何金橋，曹 雄，陳湛源，趙華庚

(1.長沙理工大學 能源與動力工程學院， 長沙 410004；2 湖南省電力勘測設計院， 長沙 410007)

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放熱條件下的燃油油霧燃燒過程混合特性研究

何金橋1，曹 雄1，陳湛源2，趙華庚1

(1.長沙理工大學 能源與動力工程學院， 長沙 410004；2 湖南省電力勘測設計院， 長沙 410007)

為了研究在燃油油霧擴散燃燒過程中爐內煙氣混合特性對油霧氣流著火及燃盡性能的影響，針對2 t/h臥式鍋殼鍋爐的結構特點，建立了爐膛散熱條件下油霧燃燒的非預混燃燒模型，并分析了爐內煙氣的速度及溫度分布特性。研究結果表明：在油霧燃燒過程中因蒸發(fā)吸熱使得爐膛入口氣流初始階段的溫度變化較小，軸向氣流著火點的位置不受入口風速的影響，即均在離出口約0.7 m處；回流區(qū)隨著風速的增大而增大，降低了軸線方向主燃燒區(qū)域的空間，不利于油霧燃料在爐內燃盡；最大回流速度隨入口風速的增大而不斷增大，當入口風速為7 m/s時，既有利于強化初始階段的回流效應，達到促使油霧氣流預熱著火的目的，也有利于主燃燒區(qū)燃料的充分燃燒。

油霧燃燒； 混合特性；PDF模型；回流區(qū)

原油精煉后的殘余物主要為重油和渣油，被廣泛用于工業(yè)及民用加熱。我國是以煤炭為主要能源的國家，石油資源稀缺，電站用燃油鍋爐已經(jīng)淡出市場，但船用及民用鍋爐的重油需求因其特殊的理化要求不降反增，預計到2025年其需求量會不斷增加[1]。據(jù)統(tǒng)計，全世界含有瀝青烯等重質烴成分的石油自然保有量是規(guī)整后石油產(chǎn)品的3倍[2]。由此可見，規(guī)整后仍將剩余大量的重質燃油。受國內石油資源的限制，2020年我國石油進口量將增加到2.9～3.2億噸，石油對外依存度也將超過60%[3]。石化行業(yè)本身就是能耗大戶，石油既是燃料，又是化工原料，據(jù)統(tǒng)計其中的70%均用作燃料[3]。燃油中含有大量的諸如瀝青之類的高分子焦炭前驅體，伴隨而來的是燃燒顆粒物及氣相可燃物等污染物排放的增加[4-6]。隨著石油加工技術的進步，分子量相對較小的重質烴成分可提煉為成品油，這使得燃油質量不斷下降，燃燒過程中的熱解縮聚作用更加顯著，更容易導致碳氫顆粒物的析出[7]。因此，加強工業(yè)加熱及燃油鍋爐中油霧燃燒過程的混合性能是提高油霧著火及燃盡的有效途徑。目前應用傳統(tǒng)的測試方法很難獲得鍋爐內部燃燒的詳細情況。特別是爐內存在一些氣體回流區(qū)域，在爐底死角和隔板背風面附近區(qū)域存在回流現(xiàn)象，這些回流直接影響了氣體對流傳熱的效果，導致發(fā)生這種情況的原因主要是溫度分布不均勻[8]。因此，本研究基于油霧燃燒的基本特點，以雙方程湍流模型為基礎，結合爐膛的散熱特性，對燃油鍋爐爐內油霧燃燒過程中的氣流混合特性進行數(shù)值模擬優(yōu)化。本研究對于降低油霧燃燒污染物的排放和提高燃油的利用效率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 平直爐膽油霧燃燒數(shù)學模型

