醇基燃料燃燒器的優化設計

胡艷花,李萬陶

(武警士官學校,浙江 杭州 310005)

燃燒器是保證燃料安全、充分燃燒的重要設備,目前,在市場上已有針對醇基燃料的燃燒特性而開發的燃燒器,但是,大多數是在燃油燃燒器基礎上改進的,對旋流器的結構性能缺少系統性研究。醇基燃料和常規燃油燃燒器的適配性較差。如圖1所示,一般會使用輕油燃燒器燃燒醇基燃料,燃燒時會有大量的黃色火焰,燃燒不充分,導致氮氧化物排放量過多和燃燒效率低下等問題。此外,在燃燒過程中容易積碳,從而堵塞管道會降低燃燒器的使用壽命。

圖1 燃燒系統實物圖

如圖2所示,由輕油燃燒器出口的流場特性及速度分布規律可知:穩焰碟對中心直流風、平板槽口的旋流風及燃燒筒邊緣的周界風三部分的風量分配和氣流特性有直接的關系[1-2]。這款平板式穩焰碟的氣流有效流通面積小,且氣流通過平板槽縫時阻力損失較大,旋流強度較小,燃料與空氣混合不均勻,不能形成有效回流區,導致燃燒不理想。

圖2 燃燒器實物圖

因此,為實現醇基燃料充分燃燒和降低NOx排放量的目的,本文針對一款熱風型小功率燃燒器(100～200 W),設計了軸向葉片旋流器和煙氣回流裝置。旋流結構可以增強燃料和空氣的混合,有利于醇基燃料的充分燃燒,減少NOx濃度的排放。煙氣回流裝置可卷吸高溫煙氣對混合燃氣進行預熱,提高醇基燃料的霧化質量,減少局部高溫區,可明顯降低NOx的排放。采用數值模擬的方法,研究不同的旋流角度、旋流葉片個數和回流口寬度的溫度分布特性和爐膛出口NOx濃度等變化規律,這為醇基燃料的推廣和應用奠定了理論基礎[3-4]。

1 醇基燃料燃燒器優化設計

1.1 旋流結構設計

軸向葉片旋流器結構如圖3所示,采用一次直流風,二次旋流風的通道布置,旋流器與燃燒筒之間留有較小縫隙,為三次直流風。一次直流風保證了火焰燃燒時的射流長度,同時與周圍高溫煙氣的混合,增強氣流間的對流傳熱;二次旋流風有利于形成回流區,可進一步增強燃料和空氣的混合,加強火焰燃燒的穩定性。同時,減小了二次風的軸向速度,避免二次風穿過火焰擴展區,有利于縮短火焰長度,燃料進行充分燃燒;三次直流風能夠為燃料提供充足的助燃空氣,促進醇基燃料的進一步燃燒,減少炭黑的生成;軸向葉片旋流器的阻力小于平板式穩焰碟,具有較強的旋流強度,增強燃料與空氣的混合。旋流器主要結構尺寸,如圖4所示。

圖3 軸向葉片旋流器結構

圖4 旋流器主要結構尺寸

1.2 煙氣回流結構設計

在旋流結構的基礎上,增加煙氣回流裝置。該結構可以在不增加成本和空間的前提下明顯降低NOx的排放[5]。如圖5所示,將燃燒器出口邊緣改為縮口結構,并在回流筒上開設環形回流口。在縮口的作用下,高溫煙氣可從回流口流回燃燒筒的內部,煙氣回流量的多少可以通過回流口的寬度來控制?；亓骺诰砦母邷責煔?對反應的混合燃氣進行預熱,提高醇基燃料的燃燒速率,減少局部高溫區的生成,從而降低NOx的排放。

圖5 煙氣回流結構

旋流角度與空氣的旋流強度有關。當旋流角度過小時,不能夠對氣流起到旋流作用,空氣與燃料射流的接觸面積小,時間短;而當旋流角度過大時,火焰易被吹熄。此外,在高旋轉氣流中,由于逆壓梯度的增加,回流會受到限制,向燃燒器的上游區域移動,這種情況容易燒壞燃燒器出口的部件。而旋流葉片的個數會影響燃料的燃燒行為和燃燒器出口流場特性,從而影響火焰的穩定性和NOx的排放量。高溫煙氣適當的回流量可對醇基燃料起到預熱效果,加快蒸發過程,提高醇基燃料的燃燒速率。由此可見,旋流角度和旋流葉片個數是軸向旋流器設計的關鍵部分。采用數值模擬的方法,對設計的旋流結構進行模擬試驗研究,得出最佳的旋流角度和葉片個數。對不同參數的回流口寬度,Wtube-buner,進行分析,合理控制煙氣的回流量,燃燒器在燃燒器醇基燃料時,具有燃料適配性高、燃燒充分、NOx排放少等特點。

