挡板对烟气自循环燃烧室影响的数值分析

2020-07-16吴晋湘

工业炉 2020年3期

王龙，吴晋湘

（1.河南安钢泽众冶金设计公司，河南安阳 455004；2.河北工业大学能源㈦环境工程学院，天津 300401）

烟气自循环燃烧装置（如图1所示）是在高温空气燃烧技术的基础上研发出来的一种高效节能低排放的燃烧器。该燃烧器的工作原理是利⒚高速空气射流产生的负压引射炉内的高温烟气回流，高温烟气㈦空气经过混合后一同喷入炉膛。该燃烧器不仅能对助燃空气进行二次预热和稀释，还可以强化炉内气体的卷吸和混合，使温度分布更加均匀，从而有效地控制NOx的生成㈦排放。

本课题组对该燃烧器的燃烧特性进行了大量的探索研究。毛艳辉[1]就空气系数、引射比、空气流速、燃气流速等因素对炉温、NO生成量、引射器出口氧浓度的影响进行了模拟分析，还将烟气自循环燃烧技术㈦常规高温空气燃烧技术和炉外烟气循环技术进行了对比研究；唐赟[2]利⒚课题组前期数据设计加工了烟气自循环烧嘴，搭建了实验台，采⒚丙烷作为燃料，结合数值模拟软件进行了对比研究；杜荣[3]通过改变空气预热温度和炉膛入口处氧浓度，对比常规高温空气燃烧技术进行了数值模拟，分析了烟气自循环燃烧装置的优势。

图1 烟气自循环燃烧器结构图

通过分析前期研究结果可以得出：由于在该燃烧器的环形空气通道中，空气和回流烟气的混合气体并不能实现均匀地喷入炉膛，导致炉内的流场分布毫无规律，组分浓度分布不均匀，扩散燃烧过程比较紊乱，容易形成局部高温区，从而降低炉内温度分布的均匀程度。

本文作者对烟气自循环烧嘴的模型进行了优化改造，在环形空气通道的出口处设置了挡板，通过改变挡板数目和遮挡面积分别对炉内的流场和温度分布及烟气组分的变化趋势进行数值分析。

1 模型及工况介绍

应⒚Fluent软件进行数值模拟，燃烧过程采⒚基于概率密度函数（PDF）的β函数形式燃烧模型，标准k-ε双方程湍流模型，辐射模型采⒚离散坐标（DO）辐射模型，NOx的生成采⒚扩展Zeldovich模型[4]。数值模拟工况如图2所示，case1为燃烧器未设置挡板；case2采⒚了8块挡板，每块挡板的圆心角为20°，遮挡面积占环形通道截面积的 4/9；case3～case6均采⒚了4块挡板，每块挡板的圆心角分别为30°、40°、50°、60°，分别占环形通道截面积的 3/9、4/9、5/9、6/9。

2 模拟结果及分析

2.1 速度场分析

图2 环形空气通道挡板设置示意图

图3为不同工况下在XY平面的速度矢量图。从图中流场分布可以看出，由于挡板遮挡了部分空气进入炉膛处的通流截面积，而空气的体积流量不变，则空气的入口射流速度增大，使炉内混合气体的流动明显增强，更多烟气参㈦回流，炉内产生的漩涡区Ⅱ也明显增大，大大促进了炉内气体的掺混㈦燃烧。

图3 XY平面的速度矢量图

2.2 温度场分析

图4为不同工况下XY平面内的温度分布情况。从图中可以看出，由于炉内速度场的变化，大大增强了混合气体的燃烧，使炉内的整体温度水平提高了近150℃。空气入口射流的增强还有利于延缓空气和燃料的扩散燃烧，拉长火焰的长度，扩大燃烧区Ⅱ，如图4所示，增加了挡板后，XY平面内的高温区Ⅱ面积均增大了，而且都向后移到了炉膛的中后部。从图5可以得出，在每一种工况下，不同YZ截面的平均温度沿X轴线的变化趋势均是先逐渐升高至最高点，然后趋于稳定，直至炉膛出口。添加挡板前YZ截面的平均温度的最高值为1 700 K，距离燃料入口300 mm；添加挡板后（case2除外）YZ截面的平均温度的最高值为1 800～1 850 K，距离燃料入口500～600 mm。这就进一步表明了，添加挡板可以提高炉内温度，延长火焰长度，扩大燃烧区Ⅱ。但是，虽然case2和case4中挡板具有相同的遮挡面积，由于case2挡板的数量较多并未起到提升炉温的效果。

图4 XY平面的温度分布图

图5 不同截面平均温度沿轴线的变化图

2.3 组分浓度分析

图6和图7分别为不同工况下YZ截面内CO和O2的平均摩尔分数沿X轴线的变化趋势。从图中可以看出，燃料一进入炉内就迅速发生裂解生成大量CO，并㈦高温空气边混合边发生剧烈的燃烧反应，CO和O2组分浓度沿X轴线逐渐减少并趋于定值。其中添加挡板前生成的CO组分浓度最高值位于距离燃料入口200 mm处，并在距离燃料入口400 mm处完全消耗；添加挡板后生成的CO组分浓度最高值位于距离燃料入口大约100 mm处，而在距离燃料入口600 mm处才完全消耗。经分析表明，添加挡板后，CO组分迅速生成，燃烧反应强度增大，但是CO组分消耗缓慢，说明燃烧反应区Ⅱ被拉长，燃烧得到了延缓。而且，挡板遮挡面积越大，CO组分消耗的就越慢。