維網(wǎng)格

1.3 邊界條件和計(jì)算過程

燃?xì)馊紵鞯闹饕細(xì)馊剂蠟榧淄椋–H4）。燃?xì)膺M(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口，燃燒器壁面采用無滑移邊界。爐膛負(fù)壓為-65Pa，燃燒器負(fù)荷為50%，燃?xì)饬髁繛?575m3/h，氣流流量為燃?xì)饬髁砍艘?.35，2165.25m3/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1522r/min。邊界條件根據(jù)輸入流量和進(jìn)氣口、甲烷口的截面積計(jì)算，其中進(jìn)氣速度為18.92m/s，進(jìn)氣速度為28m/s。黏性模型采用k-ε 湍流模型，組分輸運(yùn)與反應(yīng)模型選擇渦耗散模型，材料屬性設(shè)定為甲烷-空氣混合物。第一部分是流體域冷流場(chǎng)的計(jì)算。對(duì)燃燒場(chǎng)的第二部分設(shè)定出口壓力至爐膛監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力等于-65Pa，直至體積反應(yīng)計(jì)算收斂，再進(jìn)行第三部分的輻射場(chǎng)計(jì)算。冷態(tài)是指僅進(jìn)行甲烷和空氣的流動(dòng)，甲烷和空氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的質(zhì)量和動(dòng)能的交換，在燃燒器內(nèi)形成的流場(chǎng)包括速度、壓力和組分濃度分布等。經(jīng)過冷態(tài)場(chǎng)研究后，燃燒器結(jié)構(gòu)還需要在燃燒情況下，利用燃燒產(chǎn)物等指標(biāo)研究甲烷-空氣混合物的流動(dòng)和燃燒特性的影響。

2 仿真結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬研究了該燃燒器的燃燒溫度分布、燃燒效果以及燃燒器各部分對(duì)燃燒效果的影響，以下是該文研究的結(jié)果。對(duì)比鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉對(duì)氣流分布的影響、旋流葉片回流強(qiáng)度分析和燃燒場(chǎng)產(chǎn)物的分布來研究多級(jí)燃燒器的燃燒分布。

2.1 鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉對(duì)氣流分布的影響分析

鼓風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉具有特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉沿圓周均勻分布，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，氣流對(duì)燃燒效果有明顯的促進(jìn)作用。鼓風(fēng)機(jī)布置在空氣進(jìn)口的前端，氣流流過風(fēng)機(jī)后會(huì)對(duì)下游的氣流造成一定的擾動(dòng)。

一方面，流場(chǎng)橫截面的速度云圖如圖3 所示，導(dǎo)流葉片安裝體后端的背壓作用明顯，對(duì)一次風(fēng)量有影響，氣流在吸力面產(chǎn)生相應(yīng)的壁面效應(yīng)，從而產(chǎn)生了相應(yīng)的加速作用。流體速度從鼓風(fēng)機(jī)的尾部明顯下降，并沿中心線逐漸擴(kuò)散到穩(wěn)焰盤的前端。在鼓風(fēng)機(jī)尾端，氣流的流動(dòng)截面突然改變，流速降低。為減少鼓風(fēng)機(jī)對(duì)后端氣流分布的影響，鼓風(fēng)機(jī)與穩(wěn)焰盤之間的距離可以加長，這樣氣流通過鼓風(fēng)機(jī)后在穩(wěn)焰盤附近能有足夠的距離進(jìn)行混合，可以增加穩(wěn)焰盤前端面的速度均勻性，但這也必然會(huì)增大燃燒器的結(jié)構(gòu)尺寸，影響在實(shí)際生產(chǎn)中的使用。

圖3 流場(chǎng)橫截面的速度云圖

另一方面，AirPart 流域的流線如圖4 所示，流線分布均勻，流向角度改變小，葉片的導(dǎo)流作用較弱，背壓區(qū)有弱旋流，沒有回流。在鼓風(fēng)機(jī)的影響下，氣體流速加快，使氣體均往火焰點(diǎn)火方向進(jìn)行流動(dòng)，這有助于燃燒器中火焰的燃燒。從圖4 中也能夠觀察到在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)過穩(wěn)焰盤后的速度增大。這是因?yàn)樵诜€(wěn)焰盤多級(jí)旋流的作用下，速度流線增大。同時(shí)，多級(jí)旋流利用流體的壓力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而能使燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)行充分混合，再經(jīng)過燃燒器點(diǎn)火裝置點(diǎn)火，進(jìn)而得到更好的燃燒分布。