2 仿真分析

2.1 模型建立與網格劃分

采用SOLIDWORK建立物理模型,如圖6所示,用ICEM CFD進行網格劃分,為保證網格質量,和對幾何模型的有效貼合,模型采用四面體-六面體的混合網格進行劃分,燃燒室為六面體,由于燃燒器頭部結構較為復雜,所以采用四面體網格,它能夠更準確地貼合該結構。燃燒器整體網格分布,如圖7所示。

圖6 計算模型尺寸

圖7 燃燒室整體網格分布

2.2 邊界條件及求解

湍流模型用標準k-ε模型,忽略分子間黏性的影響[6-7],湍流強度設為11%;選用非預混燃燒模型;輻射模型用P-1,NOx生成用熱力型模型;燃油霧化過程用壓力模型[8-9];入口邊界條件:空氣為速度入口,燃料為甲醇,其中空氣質量流率約為0.087 36 kg/h,甲醇質量流率約為0.012 kg/h,過量空氣系數約為1.12。燃料進口溫度設置為301 K。出口邊界條件:設置為壓力出口,數值為0。壁面邊界條件:設置壁面溫度為500 K。方程用壓力求解器進行求解,用SIMPLE算法進行耦合。在計算的過程中,先采用一階定常隱式格式求解連續相,等流場穩定后,加入離散相DPM模型[10],將離散相和連續相進行耦合求解直至收斂。

本文分別對五種旋流葉片角度、五種旋流葉片以及四種回流口寬度Wtube-buner下的爐內燃燒進行了數值模擬。旋流葉片角度設置、旋流葉片數量設置以及Wtube-buner設置如圖7所示。

2.3 網格獨立性驗證及實驗驗證

對網格獨立性進行驗證不僅有利于保證計算結果的可靠性,還有助于保證計算效率。本文首先對燃燒器未優化前的燃燒進行了數值模擬,分別采用的網格數量為326 487,521 434,718 291和931 042。實驗中,由爐膛上壁插入熱電偶以檢測爐內溫度,熱電偶布置如圖8所示。圖9為不同網格數值模擬獲得的溫度數據和實驗數據對比。如圖7所示,隨著網格數量的增加,數值模擬溫度越接近實驗溫度,當網格大于等于718 291時,溫度數據無明顯變化。因此,本文選擇的網格數量為718 291。另外,如圖9所示,由于數值模擬中的計算模型存在必要的簡化,實驗值與溫度值存在偏差,但網格數量為718 291時,平均偏差不超過16%,符合計算要求。

圖8 爐內熱電偶布置示意圖

圖9 數值模擬溫度與實驗溫度對比

2.4 數值模擬結果

圖10為不同旋流角度下的爐膛中心截面溫度分布,由圖10可知,優化后的燃料在燃燒器出口處可快速蒸發混合燃燒,火焰穩定性增強且長度縮短,爐膛中的火焰充滿度增加。

圖10 不同旋流角度下爐膛中心截面溫度分布

旋流角度從20°增大到40°時,火焰最高溫度減小,火焰在爐膛內的充滿度逐漸增加,溫度分布趨于均勻,火焰長度減小。這是因為旋流角度的增加,爐膛內形成回流區面積增加,可卷吸較多的高溫煙氣有利于醇基燃料的汽化和火焰穩定性[11],從而使溫度分布更均勻化,火焰也長度逐漸減小。當旋流角度為40°時,局部最高溫度最小,為1 872 K,在保證足夠的燃燒強度下,減少了積碳的生成。這與文獻中的結論一致[1-2],兩者的溫度分布規律類似,高溫區均在爐膛尾部區域,由此可判定數值模擬的結果是可靠的。

圖11為不同旋流角度下爐膛出口處NO濃度分布,由圖11可知,優化前生成較多的NO,最高濃度為1 140×10-6。優化后爐膛出口處的NO濃度比優化前爐膛出口處的NO濃度明顯下降。隨旋流角度的增加,爐膛出口處NO濃度先減小后增加。當旋流角度為40°時,NO生成量最少,其最高含量為146×10-6。

