多入口多孔介质燃烧器的数值模拟

舒文静++郭雪岩

摘要： 在多入口燃烧器内加入多孔介质，以甲烷/空气为燃料，采用非预混燃烧的数值模拟方法，探究多入口燃烧器的燃烧情况.对比多孔介质燃烧与空间自由燃烧，分析了“超焓燃烧”现象；在多孔介质燃烧基础上，探究不同當量比对燃烧温度的影响；在多孔介质燃烧和不同当量比的基础上探究污染物CO和CO2的排放情况.结果表明：多孔介质燃烧可以实现“超焓燃烧”特性，燃烧火焰温度高于自由空间燃烧温度；当量比对燃烧温度影响很大，随着当量比的增大，燃烧器内最高燃烧温度升高，但燃烧过程存在一个最佳当量比0.6，超过该当量比后最高温度将不再变化；多入口多孔介质燃烧有助于减少CO和CO2的生成量.

关键词：

多孔介质燃烧器； 超焓； 非预混燃烧； 当量比； 数值模拟

中图分类号： TQ 052.6文献标志码： A

Numerical Simulation of Methane/air Combustion in

a Multinozzle Porous Media Burner

SHU Wenjing， GUO Xueyan

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Numerical investigation on combustion characteristics of methane and air in a multinozzle porous medium combustor with nonpremixed combustion model has been conducted.Comparison between porous medium combustion and tradition combustion has been made to investigate “excess enthalpy combustion”.When combustion in porous medium was conducted，effects of equivalence ratio on the combustion temperature and emissions of CO and CO2 were explored.The results showed that combustion in porous medium could realize the “excess enthalpy combustion”.The maximum combustion temperature was obviously higher than that of tradition combustion.And it increased with the rising of equivalent ratio.However，there existed an optimum equivalence ratio of 0.6 in this study.Beyond this value，the maximum combustion temperature kept constant.The multinozzle porous medium burner could reduce the production of CO and CO2.

Keywords：

porous medium burner； excess enthalpy combustion； nonpremixed combustion； equivalent ratio； numerical simulation

多孔介质燃烧是一种新型燃烧技术.相对于传统自由空间燃烧，该技术拓宽了火焰稳定性极限，降低了污染物排放，辐射输出更高，并通过多孔介质蓄热能力预热新鲜燃料，实现了“超焓燃烧”.凌忠钱等[1]通过实验研究了多孔介质燃烧中的“超焓燃烧”，验证了“超焓”现象.Kotani等[2]较早使用泡沫多孔介质进行燃烧实验，并提出利用双层多孔介质驻定火焰.文献[3-4]介绍了燃烧的一些理论背景和当量比、多孔介质材料、热负荷、进口速度等参数对火焰温度、燃烧稳定性、污染物排放等的影响.史瑞俊等[5]、姜海等[6]也对多孔介质燃烧进行了分析，发现多孔介质燃烧具有燃烧稳定、污染物排放低的特点.近年来，双层多孔介质燃烧器受到了广泛的关注，Hsu等[7]、Khanna等[8]利用部分氧化锆泡沫材料进行双层多孔介质研究，Zhou等[9]、Gao等[10]利用氧化铝小球堆积床进行双层多孔介质研究.以上有关双层多孔介质研究均表明：上、下孔隙率不同的双层多孔介质燃烧器，其火焰极易稳定在两层多孔介质交界面处.Gao等[11]实验研究了上、下游采用不同多孔材料时对多孔介质燃烧的影响，介绍了不同多孔材料燃烧的优缺点.多入口燃烧器主要用于工业锅炉.王俊等[12]研究了多股流入口燃烧器，得出了多股流多喷口燃气燃烧器与大气式燃气灶相比，热效率高，节能效果显著.徐琼辉等[13]利用数值方法研究了多股流喷口数量和排列方式对火焰结构和温度分布的影响.Mi等[14]数值模拟了进口直径对平行多入口燃烧器燃烧的影响.

本文以甲烷/空气作为燃料，在多入口燃烧器基础上加入多孔介质，并与自由空间燃烧特性进行对比，分析“超焓燃烧”现象对燃烧温度和CO、CO2排放特性的影响，详细探究在多孔介质燃烧基础上不同当量比对燃烧温度和相应状态下的CO和CO2排放特性的影响.

1数值模拟

1.1基本假设和物理模型

为了简化计算，本文假设：

① 二维稳态湍流模型，忽略气体辐射，多孔介质内部的固体辐射传热采用有效导热近似，气体和固体间视为热平衡；

② 多孔介质视为惰性，各向同性，没有催化作用；

③ 非預混燃烧模型中加入燃烧化学反应机理文件GRI3.0.

本文模拟时采用多入口燃烧器模型，燃烧器内径为61 mm，长度为80 mm.燃烧器几何尺寸如图1所示.图1中模型显示的燃烧器有三个氧气进口和三个燃料进口，相关物性参数如表1所示.