圖4 AirPart 流域的流線

2.2 旋流葉片回流強(qiáng)度分析

在穩(wěn)焰盤內(nèi)，一級(jí)旋風(fēng)葉片采用一次風(fēng)送風(fēng)，二級(jí)旋風(fēng)葉片采用二次風(fēng)送風(fēng)，穩(wěn)焰盤旋流外圈外的氣流采用三級(jí)風(fēng)送風(fēng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，總風(fēng)量約為17800m3/h，一次風(fēng)量約為2867.8m3/h，從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，一次風(fēng)量占總風(fēng)量的16.1%。將穩(wěn)焰盤Z截面上不同位置的速度矢量圖的分析如圖5 所示，能夠得出穩(wěn)焰盤區(qū)域氣流旋流向前，沒有回流。氣流主要沿軸向擴(kuò)散，遠(yuǎn)離圓盤表面，同時(shí)由于通道收縮會(huì)產(chǎn)生徑向?qū)α?，有利于CH4與空氣進(jìn)行混合。在多級(jí)旋流的作用下，CH4在穩(wěn)焰盤上的分布也較為均勻，這樣在穩(wěn)焰盤前能夠充分和空氣進(jìn)行混合，有助于火焰的燃燒。

圖5 熱態(tài)流場(chǎng)盤后Z 橫截面CH4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)速度矢量圖

2.3 燃燒產(chǎn)物的分布

甲烷與空氣接觸時(shí)間短會(huì)導(dǎo)致混合不均勻，燃燒會(huì)不充分。這不僅浪費(fèi)能源，污染環(huán)境，而且燃燒時(shí)火焰溫度低，不適合高溫生產(chǎn)場(chǎng)所。這就使研究一種安全、燃燒徹底、燃燒效率高且NOx 排放濃度低的燃燒器變得極其重要。因此，通過數(shù)值計(jì)算以確定燃燒是否充分和有效的燃料的殘余，燃燒產(chǎn)物的分布。

熱力型NO 生成速率和快速型NO 生成速率如圖6 和圖7 所示，從中可以看到熱力型NO 和快速型NO 在燃燒室中的成速率。在穩(wěn)焰盤前及爐膛內(nèi)的NO 生成速率較快，污染物NO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。這是因?yàn)榉€(wěn)焰盤和爐膛內(nèi)存在燃燒不充分的現(xiàn)象。熱力型NO 是空氣中的氮在高溫下氧化而成的，溫度對(duì)NO 的形成有較大的影響。而快速型NO 是CH4與空氣燃燒下通過氧化得到的。如果燃燒較充分，快速型NO 的產(chǎn)量應(yīng)更低。然而，對(duì)比圖6 和圖7 中NO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也能夠判斷出此次燃燒不充分，還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6 熱力型NO 生成速率

圖7 快速型NO 生成速率

對(duì)爐膛內(nèi)部的燃燒產(chǎn)物NO 的分布如圖8 所示，叢中可以清楚地觀察到NO 在燃燒室各個(gè)部分的濃度。爐膛內(nèi)部的NO 濃度較大，火焰形成部分的NO 濃度較小。這是因?yàn)樵诨鹧嫘纬刹糠值娜細(xì)馀c空氣混合的較均勻，燃燒較為充分。但是在火焰尾部，隨著溫度的降低，快速型NO產(chǎn)生的較多，即圖6、圖7 的局部放大圖中被淺色包圍的深色區(qū)域NO 濃度較高。此外，也能觀察到燃燒器和爐膛內(nèi)大部分區(qū)域的NO 濃度較低，這是因?yàn)闋t膛內(nèi)CH4和CO基本上燃盡，多余的產(chǎn)物較少。因此，從NO 總的生成量來看，該多級(jí)燃燒器燃燒情況較好，NO 排放濃度相對(duì)較低，但還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行改進(jìn)。

圖8 X=0 時(shí)截面為NO 分布

3 結(jié)論

導(dǎo)流葉片安裝體后端的背壓作用明顯，對(duì)一次風(fēng)量有影響，氣流在吸力面形成一定的壁面效應(yīng)，具有一定的加速效應(yīng)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一次風(fēng)量約占總風(fēng)量的16.1%。穩(wěn)焰盤區(qū)域氣流旋流向前，沒有回流。氣流主要沿軸向擴(kuò)散，遠(yuǎn)離圓盤表面，同時(shí)會(huì)因通道收縮而產(chǎn)生徑向?qū)α鳌?/p>

爐膛內(nèi)燃料燃燒較充分，燃?xì)饽芑旧先急M，爐膛內(nèi)NO 的濃度較低。但在穩(wěn)焰盤前和爐膛內(nèi)會(huì)存在熱力型和快速型NO 的生成。

和實(shí)際試驗(yàn)相比，該文仿真結(jié)果較理想，在燃燒器燃燒產(chǎn)物生成和火焰溫度等對(duì)照上還應(yīng)采用更深入的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?；贑FD 技術(shù)研究多級(jí)燃燒器的燃燒分布可為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供一定的參考。