一次空气的喷入量对蓄热式烧嘴燃烧性能的影响

李鹏　王连勇

摘要：文章利用fluent流体软件对采用空气分级燃烧方式的蓄热式烧嘴燃烧性能的影响因素进行了数值分析。研究发现，适当控制预燃室内一次空气的喷入量，可增大火焰体积和温度的分布数值，增强炉温分布的均匀性和降低NOx排放。

关键词：蓄热式烧嘴；预燃室；预热方式；温度场；NOx；燃烧性能 文献标识码：A

中图分类号：TK233 文章编号：1009-2374（2015）15-0070-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.036

1 概述

高温空气燃烧技术是一项全新型燃烧技术，具有预热空气高、节能效果显著和适用各种燃料性等特点，已在冶金、化工和机械等领域取得了显著的经济效益和环境效益。该技术的关键在于燃烧过程是在高温低氧气氛中进行，实现真正意义上的高温空气燃烧，形成了与传统燃烧迥然不同的火焰特性，而实现高温空气燃烧方法主要是燃料的分级燃烧和空气的分级燃烧。

笔者工作中所设计的加热炉也采用了蓄热式燃烧方式对工件进行加热，所使用的蓄热式烧嘴采用的燃烧方法是后者，即空气的分级燃烧，因此本文以此类型的蓄热式烧嘴为研究对象，利用FLUENT流体计算软件对该类蓄热式烧嘴展开数值分析，研究该类烧嘴的参数设置对温度场和NOx排放浓度的影响。

2 蓄热式烧嘴结构及特点

此类蓄热式烧嘴燃烧的煤气主要是城市煤气、天然气、液化气等高热值煤气，此类煤气热值高，空燃比大，因此一般采用煤气不预热，空气蓄热预热的燃烧方式，通过设置辅助烟道排出炉内约15%的烟气。此类蓄热式烧嘴的特点是燃料喷口置于中心，空气分为2级供给烧嘴燃烧，即一次空气和二次空气。一次空气为不预热的冷空气，二次空气为通过蓄热体预热后的高温空气。燃料先与一次空气在混合喷口内燃烧，这时的燃烧是不完全燃烧，然后在炉膛内再与二次高温空气混合进行二次的完全燃烧。

3 计算模型及网格划分

计算模型为专门为测试烧嘴性能设计制作的实验性加热炉。该加热炉为矩形结构，设计的理论供热负荷为585kW。炉膛结构尺寸为3000mm长×1000mm宽×1200mm高，测试的蓄热式烧嘴布置在炉子侧墙中部，辅助排烟的烟气出口布置在烧嘴对面侧墙，排烟口直径为100mm。一次空气入口直径为35mm，燃气入口直径为30mm，二次空气出口直径为30mm，混合喷口为碗型结构，设计尺寸为200mm深×100mm直径；混合喷口中心距二次空气出口中心的中心间距75mm。考虑计算的经济性和对称性，选择烧嘴和炉膛结构的1/4对称体为模拟对象。蓄热式烧嘴和炉膛采用六面体网格划分，燃料、空气进口和烟气出口采用贴面网格。

4 控制方程

本文以FLUENT软件为计算工具，采用k-ε湍流双方程模型、PDF燃烧模型，该模型不仅考虑了气体的吸收系数和发散系数对炉膛温度的影响，同时可使用灰体光段模型进行非灰体辐射计算。燃烧过程产生的氮氧化物（NOx）的生成机制有热力型和快速型两种。

本文模拟选用的空气的含氧量为21%，氮气为79%，选用的燃料为天然气。

5 一次空气速度对温度场和NOx浓度场的影响

由此类空气分级燃烧方式的蓄热式烧嘴的燃烧原理及其结构特点，在混合喷口内的不完全燃烧对炉膛内燃料的再次燃烧以及NOx的排放浓度有着重要的影响，当蓄热式烧嘴的结构及尺寸确定的情况下，一次空气的喷入速度对混合喷口内的燃烧状况有着直接的影响。本文主要分析了三组不同流速参数下（见表1）时炉内温度场的特点和NOx浓度场的特点。