1.1 爐內燃燒與流動特性分析

臥式三回程燃油鍋爐安裝靈活、自動化程度高、操作簡單方便、污染物排放低，在工業(yè)生產(chǎn)及民用供暖方面得到了廣泛的應用。圖1為三回程火管式全濕背鍋殼臥式燃油鍋爐爐膛結構[9]。該爐膛對應鍋爐的額定蒸發(fā)量為2 t/h，設計壓力為1.25 MPa，飽和蒸汽溫度為191.3 ℃[10]。鍋爐選用旋杯式霧化燃燒器，燃油經(jīng)直徑為D2的油霧噴嘴噴出霧化，助燃用的空氣則通過直徑為D3的噴嘴攜帶油霧進入到爐內燃燒。鍋爐爐膛結構參數(shù)如表1所示。

圖1 三回程火管式全濕背鍋殼臥式燃油鍋爐爐膛結構

整個爐膛及回煙室均浸沒在工質水中，爐內油霧燃燒放出的熱量及煙氣中的熱量被大量吸收，有利于降低爐內溫度，但也進一步阻礙了油霧的充分燃燒[11]。因此，提高燃油的混合特性及著火性能是提高油霧充分燃燒的必然要求。

表1 鍋爐爐膛結構參數(shù) mm

L1L2D1D2D32760480776576

鍋爐通過重柴油的燃燒來加熱工質水，并獲得蒸汽。儲存在儲油罐中的重柴油經(jīng)齒輪油泵被送入到二級分離器除去機械雜質，并經(jīng)預熱器預熱到70～120 ℃后，用調節(jié)閥保持油壓在811～2 027 kPa(8～20標準大氣壓)，由油霧噴嘴噴入爐膛與空氣混合燃燒[12]。燃燒煙氣經(jīng)回煙室及煙箱依次經(jīng)過二、三煙管放熱后通過煙囪排入大氣。該鍋爐使用的重柴油燃料特性如表2所示。

表2 重柴油燃料特性

由表2可知：該型重柴油中的主要成分為碳及氫2種可燃成分，其中碳氫比值在6以上。其他雜質的含量很少，幾乎可以忽略不計。因此，該型重柴油燃燒時如果霧化較差或者爐內氣流混較差，都會出現(xiàn)析碳現(xiàn)象，增加碳顆粒物排放，如果析碳嚴重甚至會導致煙火管堵塞。

1.2 燃燒與流動數(shù)學模型分析

油霧在爐膛中的燃燒情況比較復雜，一般需經(jīng)過預熱和蒸發(fā)產(chǎn)生油蒸汽，然后才進行氣相可燃成分及焦炭顆粒的燃燒[13]。油霧燃燒過程與煤粉燃燒過程較為相似，但油霧燃燒預熱需要消耗更多的熱能，所以強化油霧燃燒初始階段的預熱可以有效地提高油霧裂解顆粒的燃盡性能[14]。

臥式鍋殼鍋爐內的燃燒達到穩(wěn)定以后，爐內的煙氣流動、火焰燃燒和傳熱過程可以用氣體燃燒基本方程來描述。臥式燃燒鍋爐內的煙氣流動屬于湍流流動。燃料和氧化劑未經(jīng)混合進入燃燒室燃燒屬于擴散燃燒，且輻射傳熱是爐內主要的傳熱方式[15]。本研究選用雙方程湍流模型、非預混燃燒組分模型(PDF模型)和離散坐標(DO)輻射模型來模擬流動、燃燒、傳熱過程[16]，具體數(shù)學控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

在以上各控制方程中：ρ為密度；u為速度；p為壓力；k為傳熱系數(shù)；T為溫度；μe定壓熱容。

2 爐內燃燒混合特性

2.1 爐膛軸向混合特性

圖2為入口空氣流速為6 m/s時的爐內煙氣流場分布。由圖2可知：助燃用的空氣將霧化后的油霧不斷卷吸送入到爐膛中燃燒， 并在爐內形成3個煙氣流動區(qū)；隨著空氣不斷擴散進入到油霧中燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣在沿軸線方向形成了一個流速較高、范圍不斷擴大且流速始終指向爐膛出口的主燃燒區(qū)；在爐膛入口處外側形成一個三角形的煙氣回旋區(qū)域；介于主燃燒區(qū)與煙氣回流區(qū)的則為油霧向空氣擴散的混合區(qū)。

