非对称射流喷嘴MILD氧燃烧模拟研究

伍永福，武殿斌，刘中兴，董云芳



非对称射流喷嘴MILD氧燃烧模拟研究

伍永福1，武殿斌1，刘中兴2，董云芳2

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010； 2.内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室，内蒙古 包头 014010）

MILD氧燃烧技术是由MILD燃烧技术发展而来的一种更加节能减排的技术。为了找到一种更有利于MILD氧燃烧实现的喷嘴结构，本文设计了一种单侧倾斜的喇叭口喷嘴，通过改变非对称喷嘴喇叭口开口方向设置了4种不同的喷嘴结构，在各种参数相同的条件下进行了数值模拟研究，并通过速度场与涡量场、组分场、温度场几个方面对非对称喷嘴进行了对比分析。结果表明：非对称射流喷嘴可以将射流气体打散成诸多小体积微团，不同喷嘴结构中大动量喷嘴倾斜角方向影响流场的偏移方向，且影响回流区域的分布；其中喷嘴倾斜面向外放置的喷嘴结构打散气流产生的小体积微团扩散效果最好，CO体积分数最小，回流烟气对O2稀释效果最好，温度分布最均匀，最有利于MILD氧燃烧的实现。

MILD氧燃烧；非对称射流；喷嘴结构；速度场；涡量场；组分场；温度场；数值模拟

MILD（moderate or intense low-oxygen dilution）燃烧是在低氧稀释状态下的一种温和的燃烧模式[1-4]，它是一种高效率、低污染的环保型燃烧技术[5-6]。国内外已经对MILD燃烧进行了大量的研究，在其燃烧条件、燃烧机理、燃烧特点等方面取得很大突破，但对于氧气助燃的MILD燃烧的研究相对较少。

MILD氧燃烧技术是由MILD燃烧技术发展而来的一种更加节能减排的技术，它是将MILD燃烧与氧燃烧相结合的技术，其燃烧过程没有空气中氮气的参与，可以大大提高燃烧效率及减少燃烧过程NO的排放，燃烧后烟气中CO2体积分数高，易于回收处理，可以大大降低污染物的排放，同时可以扩展燃烧火焰结构，均匀火焰空间的温度分布，使炉膛整体温度提高、辐射传热增强，提高材料及零件的加热质量，为全氧燃烧技术在工业加热炉上的应用提供理论基础。

本文在实现空气MILD燃烧的基础上，将空气变为氧气进行研究，并根据文献[7]中非对称射流可以产生更大的烟气循环的结论设计了一种非对称射流喷嘴，并进行了不同的模拟研究，找到最有利于实现MILD氧燃烧的结构。

1 研究内容及方法

1.1 喷嘴结构介绍

图1是本文所使用的非对称射流喷嘴结构。采用单侧倾斜喇叭型开口的喷嘴结构设计，燃料和助燃气体的两只喷嘴为对称结构，实验中也是呈对称放置，但由于流量的不同，使喷入的气速不对称，形成非对称射流。本文选取的非对称射流喷嘴的直径为 3 mm，喷嘴间距为10 mm，喷嘴角度为11°。

1.2 模型介绍

本文使用ANSYS软件中的GM软件建立模型，然后使用Mesh软件划分网格，最后导入Fluent软件中进行模拟研究。Fluent软件中选择的模型有：能量方程、RNG湍流模型、通用有限速率组分传输模型、P-1辐射传热模型。图2是由ANSYS软件中的GM软件建立的全氧加热炉的物理模型。尺寸为长2 000 mm，宽200 mm，高200 mm。

图2 全氧加热炉物理模型

网格的划分采用ANSYS自带前处理软件Mesh。在三维流体模拟中，由于六面体网格可以提高计算精度和加快收敛，因此本文进行网格划分时选用六面体网格。另外，对于燃烧器的重要部位喷嘴结构，在划分喷嘴的网格时进行了加密。最终 网格总数约为60万~70万。燃烧炉的网格划分如 图3所示。

本文采用4种不同的-模型在相同条件下进行了燃烧模拟，并将模拟结果与同条件下的实验结果进行对比，结果如图4所示。4种模型包括Standard模型、RNG模型、Realizable模型和修正Standard模型，其中修正Standard模型是根据文 献[8]将Standard模型中的ε1值修正为1.6。由于实验时炉膛封闭性较差，因此实验结果与模拟结果有些误差，但分布规律基本相同。将模拟结果与实验结果进行对比，发现RNG湍流模型更接近实验结果。因此在后续模拟中均选用RNG 湍流模型。

本文所使用的燃烧模型为通用有限速率模型（generalized finite-rate model），这种模型适合求解预混、部分预混以及非预混湍流燃烧，适用于本文的非预混燃烧模拟，且化学反应机理由用户自己定义。本文使用丙烷-氧气两步反应作为模拟中的反应机理：

2C3H8+7O2→6CO+8H2O (1)

2CO+O2→CO2(2)

