超低热值煤气燃烧过程的数值模拟

张健,李国岫,虞育松,李清海,张衍国

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044; 2.清华大学热能动力工程与热科学重点实验室,北京100084)

在工业生产的某些工艺过程中会有大量的超低热值气体产生,这种气体含通常有大量惰性气体,发热量极低、着火困难、燃烧性能差,过去只能空放,造成环境污染和能源浪费。为了有效利用这些低品质的气体,除了根据低热值煤气的特点设计专门的燃烧器外,还可以通过高温预热、烟气回流、富氧燃烧以及掺烧其他高热值煤气等措施,目前已经可以使3M J/m3以上热值的低热值煤气着火与稳燃[1-2],但是更低热值气体的燃烧利用很少见到报道。本文将为热值仅为1.2～3.0 MJ/m3的高炉煤气放散气设计一种新型的燃烧系统,并采用数值模拟方法对该燃烧系统的燃烧特性进行分析。

1 高炉煤气放散气燃烧系统

该新型燃烧系统主要由低热值煤气燃烧器与独特的蓄热体结构组成。运行时助燃空气经过燃烧器的蜗壳式进气口后可以产生强烈的旋流;燃烧用的煤气从接近燃烧器出口的小孔中高速射出,射出方向和空气的流动垂直,确保两种气体充分混合。在喷口前的区域煤气空气继续混合,然后进入燃烧室燃烧。该燃烧系统的结构如图1。

图1 燃烧系统简图

系统的独特之处是在燃烧室中加装了蓄热体。蓄热体由耐火材料砌筑而成,运行时被加热成一个炽热体,当超低热值煤气与空气的混合气进入燃烧室时,蓄热体将热量传入混合气,使混合气温度升高,进而着火以及燃烧。随着燃烧的进行,烟气中的热量又传入蓄热体中,使蓄热体保持在较高的温度运行。蓄热体具有高温和储热性能,可以被看作为一种点燃板,使超低热值煤气更容易着火和燃烧。蓄热体三层耐火材料的特殊结构,可以使煤气与空气的混合气在燃烧室中产生阻流,具有钝体稳燃功能,可以防止喷口处的空气与煤气流速过快,因此在燃烧时不发生脱火。由于阻流的作用,部分高温燃烧产物会反向流回喷口附近形成回流区,也有利于混合气流的稳定着火。

2 物理与数学模型

在超低热值煤气燃烧系统设计过程中,运用数值模拟方法对低热值煤气燃烧系统的温度分布、组分浓度分布进行计算和分析,能够为燃烧系统设计提供必要的理论依据。

2.1 物理模型

为全面模拟燃烧器流动和燃烧特性,要求物理模型尽可能地与实物一致,为此选择全尺寸的三维数值模拟进行研究,模型的建立利用了FLUENT的前置软件 Gambit,燃烧系统物理模型如图 2所示。

图2 燃烧系统物理模型

2.2 数学模型与数值方法

湍流模型采用标准的k-ε模型,湍流燃烧模型采用物质输运和通用有限速率化学反应模型。采用分离解法,压力项和速度项的耦合采用SIMPLE算法,控制方程的离散采用二阶中心差分[3]。

2.3 网格的划分

采用非结构化的网格对燃烧系统网格进行划分。网格划分如图3所示。

图3 燃烧系统网格划分

2.4 初始及边界条件

本文研究的超低热值煤气,针对各个大小型钢铁厂的煤气放散气,可燃成分主要是CO,惰性气体为N2。具体的质量含量分数及煤气热值见表1。

表1 初始条件的定义

空气、煤气入口设为质量流量入口边界;烟气出口设为压力出口边界;蓄热体设为定温条件;其余壁面设为绝热、无滑移静态边界条件。

3 模拟结果及分析

3.1 蓄热体对燃烧特性的影响

为了分析耐火砖式蓄热在超低热值燃气燃烧中所起的作用,本文首先在无蓄热体机构下进行了相关数值模拟计算。图4和图 5是当煤气热值为5.9 M J/m3和5.8 M J/m3时燃烧室温度场的模拟结果。

图4 热值为5 900 k J/Nm3燃烧温度场(K)

从图4可以看到,当煤气热值为5.9 M J/m3时燃烧室因煤气与氧气发生了反应产生火焰,,燃烧最高温度为2 147℃。但是当煤气热值为5.8M J/m3时,由图5可以看到燃烧室中没有火焰的产生,最高温度仅仅为空气的预热温度377℃,说明煤气没有燃烧。因此可以确定,在无蓄热体结构的情况下,这种燃烧器只能燃烧热值5.9 M J/m3以上的低热值煤气。

图5 热值为5 800 k J/Nm3燃烧温度场(K)

在该燃烧器中加装蓄热体,然后采用热值为2 090 kJ/m3的超低热值燃气进行数值计算,煤气与空气在进气管内、蓄热体前和蓄热体区域的温度场分布的模拟结果见图6。

图6 燃烧系统中心平面温度场(K)