圖2 入口空氣流速為6 m/s時的爐內煙氣流場分布

由此可見，該型鍋爐爐膛能得到較好的冷卻，而且高溫煙氣對爐膛的直接沖刷情況也不嚴重。此外，良好的煙氣回流區(qū)也有利于提高入口處油霧與助燃空氣的預熱。

圖3為在額定工況不同配風條件下油霧燃燒時的爐膛軸向煙氣速度分布曲線。由圖3可知，燃油經(jīng)霧化后被助燃空氣攜帶進入到爐內燃燒，軸向煙氣速度呈“M”型分布。這是由于燃油霧化噴嘴在爐膛中心位置，空氣的體積流量較大,但在爐內噴口的軸向位置處氧氣不足、燃料過剩,故在初始階段軸向速度雖有提高，但因燃燒不充分，加之油霧向助燃空氣中擴散，再次導致軸向氣流速度下降，直到軸向燃料開始著火燃燒后才使煙氣量增加，軸向氣流速度也重新升高。

圖3 爐膛軸向煙氣速度分布曲線

軸向流速的變化反映了主燃燒區(qū)油霧燃燒煙氣在爐內的流動與擴散情況。由于加入的燃料流量不變，因此風量對軸向氣流速度變化的影響較大，但主要影響初始階段的速度變化。由圖3可知，在不同風速下，軸向氣流著火點的位置基本上一致，均在離出口約0.7 m處。

圖4為在額定工況不同配風條件下油霧燃燒時的爐膛軸向煙氣溫度分布曲線。由圖4可知，在距離油霧噴嘴0.25 m的范圍內，軸向氣流的溫度基本上恒定不變，由此可知該區(qū)段軸向氣流中的主要成分仍然為沒有充分混合的油霧燃料。爐膛軸向外側的燃料隨著助燃空氣的不斷卷入而首先著火燃燒，不斷加熱軸向燃料氣流直至軸向氣流的著火燃燒，這與有油霧火炬的燃燒規(guī)律一致。此外，風量的增加對油霧初始階段的影響不大，但隨著燃燒的進一步進行，爐內氣流的混合更加均勻，此時風量越多、風速越高的煙氣氣流溫度就越低。由此可見，為了強化燃油油霧的充分燃燒，過量空氣會降低爐內溫度，不利于油霧燃燒后期焦炭顆粒的燃燒。

2.2 回流區(qū)混合特性

由圖4可知：燃油燃燒的蒸發(fā)吸熱使得油霧在進入爐內的初始階段的升溫較小，甚至沒有溫升，因此，爐膛入口處煙氣的回流對于強化油霧的升溫和著火都極為重要。在不同風速下投入到爐內的燃油量保持不變，意味著該段的吸熱也不變，而回流區(qū)主要受燃燒器外側助燃用空氣流動卷吸作用的影響，因此回流區(qū)的大小及強度主要受風速的影響。

圖4 爐膛軸向煙氣溫度分布曲線

回流區(qū)中心位置處氣流速度為0，而回流區(qū)終點軸向方向的氣流速度也為0。表3為不同風速條件下爐膛上部回流區(qū)中心及其尾部終點位置。

表3 爐膛上部回流區(qū)中心( X1,Y1)及終點( X2,Y2)位置 mm

由表3可知：隨著風速的增加，回流區(qū)中心位置離爐膛氣流入口越遠則變化的幅度越大，距離爐膛軸線的距離也越近。這意味著隨著風速的增大，回流區(qū)變得更大。起、終點位置也表明了這種關系。這進一步降低了軸線方向主燃燒區(qū)域的空間，不利于油霧燃料在爐內燃盡。