目前常用辐射传热模型有：P-1辐射模型、DO （discrete ordinates）辐射模型、DTRM模型。由于换热方程十分复杂，通常要通过辐射传热换热模型简化求解。本文采用P-1辐射模型，这种模型比较简单，适合扩散燃烧的数值模拟计算，比较适合MILD氧燃烧的数值模拟研究。

2 工况介绍

本文使用丙烷与氧气进行MILD氧燃烧模拟研究，丙烷完全燃烧的反应机理为

C3H8+5O2→4H2O+3CO2(3)

其中丙烷与氧气的体积比为1:5，本文采用丙烷流量为1 m3/h，氧气流量为5 m3/h进行MILD氧燃烧模拟。

根据非对称射流喷嘴单侧倾斜喇叭口的特点，设置了4种工况，不同工况的喷嘴结构如图5所示。图5中：工况1是将喇叭口倾斜面向内放置，上喷嘴为丙烷喷嘴，下喷嘴为氧气喷嘴；工况2和工 况3则是将喇叭口倾斜面同向放置，但是由于丙烷射流和氧气射流速度存在差异，因此设置两种工况；工况4则为喇叭口倾斜面向外放置。

3 结果与分析

3.1 速度场与涡量场

将模拟得到的数据进行处理后得到了不同工况下的速度场（图6）、速度矢量图（图7）和涡量等值线图（图8）。

图7 炉膛中心面速度矢量图

图8 炉膛中心面涡量等值线图

由图6可以看出，4种工况下的射流均为偏置分布状态，工况1与工况3向上偏置，工况2和工况4则是向下偏置。这是由于单侧倾斜的喇叭口喷嘴结构造成的，而且对比发现，流场的偏移方向主要由大动量的喷嘴（氧气）的放置方向决定。

由图7可以看出，在4种工况下产生的偏置气流均在炉膛内形成了回流区，但是由于气流分布不同，回流区域也不相同。工况1与工况3中气流向上偏置分布，炉膛内上半部分气流流向炉膛尾部，没有发生回流，而在炉膛下半部分则形成了回流区；工况2和工况4的回流区则是位于炉膛上半部分。这说明流场的偏置方向影响炉膛内回流区的分布。

由图8可以看出：两股射流在单侧倾斜喷嘴中大动量喷嘴的作用下偏置，并在混合处迅速打散成诸多小体积微团，形成涡量密集区；而2种气流以无数小体积微团的形式在炉膛内反应，使燃烧变得温和，火焰锋面消失，形成MILD燃烧；工况3和工况4的打散作用最为明显，形成的涡量密集区多于工况1和工况2，说明这两种工况下最有利于达到MILD状态；而工况4这种喷嘴结构产生的偏置作用一直扩散到炉膛尾部，烟气回流大于工况3，更有利于MILD氧燃烧的实现。

3.2 组分场

将模拟得到的数据进行处理后得到了不同工况下的CO体积分数（图9）、中心线上CO体积分数分布（图10）、O2体积分数（图11）和中心线上O2体积分数分布（图12）。

图10 炉膛中心线上CO体积分数分布

由图9可以看出，炉膛内CO体积分数分布也受到喷嘴方向的影响，偏置方向与流场方向一致，且高体积分数区域只存在于射流混合处，两股射流发生反应产生CO，后半段炉膛中CO体积分数很低。

由图10可以看出：4种工况下在0.1 m处产生CO，然后呈先降低后升高再降低的趋势。这是由于刚开始位置燃烧反应不完全，CO体积分数最高，随后位置的燃烧反应完全，CO体积分数降低，而后又由于扩散和偏置等影响，又发生剧烈反应，产生高温区，生成CO，在炉膛后半段随着回流、扩散等作用CO持续下降至很低水平；工况4下CO体积分数变化最平稳，高体积分数CO分布区域最小，且在炉膛尾部的CO体积分数几乎为0，根据文献[9]中的MILD燃烧标准得出，工况4最有利于MILD氧燃烧的实现。

图12 炉膛中心线上O2体积分数分布

由图11可以看出：高气速的O2从下端喷嘴射出，红色富氧区向着喷嘴倾斜角方向扩散到炉膛中，这是由非对称射流喷嘴结构中单倾斜角度的设计决定的；4种工况下的O2均呈现偏置分布，靠近丙烷喷嘴一侧的O2被消耗，参与燃烧反应；O2体积分数不同是由于炉膛内回流作用卷吸回的烟气对O2体积分数稀释程度不同所致。

由图12可以看出：工况2和工况4下O2体积分数均匀分布且都低于10%；而工况1和工况3的O2体积分数则是先升高后降低，在400 mm处降至10%以下，随后趋于平稳，这是因为喷嘴对氧气射流的偏置作用（即喷嘴的倾斜角会影响射流向该方向偏移）使工况1和工况3的氧气射流向中心线处偏置，工况2和工况4则远离中心线；但在射流密集区以外的炉膛中，O2体积分数均达到了10%以下。根据文献[10]中提到的O2体积分数低于10%为达到MILD燃烧的标准之一，发现4种工况的O2体积分数均达到MILD燃烧标准。

