进口空气速度对小型燃油锅炉燃烧影响的数值分析

李越胜，罗燕来，甘云华，卓献荣，江志铭，贺春辉，杨泽亮

（1.广东省特种设备检测研究院顺德检测院，广东佛山528300；2.华南理工大学电力学院，广东广州510640；3.广州亚斯克节能科技有限公司，广东广州511483）

进口空气速度对小型燃油锅炉燃烧影响的数值分析

李越胜1，罗燕来2，甘云华2，卓献荣3，江志铭1，贺春辉1，杨泽亮2

（1.广东省特种设备检测研究院顺德检测院，广东佛山528300；2.华南理工大学电力学院，广东广州510640；3.广州亚斯克节能科技有限公司，广东广州511483）

针对不同进口空气速度对卧式小型燃油锅炉燃烧情况的影响进行了数值模拟仿真，分析了炉膛内的速度场、温度场以及二氧化碳质量分数的变化情况。结果表明：当进口空气流速增大时，锅炉炉膛内的流体速度、最高温度有所增大，而二氧化碳的排放有所降低，锅炉炉膛内的速度场、温度场以及二氧化碳质量分数分布都变得更加均匀。这主要是由于空气速度的增大，提供了更多的氧气，同时增强了燃料与氧气间的混合，使得化学反应速率增大，炉膛内燃烧更充分，传热传质过程都有所改善。但过大的进口空气流速会增大锅炉的损耗，带走更多的热量而降低炉膛内的温度。因此，选择合适的进口空气速度有利于燃油锅炉的安全高效运行。

燃油锅炉；数值分析；燃烧特性；进口空气速度

工业锅炉是我国重要的热能动力设备，同时也是一种高耗能设备[1-3]。锅炉的设计是十分复杂的，不仅需要建立数学模型选取相应参数，还要依赖设计经验的积累，手工计算难以满足设计方案多样化、周期短等要求[4-5]。而计算机的发展，为锅炉的设计和分析提供了便利[6-8]。采用数值分析的方法可以节约大量人力物力，对燃油锅炉进行研究是十分有必要的[8-9]。学者对燃油锅炉进行了相关的模拟分析，为设计改进锅炉性能，提高锅炉质量和效率提供了参考[10-11]。燃油燃气锅炉效率、污染物排放特性等都是学者们关注的研究方面。李柳强[12]通过影响因子多元回归的方法分析得到影响燃油锅炉热效率最主要的因素是排烟温度、排烟处干烟气体积和过量空气系数。何金桥等[13]建立了炉膛内油雾燃烧的非预混燃烧模型，结果发现风速过大或过小都会增加碳烟颗粒物的生成，对提高燃油的利用效率提供了参考。姚芝茂等[14]对小型燃油锅炉的大气污染物排放特征和影响因素进行了探讨，同时对我国小型燃油锅炉的排放现状进行了分析。

然而，目前对于小型燃油锅炉炉膛内燃烧情况的数值研究还较少。本文结合计算流体动力学软件（Computational Fluid Dynamics，CFD），通过不同进口空气速度对卧式小型燃油锅炉燃烧情况的影响进行数值模拟仿真，针对锅炉的速度场、温度场以及二氧化碳质量分数分布的变化情况进行了研究。通过以上分析，在锅炉设计方面取得了一些分析结果，丰富了燃油锅炉的研究，对工程问题具有一定的指导意义。

1 模型描述

1.1 物理模型

通过对结构相对简单的卧式小型燃油锅炉进行数值模拟，探讨在不同进口空气速度的条件下，锅炉炉膛内的燃烧情况变化。以柴油作为燃料，采用扩散式燃烧器，燃烧时所需的空气不与燃料进行预先混合，而在燃烧器喷口后进行扩散混合并燃烧。由于锅炉实际结构较为复杂，为便于模拟计算和分析，在实际系统基础上对锅炉模型进行一定简化和假设。在本计算模型中，只保留锅炉炉膛的基本外形，不考虑锅炉中对计算结果影响很小的部件，如锅炉外皮、烟囱组件等。同时，炉膛内的炉墙、水管等均简化为绝热壁，设置炉膛尾部为烟气出口。因而，将锅炉炉膛简化为一个圆柱形，如图1所示。其直径为700 mm，长度为2 220 mm。采用单管扩散式燃烧器结构，在炉膛左端中心处设置燃烧器圆形燃料喷口，其直径为28 mm，圆环形空气入口外径为100 mm，内径为28 mm。