圖5為穿過回流區(qū)中心位置連線上的煙氣軸向回流速度分布，連線垂直爐膛軸線。由圖5可見：主軸上的氣流速度最大，回流中心處的位置最小，而后煙氣流動方向發(fā)生改變，并且離軸線越遠速度越大?；亓鲄^(qū)中，不同入口風速下的煙氣速度變化較小。該連線的主燃燒區(qū)中，煙氣流速在較低的入口風速條件下變化較小，而隨著入口風速的增加，越靠近爐膛軸線變化越大。

由此可見，增大風速確實有利于主燃燒區(qū)中助燃空氣與油霧的混合，但速度的增加也會減少煙氣在爐膛中停留的時間。本文研究表明，風速的變化不會影響油霧蒸發(fā)所需的爐膛長度，因此入口風速的增大將導致主燃燒區(qū)煙氣在爐內的停留時間減少，這對于油霧的完全燃燒是不利的。

圖5 穿過回流區(qū)中心位置連線上的煙氣軸向回流速度分布

圖6為不同風速條件下回流區(qū)中心位置連線上的煙氣軸向最大回流速度分布曲線。由圖6可知：最大回流速度隨入口風速的增大而不斷增大；當入口風速小于7 m/s時最大回流速度增加得更快；當入口風速大于7 m/s后，其增幅迅速減小。由此可見，當入口風速為7 m/s時有利于強化初始階段的回流效應，達到促進油霧氣流預熱著火的目的，同時又有利于主燃燒區(qū)燃料的充分燃燒,可最大限度減少顆粒物排放。

圖6 不同風速條件下回流區(qū)中心位置連線上的煙氣軸向最大回流速度分布曲線

3 結論

1) 軸向流速的變化整體反映了主燃燒區(qū)油霧燃燒煙氣在爐內的流動與擴散情況。油霧燃燒過程因蒸發(fā)吸熱使得爐膛入口氣流初始階段的溫度變化較小。由于加入的燃料流量不變，入口風速對軸向氣流速度變化的影響較大，但主要影響初始階段的速度變化。在不同風速下，軸向氣流著火點的位置基本上一致，均在離出口約0.7 m處。

2) 隨著風速的增加，回流區(qū)中心位置離爐膛氣流入口越遠則變化的幅度越大，距離爐膛軸線的距離也越近。這意味著隨著風速的增大，回流區(qū)變得更大。起、終點位置也表明了這種關系。這進一步降低了軸線方向主燃燒區(qū)域的空間，不利于油霧燃料在爐內燃盡。

3) 最大回流速度隨入口風速的增大而不斷增大。在入口風速小于7 m/s時最大回流速度增加得更快，但大于7 m/s后，其增幅迅速減小。由此可見，當入口風速為7 m/s時有利于強化初始階段的回流效應，達到促進油霧氣流預熱著火的目的，同時又有利于主燃燒區(qū)燃料的充分燃燒,最大限度減少顆粒物排放。

[1] Seng-Rung Wu,Wen-Chen Chang,Jack Chiao.Low NO x heavy fuel oil combustion with high temperature air[J].Fuel,2006,86(5):820-828.

[2] Barroso J,Barreras F,Ballester J.Behavior of a high-capacity steam boiler using heavy fuel oil Part I： High-temperature corrosion [J].Fuel Processing Technology,2004,86(2):107-121.

[3] 能源科學學科發(fā)展戰(zhàn)略研究組.2011—2020 年我國能源科學學科發(fā)展戰(zhàn)略報告[ R ].北京：國家自然科學基金委員會，中國科學院，2010.

[4] Moldanova J,Fridell E,Popovichev O,et al.Characterisation of particulate matter and gaseous emissions from a large ship diesel engine[J].Atmos Environ,2009,43(2):2632-2641.