通过图11和图12的对比并综合前文的速度分布发现，工况4的喷嘴结构产生的烟气回流对O2体积分数稀释的最为明显，最有利于实现MILD氧燃烧。

3.3 温度场

将模拟得到的数据进行处理后得到了不同工况下温度分布（图13）和中心线上温度分布（图14）。由图13和图14可以看出：工况1丙烷气流与氧气气流混合后向上方偏置，高温区域也随着向上偏移至炉膛上壁形成高温区；工况2的高温区域则是向下偏移至炉膛底部，但却没有向更大的区域扩散；工况3的高温区域与工况1基本相同，只是扩散的区域略大于工况1；工况4的高温区几乎覆盖了 炉膛的前半段，这说明工况4的喷嘴结构可以使 射流混合产生的小微团扩散到炉膛后端并进行燃烧反应。

图14 炉膛中心线上温度分布

表1为炉膛内温度波动比值。表1中：平均温度是指炉膛平均温度；温度波动比值是根据文献[10]中的温度波动比值公式计算得出，其值越小表示炉膛内温度分布越均匀。由表1可见：工况2下的平均温度最小，这是因为在工况2下的燃烧只发生在射流区域内，没有向更大的区域扩散，使得高温区很小，同时也使整体温度降低；工况4中的高温区扩散到几乎充满炉膛前半段，这也使得炉膛内整体温度升高；工况4的温度波动比值最小，这说明该工况下温度分布最均匀，最有利于MILD氧燃烧的实现。

表1 炉膛内温度波动比值

Tab.1 The temperature fluctuation ratio in furnace

综合分析图8、图9、图11和图13发现：4种不同的喷嘴结构产生了不同的燃烧情况，大动量的喷嘴倾斜角决定了炉内气流、CO、O2以及高温区的分布方向，而这种偏置在炉膛内形成回流区，烟气回流使O2体积分数降低；两股射流混合时相互作用形成大量小微团，进行燃烧反应，产生CO，而这些小微团又由于偏置和回流的影响扩散到炉膛后方，反应也随之扩散；工况4的喷嘴结构产生的效果最好，最有利于实现MILD氧燃烧。

4 结 论

1）在各种参数相同的条件下对4种结构的非对称射流喷嘴MILD氧燃烧进行了数值模拟研究，通过观察其速度分布及涡量等值线图发现，非对称射流喷嘴可以将射流气体打散成诸多小体积微团，有利于形成MILD燃烧，不同喷嘴结构中大动量的喷嘴倾斜角方向影响流场的偏移方向，且影响回流区域的分布。

2）通过对4种工况的综合对比分析发现，喷嘴倾斜面向外放置的喷嘴结构打散气流产生的小体积微团扩散效果最好，CO体积分数最小，回流烟气对O2稀释效果最好，温度分布最均匀，最有利于MILD氧燃烧的实现。

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Simulation research on MILD oxygen combustion of asymmetric jet nozzle

WU Yongfu1, WU Dianbin1, LIU Zhongxing2, DONG Yunfang2

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources, IMUST, Baotou 014010, China)

MILD oxygen combustion technology is a more energy-saving and emission-reducing technology developed from the MILD combustion technology. In order to find a nozzle structure that is more conducive to MILD oxygen combustion, this article has designed a unilateral inclined bell mouth nozzle. Four different nozzle structures were set up by changing the direction of the opening of the asymmetric nozzle horn, and numerical simulations were performed under the same conditions for various parameters. Moreover, from the aspects of speed field, vorticity field, component field and temperature field, the asymmetrical nozzles were analyzed. The results show that, the asymmetric jet nozzles can disperse the jet gas into many micelles with small size. The direction of inclination of the large momentum nozzles in different nozzle structures affects the direction of the flow field and the reflow area. For the nozzle with structure that the inclined surface placed outwards, the diffusion of small size micelles resulting from the dispersion of the airflow is the best, the CO concentration is the minimum, the reflux flue gas has the best O2 dilution effect, and the temperature distribution is the most uniform, so nozzle with this structure is most beneficial to the realization of MILD oxygen combustion.

MILD oxygen combustion, asymmetric jet, nozzle structure, velocity field, vorticity field, component field, temperature field, numerical simulation

National Natural Science Foundation of China (51464041); Inner Mongolia Higher Education Research Project (NJZZ17161)

伍永福(1974—)，男，博士，副教授，主要研究方向为复杂热过程仿真模拟优化，wyf07@imust.cn。

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201805093

伍永福, 武殿斌, 刘中兴, 等. 非对称射流喷嘴MILD氧燃烧模拟研究[J]. 热力发电, 2019, 48(2): 59-64. WU Yongfu, WU Dianbin, LIU Zhongxing, et al. Simulation research on MILD oxygen combustion of asymmetric jet nozzle[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 59-64.

2018-05-08

国家自然科学基金项目(51464041)；内蒙古自治区高等学校科学研究项目资助(NJZZ17161)

刘中兴(1963—)，男，博士，教授，16085545@qq.com。

（责任编辑 马昕红）