在Gambit中对本研究对象进行建模和网格划分。考虑模型结构形状比较规则，采用Map形式的网格，网格元素类型格式选择Quad。采用炉膛内火焰温度的变化来考核网格独立性，最终选用网格数量为15 540的网格划分进行数值计算可以得到较为精确的结果。

图1 锅炉炉膛几何模型图

1.2 数学模型

锅炉炉膛内的工质流动及燃烧过程均遵循质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及组分守恒方程，由此建立并研究燃烧过程的控制微分方程和模型。

考虑稳态问题，则质量守恒方程为

式中：ρ为密度；u为速度矢量；t为时间。

动量守恒方程为

式中：p为压强；f为质量力；μ为动力黏度。

能量守恒方程为

式中：T为温度；λ为导热系数；Φ为耗散函数。

组分守恒方程为

式中：Yi为第i种物质的质量分数；Ji为组分i的扩散通量；Ri为净反应速率；Si为源项导致的额外产生速率。

在模拟计算中，燃料在锅炉炉膛内的燃烧简化为空间单步化学反应。

2 计算方法

通过CFD软件Fluent对控制方程进行求解。采用标准k-ε湍流模型进行计算，选择Eddy Dissipation模型计算燃料的输送和燃烧，燃料燃烧不发生在壁面，没有弥散相粒子反应，燃料燃烧的化学反应为体积反应。辐射传热模型采用P1模型。采用基于压力的稳态隐式格式求解。压力方程采用标准格式离散，其他方程采用一阶迎风格式离散。采用基于压力速度耦合方式的SIMPLE算法。以实际情况为基础，设置计算区域的各个边界条件，具体设置如表1所示。

表1 边界条件设置

在本实验，柴油和空气分别作为反应中的燃料和氧化剂。计算过程中，氧气的质量分数设置为23%（环境中的空气），燃料在燃烧器喷口附近被点燃。

3 结果与讨论

通过改变不同进口参数，考察其对锅炉炉膛内的燃烧情况的影响，可以为锅炉的设计和使用提供一定的参考。利用建立的数值模拟模型，通过改变不同入口边界条件的设置，获得炉膛内燃烧情况的计算结果，对比分析和探讨锅炉炉膛内的燃烧特性。

3.1 进口空气速度对锅炉炉膛内部速度场的影响

锅炉炉膛内的流体流动所形成的速度分布对整个锅炉炉内燃烧和传热有着十分重要的影响。图2为在不同进口空气速度条件下（8 m/s、10 m/s、12 m/ s），锅炉炉膛内部的速度分布。

图2 不同进口空气速度条件下炉膛内速度场

由图中可以看出，随着进口空气速度的增大，锅炉炉膛内流体整体流速呈上升趋势。当进口空气速度为8 m/s和10 m/s时，炉膛内流体平均速度分别为7.3 m/s和8.1 m/s。而当进口空气速度增大到12 m/s时，炉膛内流体平均速度增大到9.0 m/s。炉膛内较高的流体流速增强了高温流体对水管管壁的冲刷，有利于炉膛内的传热。由图3还可以发现，随着进口空气速度的增大，炉膛内的流体流速分布更为均匀，局部高流速区域变得不明显。在进口空气速度较低时，炉膛内速度分布不均匀，局部流体流速较快，但平均流速偏低，这将引起局部换热较差，降低锅炉的热效率且不利于炉膛内的设备安全运行。因而，设置较高的进口空气速度有利于锅炉炉膛内的传热。但过大的流速会使得炉膛内受热面的磨损作用增强，缩短锅炉的使用寿命。因而需要综合考虑，选择合适的进口空气速度，满足实际需要。

图3 不同进口空气速度条件下炉膛内温度场

3.2 进口空气速度对炉膛内火焰温度场的影响

燃料和空气分别送入炉膛中，一边混合，一边燃烧，形成扩散燃烧火焰。图3为在不同进口空气速度条件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），锅炉炉膛内的温度场分布。由图可以发现，随着进口空气速度增大，炉膛内的火焰有变小的趋势。当进口空气速度为8 m/s时，火焰延伸到接近锅炉炉膛末端，进口空气速度增大后，火焰变短并稳定在炉膛的中上部。当进口空气速度为10 m/s时，炉膛内的最高温度为1 940 K，而其他两个工况下的温度均低于此温度，进口空气速度为8 m/s和12 m/s时，炉膛内的最高温度分别为1 870 K和1 890 K。可以看到，在高进口空气速度条件下，炉膛内的温度分布更为均匀，但炉膛内的温度有所下降。这是由于当进口空气速度增大，带来更多的氧气，同时炉膛内速度场分布更为均匀，有利于燃料与氧化剂之间的混合和相互反应，燃烧更充分。