表1 流速参数表

流速参数 参数① 参数② 参数③

一次空气流速Va/（m/s） 0 30 60

二次空气流速Vb/（m/s） 54 51 48

煤气流速Vf/（m/s） 24 24 24

公用参数：燃料温度300K；一次空气温度300K；二次空气温度1273K；空气过剩系数α=1.05

5.1 一次空气速度对温度场的影响

图1 三种参数下的温度场

通过图1模拟显示的温度场可以看出，一次空气喷入速度的变化，烧嘴的燃烧性能出现明显变化。随着一次空气喷入速度逐渐加大，烧嘴混合喷口的出口温度显著增大，当一次空气速度达到60m/s时，烧嘴混合喷口的出口温度达到1505K；但是火焰的最高温度却是逐渐降低，由参数①条件下的2550K降到参数③条件下的2300K；而且随着一次空气喷入速度逐渐加大，烧嘴的火焰的体积逐渐变大，火焰温度大于1600K的高温区域逐渐扩散。炉温分布的均匀性增强。

初步分析认为，造成这一现象的原因是因为一次空气与燃料在混合喷口内的燃烧是不完全燃烧，混合喷口内燃料多而助燃空气少，燃料未完全燃烧，这种不完全燃烧所产生的结果就是燃烧所产生的高温烟气对未完全燃烧的燃料起到了极好的稀释作用，使燃料在出混合喷口时便具有了很高的速度和温度。这种含有大量未燃烧燃料的高温高速燃烧气体在烧嘴的混合喷口喷出时，同时会卷吸大量的炉膛烟气降低了火焰温度，而且这种高速高温的燃烧气体具有较强的扩散能力。因此，随着一次空气喷入速度增加，蓄热式烧嘴燃烧火焰温度降低，火焰体积变大。

5.2 一次空气速度对NOx浓度场的影响

为了研究一次空气速度对NOx浓度场的影响，沿着火焰长度方向剖取10个断面，计算每个断面上的NO的浓度，将计算的结果绘制图表，见图2：

图2 不同参数下NO浓度

从图2中可以发现，一次空气速度对NO浓度的影响与对温度场影响不同，与一次空气喷入速度并不是成比例变化。当一次空气后喷入后，NO的浓度大大降低了，特别是当一次空气速度在30m/s时，NO的浓度降低了约60%；但是一次空气速度达到60m/s时NO浓度并没有进一步降低，却是有所上升，但上升幅度并不是很大。分析其原因是因为在一次空气速度达到60m/s时，炉膛温度在这三种情况下最高，导致热力型NO增多的缘故，但由于火焰的最高温度降低和炉温均匀性增强缘故，NO浓度并没有出现较大的增加。

6 结语

对于采用空气分级燃烧方式的蓄热式烧嘴，一次空气速度对烧嘴性能影响很大。一次空气在混合喷口内与燃料的不完全燃烧对燃料在炉膛内的再次燃烧有重要影响。当没有一次空气喷入时，烧嘴燃烧体现为火焰体积小，温度梯度大且生成较多的NOx，随着喷入的一次空气速度逐渐变大时，烧嘴燃烧的火焰体积变大，温度梯度逐步减小，火焰温度均匀性增强，NOx产生浓度也大大降低。模拟结果表明，这种燃烧方式可增加火焰长度，炉温均匀性较好且NOx产生浓度较低。而且通过数值模拟，也为该类烧嘴在工程中的应用提供可靠依据，具有实际指导意义。

参考文献

[1] Hasegawa T，Mochida S.，Gupta A K.Development of Advanced Industrial Furnace Using Highly Preheated Air Combustion[J].Journal of Propulsion and Power，2002，18（2）.

[2] 王力军，蔡九菊，邹宗树，郝玉玲.高温低氧燃烧炉内等温流场特性的数值分析[J].东北大学学报（自然科学版），2003，24（2）.

[3] WANG Ai-hua，CAI Jiu-ju，XIE Guo-wei.Numerical Simulation of Combustion Characteristics in High Temperature Air Combustion Furnace[J].Joural of Iron and Steel Research，International，2009，16（2）.

（责任编辑：黄银芳）endprint