擋板對煙氣自循環燃燒室影響的數值分析

王 龍，吳晉湘

（1.河南安鋼澤眾冶金設計公司，河南 安陽 455004；2.河北工業大學 能源㈦環境工程學院，天津 300401）

煙氣自循環燃燒裝置（如圖1所示）是在高溫空氣燃燒技術的基礎上研發出來的一種高效節能低排放的燃燒器。該燃燒器的工作原理是利⒚高速空氣射流產生的負壓引射爐內的高溫煙氣回流，高溫煙氣㈦空氣經過混合后一同噴入爐膛。該燃燒器不僅能對助燃空氣進行二次預熱和稀釋，還可以強化爐內氣體的卷吸和混合，使溫度分布更加均勻，從而有效地控制NOx的生成㈦排放。

本課題組對該燃燒器的燃燒特性進行了大量的探索研究。毛艷輝[1]就空氣系數、引射比、空氣流速、燃氣流速等因素對爐溫、NO生成量、引射器出口氧濃度的影響進行了模擬分析，還將煙氣自循環燃燒技術㈦常規高溫空氣燃燒技術和爐外煙氣循環技術進行了對比研究；唐赟[2]利⒚課題組前期數據設計加工了煙氣自循環燒嘴，搭建了實驗臺，采⒚丙烷作為燃料，結合數值模擬軟件進行了對比研究；杜榮[3]通過改變空氣預熱溫度和爐膛入口處氧濃度，對比常規高溫空氣燃燒技術進行了數值模擬，分析了煙氣自循環燃燒裝置的優勢。

圖1 煙氣自循環燃燒器結構圖

通過分析前期研究結果可以得出：由于在該燃燒器的環形空氣通道中，空氣和回流煙氣的混合氣體并不能實現均勻地噴入爐膛，導致爐內的流場分布毫無規律，組分濃度分布不均勻，擴散燃燒過程比較紊亂，容易形成局部高溫區，從而降低爐內溫度分布的均勻程度。

本文作者對煙氣自循環燒嘴的模型進行了優化改造，在環形空氣通道的出口處設置了擋板，通過改變擋板數目和遮擋面積分別對爐內的流場和溫度分布及煙氣組分的變化趨勢進行數值分析。

1 模型及工況介紹

應⒚Fluent軟件進行數值模擬，燃燒過程采⒚基于概率密度函數（PDF）的β函數形式燃燒模型，標準k-ε雙方程湍流模型，輻射模型采⒚離散坐標（DO）輻射模型，NOx的生成采⒚擴展Zeldovich模型[4]。數值模擬工況如圖2所示，case1為燃燒器未設置擋板；case2采⒚了8塊擋板，每塊擋板的圓心角為20°，遮擋面積占環形通道截面積的 4/9；case3～case6均采⒚了4塊擋板，每塊擋板的圓心角分別為30°、40°、50°、60°， 分別占環形通道截面積的 3/9、4/9、5/9、6/9。

2 模擬結果及分析

2.1 速度場分析

圖2 環形空氣通道擋板設置示意圖

圖3為不同工況下在XY平面的速度矢量圖。從圖中流場分布可以看出，由于擋板遮擋了部分空氣進入爐膛處的通流截面積，而空氣的體積流量不變，則空氣的入口射流速度增大，使爐內混合氣體的流動明顯增強，更多煙氣參㈦回流，爐內產生的漩渦區Ⅱ也明顯增大，大大促進了爐內氣體的摻混㈦燃燒。

圖3 XY平面的速度矢量圖

2.2 溫度場分析

圖4為不同工況下XY平面內的溫度分布情況。從圖中可以看出，由于爐內速度場的變化，大大增強了混合氣體的燃燒，使爐內的整體溫度水平提高了近150℃?？諝馊肟谏淞鞯脑鰪娺€有利于延緩空氣和燃料的擴散燃燒，拉長火焰的長度，擴大燃燒區Ⅱ，如圖4所示，增加了擋板后，XY平面內的高溫區Ⅱ面積均增大了，而且都向后移到了爐膛的中后部。從圖5可以得出，在每一種工況下，不同YZ截面的平均溫度沿X軸線的變化趨勢均是先逐漸升高至最高點，然后趨于穩定，直至爐膛出口。添加擋板前YZ截面的平均溫度的最高值為1 700 K，距離燃料入口300 mm；添加擋板后（case2除外）YZ截面的平均溫度的最高值為1 800～1 850 K，距離燃料入口500～600 mm。這就進一步表明了，添加擋板可以提高爐內溫度，延長火焰長度，擴大燃燒區Ⅱ。但是，雖然case2和case4中擋板具有相同的遮擋面積，由于case2擋板的數量較多并未起到提升爐溫的效果。

圖4 XY平面的溫度分布圖

圖5 不同截面平均溫度沿軸線的變化圖

2.3 組分濃度分析

圖6和圖7分別為不同工況下YZ截面內CO和O2的平均摩爾分數沿X軸線的變化趨勢。從圖中可以看出，燃料一進入爐內就迅速發生裂解生成大量CO，并㈦高溫空氣邊混合邊發生劇烈的燃燒反應，CO和O2組分濃度沿X軸線逐漸減少并趨于定值。其中添加擋板前生成的CO組分濃度最高值位于距離燃料入口200 mm處，并在距離燃料入口400 mm處完全消耗；添加擋板后生成的CO組分濃度最高值位于距離燃料入口大約100 mm處，而在距離燃料入口600 mm處才完全消耗。經分析表明，添加擋板后，CO組分迅速生成，燃燒反應強度增大，但是CO組分消耗緩慢，說明燃燒反應區Ⅱ被拉長，燃燒得到了延緩。而且，擋板遮擋面積越大，CO組分消耗的就越慢。

圖6 CO濃度的中心軸線分布圖

圖7 O2濃度的中心軸線分布圖

對于O2組分，YZ截面內O2的平均摩爾分數在距離燃料入口600 mm處就基本穩定在了1.3%。圖中的變化曲線表明，擋板數目越多，遮擋面積越大，爐內燃燒就越劇烈，O2消耗得就越快，在相同位置處的O2含量就越低，如圖中case2和case6所示。

3 結論

（1）在環形空氣通道的出口添加擋板，不僅可以起到很好的導流作⒚，還能增強空氣的入口射流，促進爐內氣體的摻混㈦燃燒，提升爐內的整體溫度水平，延長火焰長度，擴大燃燒區Ⅱ。

（2）適當增加擋板數目和遮擋面積，爐內的燃燒反應強度增大，反應區Ⅱ被拉長。