喷口间距对蓄热式烧嘴燃烧性能的影响

李 鹏王 超（.大连昌荣炉业股份有限公司，辽宁 大连 60；.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 089）

喷口间距对蓄热式烧嘴燃烧性能的影响

李 鹏1王 超2
（1.大连昌荣炉业股份有限公司，辽宁 大连 116021；2.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

利用fluent流体软件分析喷口间距对空气分级燃烧方式的蓄热式烧嘴燃烧性能的影响。研究结果表明，喷口间距对烧嘴的性能很大，改变二次空气喷口与煤气喷口的中心间距，可以明显改变炉内的温度场和流场。

蓄热式烧嘴；喷口间距；温度场；流场

高温空气燃烧技术在近几年得到了高速发展及实际应用。而实现高温低氧燃烧的方法中最常见的是燃料的分级燃烧和空气的分级燃烧。笔者参与的工程项目中采用的蓄热式烧嘴所使用的燃烧方法是空气的分级燃烧，因此本文以此类型的蓄热式烧嘴为研究对象，利用FLUENT流体计算软件研究该类烧嘴的烧嘴头结构。分析喷口间距对蓄热式烧嘴性能的影响。

2 蓄热式烧嘴结构及特点

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。煤气先与一次空气在预燃室内燃烧，然后喷入炉膛与二次高温空气进行二次燃烧。烧嘴结构如图1所示。

3 喷口间距对温度场影响

为了研究二次空气喷口和煤气喷口间距对温度场、流场的影响，引入一个无量纲数I，定义为二次空气喷口中心线和煤气喷口中心线的距离与预燃室半径之比：式中：

L——二次空气喷口中心线与煤气喷口中心线的距离；D——预燃室直径。

本文FLUENT数值模拟采用标准κ-ε湍流模型来模拟湍流流动；燃烧反应基于Spalding简单燃烧反应系统假设（SCRS），β-PDF燃烧模型，同时可使用灰体光段模型进行非灰体辐射计算。在一次空气空气流速为30m/s的条件下，共讨论了I=2.0，I=2.8，I=4.4，I=5.2四个无量纲量的影响效果。四种情况下温度场如图2所示。可以明显看出，当I由2增大到2.8时，火焰的最高温度由2127℃（2400K）降到1928℃（2201K）；炉膛平均温度上升了近150℃，高温区域（1697K的温度线所包围的区域）占据了大半个炉膛体积；火焰长度增加，火焰中部1851K的温度线由I=2.0时的约1.4m增加到I=2.8时的2.1m。当I增大到4.4时，火焰体积极度增大，火焰温度峰值降低到1645℃（1918K），高温区域温度相比I=2.8时升高近100℃，且其体积几乎充满了整个炉膛；火焰结构发生了变化，火焰中部高温区（1918K温度线所包围的区域）出现了约0.5m长的中断区，而后此高温区域又在炉膛中后部以长约1.8m，最宽处约1m的圆锥形“火团”形状出现；当I=5.2时，即二次高温空气喷口位于炉膛左壁面中间位置处，火焰又出现局部高温，火焰高温区域缩短变窄。

4 喷口间距对流场的影响

四种情况下流场分布图如图3所示。

从它们的流场图中不难看出二次高温空气与煤气喷口间距对流场分布的影响。当I=2.0时，二次空气喷口与煤气喷口间距较小，两股射流很快进行了混合燃烧，在两者之间很难实现回流区低氧烟气的利用，表现为火焰长度较短，体积较小。

当I值逐渐增大时，二次空气与煤气射流流股之间的回流区变大，喷口壁面处的回流现象逐渐明显，合适的烟气回流将会增加燃烧室内气体的搅拌程度，降低燃烧空间局部的氧含量，从而使火焰体积增大。但是，当I值变大时，射流的穿透能力也会相应减小，靠近炉膛顶部的回流区受到较大限制，会对燃料的二次燃烧产生不利的影响，所以，I值不可太大。

结语

通过本文的数值模拟发现这种对于采用空气分级燃烧方式的蓄热式烧嘴来说，二次空气喷口和煤气喷口间距对烧嘴的性能很大。改变二次空气喷口与煤气喷口的中心间距，对炉内的温度场和流场影响较为明显。因此在实际的项目当中，工程设计人员应该根据炉子的结构和尺寸，对于蓄热式烧嘴选用不同的结构参数，能在很大程度上获得较好的炉内温度场和流场。

[1]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（02）：159-161.

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TG307

A1 前言