从图6可以看到,煤气经过一个点火源点火后开始燃烧,没有回火或脱火发生,证明加装蓄热体结构后该新型燃烧系统可以燃烧热值为2 090 k J/m3的超低热值煤气,说明蓄热体对扩展低热值煤气的可燃限具有较大影响;煤气燃烧的最高燃烧温度为1 224.7℃。煤气的理论燃烧温度可由下式计算[4]:

式中:Q DW为煤气低位发热值,这里取2 090 k J/m3; Q空和Q煤为空气、煤气带入的热量,煤气温度为常温,带入的热量可忽略,空气的预热温度为400℃,带入的热量为565 k J/m3;V产为煤气的烟气产生量,kg/kg;cp为烟气的比热容,kJ/(kg·K)。

通过理论计算,理论燃烧温度为1 229℃,与数值模拟结果的误差在1%以内,验证数值模拟研究的准确性。

3.2 预热温度对燃烧特性的影响

为了分析空气预热温度对煤气燃烧过程的影响,取热值为2 090～2 300 k J/m3的煤气在不同空气预热温度下对最高燃烧温度进行数值模拟计算,模拟计算结果见表2。

表2 空气预热温度对最高燃烧温度的影响

从表2可知,在相同的热值条件下,空气预热温度每升高100℃,超低热值煤气的燃烧温度升高20～25℃。在相同的空气预热温度下,煤气的热值每升高100 k J/m3,煤气的燃烧温度升高30～50℃。由此可知,空气预热温度每升高200℃等同为煤气热值升高100 k J/m3燃烧温度的升高量。由此可知,空气预热温度对于超低热值煤气可燃限的提高以及燃烧的稳定性有重要影响。

3.3 过量空气系数对燃烧特性的影响

该新型燃烧系统为预混燃烧,可以有效地控制过量空气系数。为了分析过量空气系数对超低热值煤气燃烧效率的影响程度,在不同的过量空气系数下对煤气的燃烧进行数值模拟。

(1)一氧化碳质量分数随过量空气系数的变化图7为一氧化碳质量分数随过量空气系数的模拟结果。

图7 过量空气系数对一氧化碳质量分数的影响

从图中可知,在过量空气系数小于1.0时,一氧化碳的质量分数比较大;随着过量空气系数的增大,一氧化碳的质量分数越来越小;当过量空气系数大于等于1时,一氧化碳的质量分数基本无变化,说明在该新型燃烧系统下一氧化碳反应完全。分析结果表明,当过量空气系数过小时由于低热值煤气含有的可燃气体含量极低,可燃成分与氧接触的几率相对较小,结果出现一氧化碳燃烧不完全现象。

(2)过量空气系数对燃烧温度的影响 图8为不同过量空气系数下的燃烧温度模拟结果。

图8 过量空气系数对燃烧温度的影响

由图可知,燃烧温度随着过量空气系数的增大先升高后降低,在过量空气系数为1.2时,煤气的燃烧温度达到最大值。在煤气热值为2 090,2 200, 2 300 kJ/m3三种工况下,当过量空气系数由0.7提高到1.2时,燃烧温度分别升高259,264,307℃;当过量空气系数由1.2提高到1.6时,燃烧温度分别下降66,77,92℃。过量空气系数过大时,由于过量空气喷入燃烧室将吸收燃烧反应热,使燃烧室内平均温度越低。图8的模拟,空气的预热温度达到400℃,所以温度降低得比较小。

(3)过量空气系数对二氧化碳质量分数的影响图9为不同过量空气系数下二氧化碳浓度图。

由图9可知,在过量空气系数为1.1时二氧化碳的生成量最大。在过量空气小于1.0时,一氧化碳燃烧不完全,生成的二氧化碳比较少。在过量空气系数由1.1提高到1.6时,二氧化碳的质量分数降低,是由于一氧化碳反应完全,生成的二氧化碳量基本一致,但随着空气含量的增加,二氧化碳的质量分数在总的烟气含量中所占比重下降。

从以上的分析可以得知,在过量空气系数在接近1.1时,超低热值煤气燃烧效率最高,燃烧稳定性最好。

图9 过量空气系数对二氧化碳质量分数的影响

4 总结

本文首先提出了一种新型的超低热值煤气燃烧系统,然后基于数值模拟方法对该燃烧系统的燃烧特性进行了分析。得出以下几点结论。

(1)该型燃烧系统采用的蓄热体结构,对于扩展低热值煤气可燃限具有重要作用。

(2)空气预热温度每升高100℃,低热值煤气的最高燃烧温度升高20～25℃,表明提高

预热空气温度对于扩展低热值煤气的可燃限具有重要影响。

(3)只要将助燃空气预热到100℃,燃烧系统就可以使热值为2 090 k J/m3的煤气稳燃。

(4)过量空气系数为1.1时,超低热值煤气的燃烧效率最高。

[1] 肖睿,熊源泉,金保升,等.纯燃高炉煤气180 t/h高温、高压蒸汽再热炉设计[J].洁净煤燃烧与发电技术, 2004(5):18-21.

[2] 吴道洪.蓄热式燃烧技术与低热值煤气利用[J].江苏冶金,2008,36(6):1-5.

[3] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[4] 刘高高.热风炉前置预热工艺设计与研究[D].四川大学硕士学位论文,2004.