1.2数值方法

本文模拟时采用FLUENT 6.3软件中的压力基（pressurebased）求解器，压力-速度耦合选择SIMPLE算法，湍流模拟采用标准湍流模型，燃烧模型采用非预混燃烧模型.流动和组分传递的控制方程分别为：

质量守恒方程

（φρg）t+（φρgug）x=0

（1）

式中：φ为多孔介质孔隙率；ρg、ug分别为多孔介质中气体密度和平均流速；t为时间，x为x方向坐标.

组分传递方程

t（ρYi）+

SymbolQC@ ·（ρv→Yi）=-

SymbolQC@ ·j→i+Ri+Si

（2）

式中：Ri、j→i、Yi分别为组分i的单位体积的质量生成率、摩尔扩散通量和质量分数；ρ为密度；v为速度；Si为动量方程源项.

动量守恒方程

SymbolQC@ ·（φρgu→u→）=-φ

SymbolQC@ P+

SymbolQC@ ·（φu

SymbolQC@ u→）-R

（3）

式中：R为多孔介质阻力项；P为压力项；u→为速度.

非预混燃烧模型中的化学平衡模型假设层流流动中反应物和产物达到化学平衡，其热力学参数均与混合物体积分数和质量分数相关.化学反应平衡模型引入富油燃烧极限（rich flammability limit，RFL），当混合物体积分数小于富油极限时采用化学平衡计算各组分浓度；当混合物体积分数大于富油极限时不采用化学平衡计算.

密度平均混合分数方程为

t（ρf—）+

SymbolQC@ ·（ρv→f—）=

SymbolQC@ ·μtσt

SymbolQC@ f—+Sm+Suser

（4）

式中：f—、Sm、Suser分别为平均混合物体积分数、气相反应的质量传递和用户自定义源项；μt为时间平均流体黏度.

1.3多孔介质区域阻力系数

对于各项均匀的多孔介质，动量方程源项Sa可定义为

Sa=-μανi+C212ρννi

（5）

式中：α为堆积床多孔介质的穿透性；C2为多孔介质的惯性阻力系数；νi为速度；μ为多孔介质的动力黏度.

对于堆积床体，穿透性和内部阻力系数可按照Ergun[15]的半经验公式计算，即

ΔPL=150μtDP·（1-ε）2ε3·V∞+1.75ρDP·（1-ε）ε3·V2∞

（6）

式中：L为燃烧器的长度；DP为小球的直径；ε为多孔介质的孔隙率；ΔP为多孔介质中压力降；V∞为多孔介质中过渡流的流化速度.

通过式（6）可得到黏性阻力系数1/a和惯性阻力系数C2的计算式分别为

1a=150（1-ε）2D2Pε3

（7）

C2=3.5（1-ε）DPε3ε

（8）

2结果与讨论

2.1多孔介质中“超焓燃烧”分析

所谓“超焓” 是指在原有混合气具有的焓基础上再添加一部分焓之后的状态，是采用多孔介质取代自由空间，利用其相对于气体而言更强大的蓄热功能实现热反馈，即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合气，从而使燃烧反应大大增强.在忽略对外热损失的情况下，火焰温度可超过与未经预热的混合气状态相应的绝热火焰温度，故又称“超绝热燃烧” .多孔介质的存在可拓宽混合气的燃烧极限，明显改善燃烧室的换热性能，强化介质对新鲜混合气的预热.多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高.

本文对多孔燃烧和自由空间燃烧进行数值模拟和对比，温度云图如图2所示，

图中温度云图的标度范围一致，易于比较.从图中可知：自由空间燃烧中，气体刚进入燃烧器后就立即混合并迅速发生燃烧反应；而多孔介质燃烧中，气体刚进入燃烧器后，由于多孔介质的存在，气体混合并不是很充分，因此在燃烧器上半部分区域燃烧缓慢，但在中、下游区域反应明显加快，温度迅速升高，且明显高于自由空间燃烧温度.为了更进一步分析多孔介质燃烧的“超焓燃烧”现象，图3给出了燃烧器轴向中心处温度分布，图中进口当量比均为0.6，且进口速度都相同.从图中可以看出，多孔介质燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度，多孔介质燃烧最高温度（2 100 K左右）比自由空间燃烧最高温度（1 800 K左右）高出300 K左右，实现了“超焓燃烧”.自由空间燃烧中燃烧器进口处温度

高于多孔介质燃烧，在火焰向下游传播过程中燃烧温度上升梯度大，但是在燃烧器中、下游，燃烧温度明显比多孔介质燃烧的低.