圖11 不同旋流角度下爐膛出口處NO濃度分布

不同旋流葉片個數下爐膛中心截面溫度分布,如圖12所示。葉片個數的改變對溫度場影響顯著。當葉片個數從8增加到16時,爐膛最高火焰溫度不斷升高。同時,隨著葉片個數的增加,爐膛內火焰充滿度增加,高溫區面積呈先減小后增大的趨勢。這表明隨旋流葉片個數的增多,它的導流作用更強,爐膛內的氣流擾動增加,有利于燃料與空氣的充分混合。

圖12 不同旋流葉片個數下爐膛中心截面溫度分布

圖13為不同旋流葉片個數下爐膛出口處的NO濃度分布,由圖13可知,當葉片個數從8增加到16時,爐膛出口處NO濃度的排放量呈先減小后增多的趨勢,當旋流葉片為12個時,出口處的NO濃度最低,數值為106×10-6。這主要是由于NO的生成嚴重依賴于火焰溫度,NO濃度的生成與局部高溫區的大小密切相關。

圖13 不同旋流葉片個數下爐膛出口處的NO濃度分布

圖14、圖15分別是為不同回流口寬度Wtube-burner下壓力圖分布圖和速度矢量圖,由圖14～圖15可知,在回流口附近壓力小,形成了回流,且回流區的面積隨回流口寬度的增大而增加,在回流口的作用下,可吸卷高溫煙氣。這是由于火焰區軸向流速大,形成負壓,爐膛內煙氣被卷吸至火焰區?？刂苹亓骺趯挾?可以有效控制進入火焰區的回流煙氣。

圖14 不同回流口寬度下壓力分布

圖15 不同回流口寬度下速度分布

圖16為不同回流口寬度Wtube-burner下爐膛中心截面溫度分布,由圖16可知,隨回流口寬度的增大,膛內最高溫度逐漸降低。當Wtube-burner為0 mm時,膛內最高溫度值為2 057 K,當Wtube-burner為30 mm時,爐內最高溫度降低為1 980 K,且高溫區的面積明顯減小。這是由于隨回流口寬度的增大,煙氣回流量不斷增加,循環的煙氣內含有大量的惰性氣體,尤其是H2O和CO2等三原子分子,分子比熱較大,能夠稀釋空氣,回流量增加的同時會降低助燃空氣中的氧分壓,從而降低燃燒的反應溫度,高溫區減小。

煙氣回流對燃燒過程的NO濃度的形成有著重要的影響,如表1所示。當Wtube-burner為30 mm時,煙氣回流量最大,回流率也最大,爐膛出口處NO濃度最低,僅有124×10-6,這表明煙氣回流量控制在合適的范圍內,回流時卷吸的高溫煙氣對促進醇基燃料的燃燒具有顯著作用。一方面,煙氣回流有利于增強燃料的蒸發和火焰的穩定。另一方面,回流煙氣可降低爐膛內高溫貧氧燃燒區,可明顯降低NO濃度。

表1 不同回流開口寬度下模擬結果對比

3 結 論

為使醇基燃料燃燒充分,降低NOx濃度的排放量,本文分析了軸向葉片式旋流器的不同參數,引入煙氣回流裝置。對旋流角度、葉片個數和回流口寬度的不同參數進行仿真分析,使燃燒器與醇基燃料的適配性更強、可充分燃燒、降低NOx濃度的排放量。具體研究結論如下:

(1)旋流角度從20°增大到60°時,火焰溫度呈先降低后升高的趨勢,爐膛出口NO濃度也先減小后增大。當旋流角度為40°時,局部高溫區面積最小,且爐膛出口處NO濃度排放量也最低。

(2)當旋流葉片從8個增加到16個時,爐膛內火焰充滿度逐漸增加,溫度也不斷升高,而爐膛內的高溫區面積呈先減小后增大的趨勢,它出口處NO濃度的排放量也是先減小后增大。當旋流葉片有12個時,它出口處NO濃度的排放量最低。

(3)當回流口寬度Wtube-burner從0 mm增加到30 mm時,爐膛溫度逐漸降低,火焰長度也不斷減小,且出口處的NO濃度排放量也減小。當回流開口為30 mm時,爐膛內高溫區范圍明顯縮小,爐膛內的NO濃度比無回流口時降低了54%左右。