图4 不同进口空气速度条件下火焰面化学反应速率

如图4所示，为在不同进口空气速度条件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），火焰面的化学反应速率变化。由图中可以看到，当进口空气速度增大时，火焰中的化学反应速率呈增大的趋势。化学反应速率的增大说明了进口空气速度的增大，的确使得燃烧过程加强，从而引起了炉膛内的温度场变化。另一方面，高速火焰对回流的卷吸作用增强，也使得炉膛内的温度分布更为均匀[11]。但流速的增大会带走更多的热量从而使得炉膛内的温度有所降低。锅炉炉膛内均匀的温度分布更加符合锅炉内的传热要求，管壁受热更加均匀，因而应该避免进口速度的过低或过高，选择合适的进口空气速度有利于提高燃油锅炉的效率。

3.3 进口空气速度对炉膛内CO2质量分数的影响

分析炉膛内的生成物分布能进一步反映炉膛内的燃烧情况[14]。图5为在不同进口空气速度条件下（8 m/s、10 m/s、12 m/s），锅炉炉膛内的CO2质量分数分布。由图可以发现，当进口空气速度增大时，锅炉炉膛内的CO2质量分数有所下降，并且CO2的分布更加集中，整个炉膛内的CO2质量分数分布相对变得更加均匀。这一变化与炉膛内的速度场和温度场的变化是相一致的。燃烧的稳定性与炉膛内的CO2质量分数分布有密切联系，均匀的CO2分布表明了燃烧稳定性的提高。这是由于进口空气速度的增大，使得炉膛内的速度、温度分布更加均匀，化学反映速率增大，燃烧更充分，进而CO2的分布也变得更加均匀。同时，进口空气速度的增大，在一定程度上也对CO2起到了稀释的作用。因此，合理的燃烧工况可以有效降低CO2的排放。

图5 不同进口空气速度条件下炉膛内CO2质量分数分布图

4 结论

本文通过数值模拟的方法探讨了进口空气速度对锅炉炉膛内燃烧情况的影响。对结构相对简单的卧式小型燃油锅炉建立了物理模型和数学模型，对炉膛内的速度场、温度场、CO2质量分数分布进行了分析。研究表明：

当进口空气流速增大时，锅炉炉膛内的流体速度增大，而炉膛内的最高温度先增大，而后有所下降，CO2的排放也有所减小。在进口空气流速较高的条件下，锅炉炉膛内的速度场、温度场以及CO2质量分数分布都变得更加均匀。这主要是由于空气速度的增大，提供了更多的氧气，同时增强了燃料与氧气间的混合，使得化学反应速率增大，炉膛内燃烧更充分，传热传质过程都有所改善。但过大的进口空气流速会增大锅炉的损耗，带走更多的热量而降低炉膛内的温度。因此，应综合考虑各个因素，选择合适的进口空气速度有利于燃油锅炉的安全高效运行。

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Numerical Analysis of Influence of Inlet Air Velocity on Combustion in Small Oil-Fired Boiler

LI Yuesheng1,LUO Yanlai2,GAN Yunhua2,ZHUO Xianrong3, JIANG Zhiming1,HE Chunhui1,YANG Zeliang2
（1.Shunde Testing Institute,Special Equipment Inspection and Research Institute of Guangdong Province, Foshan 528300,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;3.Guangzhou YaSike Energy Saving Technology Co.,Ltd，Guangzhou 511483,China）

The numerical simulation was carried out to analyze the influence of different inlet air velocitieson combustion in horizontal small oil-fired boiler.The change conditions of the velocity field,temperature field and the mass fraction of carbon dioxide in the furnace were discussed.The results show that when the air inletvelocity increases,the fluid velocity and the maximum temperature in the furnace willincrease,and carbon dioxide emission will decrease.And all of them become more uniform.This is mainly due to the increase of inlet air velocity providing more oxygen and it enhances the mixing of fuel and oxygen,which increases the chemical reaction rate.The combustion in the furnace is more adequate,and the heat and mass transfer process are improved.While,if the inlet air velocity is too high,it will increase the loss ofthe boiler,and take away more heat which willreduce the temperature in the furnace.Therefore,the choice of appropriate inletair velocity is conducive to the safe and efficientoperation of the oil-fired boiler.

oil-fired boiler;numericalanalysis;combustion characteristics;inletair velocity

TK224.1+1

A

1001-6988（2016）06-0001-04

2016-08-19

国家自然科学基金（51376066）；广东省教育部产学研结合项目（2012B09100156）

李越胜（1965—），男，高级工程师，主要从事特种设备安全与节能检验、管理及研究工作.