因为多孔介质的存在，进口处气体燃烧速率低于自由空间燃烧速率，因此在燃烧器上半部分温度上升慢.但燃烧一段时间后，热量在多孔介质聚集并通过固体骨架的导热、辐射等方式对新鲜气体进行预热，使得气体在向下游传播过程中温度上升较快，燃烧温度达到“超焓燃烧”温度.

2.2当量比对燃烧温度的影响

温度特性是观察火焰燃烧特性的主要方面，它直接反映燃烧器内的燃烧状况，对传热机理分析、火焰面特性研究和燃烧产物生成控制都具有指导作用.进口当量比控制的是进口燃料和氧气的体积流量比例，这对燃烧温度有至关重要的影响.因此，本文考察了不同当量比时燃烧器内燃烧温度分布以及轴向中心处温度分布，分别如图4、5所示.本文将燃烧器平均分为两部分，上半部分称为预热区域，下半部分称为燃烧区域.

从图5可以看出，燃烧器内的燃烧温度逐渐升高，最后趋于平稳，燃烧反应进行到下游区域燃烧基本完成，因此温度趋于平稳.在当量比为0.6时，温度达到最高，为2 000 K左右.燃烧温度高是因为气体在多孔介质燃烧过程产生大量热量，通过导热和辐射对预混区域的气体进行预热，使得燃料燃烧得更完全，且火焰基本稳定在燃烧器的中、上游.从图5可以看出，当量比对燃烧温度

影响很大.燃烧温度没有燃烧区域的高是因为燃烧器下游区域进行燃烧反应时

产生的大量的烟气带来了大量的热量，且反应产生的CO在该区域会继续燃烧产生热量.从图4可以看出，若当量比过大则燃烧不完全，若当量比过小，过量空气的存在使得预混气体的空截面流速增加，火焰稳定燃烧的难度增大，燃烧质量不佳，从而降低了多孔介质中的温度.因此，预混燃气在多孔介质中燃烧存在一个较佳的当量比.当量比为0.2时，燃烧温度很低，最高为1 000 K左右，此时燃烧属于富氧燃烧；随着当量比增大，燃烧温度逐渐升高；当量比为0.6左右时，燃烧温度达到最高，此时燃料和氧气燃烧反应充分；随着当量比继续增大，当量比大于1时属于富油燃烧，燃料燃烧不完全，燃烧温度不会继续上升.因此，在本文的模拟条件下，当量比为0.6时为最佳当量比，燃料燃烧反应充分.

2.3污染物排放特性

多孔介质燃烧因为其“超焓燃烧”特性，燃烧产生的CO会减少.图6为自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线.在燃烧器预热区域CO2质量浓度迅速上升，而CO在一段时间后才慢慢生成，且在燃烧器下游区域生成较多，然后逐渐趋于平缓或下降.这说明燃烧反应开始后，火焰随着燃烧反应的进行向下游移动，燃烧不完全，产生CO，但燃烧器下游的多孔介质有蓄热功能，可回收大量的高温烟气余热，在火焰面下游区域形成高温多孔介质区域，进一步降低了CO的排放.

量比为0.2时，污染物生成量均很低，特别是CO，此时燃烧属于富氧燃烧，燃料燃烧充分，CO生成量很少；随着当量比增大，CO和CO2生成量均增多；特别是当量比为0.8时，CO生成量最大，此时燃料过余，燃烧反应不充分，CO质量浓度增大；在最佳当量比（0.6）时，反应进行到水平长度为0.02 m时才开始生成CO和CO2，说明火焰位置在此处，燃烧充分.随着燃烧的进行，CO2增加较快，而CO生成不多且平缓.燃烧反应在此时已稳定.从图6可以看出，自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放情况不同，在自由空间反应开始时，生成CO和CO2的速度较快，随着反应的进行，CO的产生量高于多孔介质，并从下游排出.因此，多孔介质燃烧可减少污染物排放，且随着当量比增大，燃烧产生的CO和CO2增多.当超过最佳当量比时，燃烧反应不完全，CO生成量加快.

3结论

本文采用非预混燃烧模型对多入口多孔介质燃烧器进行了数值模拟，对比分析了自由空间燃烧和多孔介质燃烧的燃烧温度特性，考察了当量比对多孔介质燃烧器、燃烧特性和污染物排放量的影响，得到以下结论：

（1） 多孔介质燃烧可实现 “超焓燃烧”，且最高燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度.“超焓燃烧”具有燃烧效率高、可扩展贫燃极限、节约燃料等优势.

（2） 燃烧温度受进口当量比的影响很大，会随着当量比增大而升高，且存在一个最佳当量比，此时燃烧温度最高.超过最佳当量比时，最高温度趋于不变.本文计算得出的最佳当量比为0.6.

（3） 多孔介质燃烧能有效降低污染物CO的生成.CO和CO2的生成量会随着当量比增大而增加.但当量比大于最佳當量比时，燃烧属于富油燃烧，燃烧反应不充分，CO的生成量最高.

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