[5] Ambalae A,Mahinpey N,Freitag N.Thermogravimetric studies on pyrolysis and combustion behavior of a heavy oil and its asphaltenes[J].Energy Fuels，2006,20:560-564.

[6] Murugan P,Mahinpey N,Mani T.Thermal cracking and combustion kinetics of asphaltenes derived from Fosterton oil[J].Fuel Process Technol,2009,90(12):86-91.

[7] 劉富強,楊金虎,劉存喜，等.燃油分級多點噴射低污染燃燒室的化學反應網(wǎng)絡模型分析[J].工程熱物理學報,2012,33(3):537-541.

[8] 劉亞琴,李素芬,張莉.燃油鍋爐改燒瓦斯氣爐內流動和燃燒過程的數(shù)值模擬[J].熱能動力工程,2006,5(3):295-301 .

[9] 姜湘山.燃油燃氣鍋爐及鍋爐房設計[ M ].北京：機械工業(yè)出版社，2003：137-147.

[10]許考,劉中良,康天放,等.預混天然氣小尺度燃燒特性的CFD研究[J].熱能動力工程,2006(1):48-52.

[11]Zhu Q Y,Xie M H,Yang J,et al.Investigation of the 3D model of coupled heat and mass moisture transfer in hygroscopic porous brous media[J].Int J Heat Mass Transfer,2010,53(8) ：3914-3927.

[12]Jianlong Kou,Yang Liu,Fengmin Wu,et al.Fractal analysis of effective thermal conductivity for three-phase (unsaturated) porous media[J].Journal of Applied Physics,2009(5):106.

[13]呂繼組,白敏麗,李曉杰.輻射傳熱空間非均勻性對燃油霧化的影響[J].工程熱物理學報,2011,32 (4),625-628.

[14]王補宣.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社,2011：230-252 .

[15]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數(shù)值模擬[M].北京：清華大學出版社，1989 ：153-185 .

[16]岑可法.工程氣固多相流動的理論及計算[ M ].杭州:浙江大學出版社,1992 ：95-121 .

(責任編輯 劉 舸)

Research-Based Fuel Mist Mixing Characteristics of Combustion Process Under Heat Conditions

HE Jin-qiao1, CAO Xiong1, CHENG Zhan-yuan2, ZHAO Hua-geng1

(1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science & Technology,Changsha 410004, China; 2. Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China)

In order to study the influence of mist smoke mist flow mixing characteristics in diffusion combustion furnace oil on the performance of fire and burn, we established non-premixed combustion model under mist burning furnace cooling conditions, according to the characteristics 2 t/h horizontal shell boiler structure, and analyzed the furnace flue gas velocity and temperature distribution characteristics. The results show that in the process of burning oil mist, the initial stage of airflow temperature of chamber entrance changes little for evaporation endothermic and the place of ignition point of axial flow can not be affected by the inlet velocity, which is at about 0.7 m away from the exit of the exit. The recirculation zone increases with the increase of wind speed, which reduces the space in the axial direction of the main combustion zone and is not conducive to burn out fuel oil mist in the furnace. Maximum speed reflux inlet velocity increases with increasing of wind speed at the entrance, when the inlet velocity is of 7 m/s, which is not only helpful to strengthen the effect of the initial phase reflow, but also helpful to strengthen the mist flow preheat fire purposes, and is conducive to the primary combustion zone fuel combustion at the same time.

burning oil mist; mixing characteristics; PDF model; recirculation zone

2014-11-26 基金項目：國家自然科學基金資助項目( 51275058)； 湖南省教育廳一般項目(11C0026)

何金橋(1973—)，男，湖南衡陽人，博士，主要從事熱能工程研究。

何金橋，曹雄，陳湛源，等.放熱條件下的燃油油霧燃燒過程混合特性研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):25-29.

format：HE Jin-qiao, CAO Xiong, CHENG Zhan-yuan, et al.Research-Based Fuel Mist Mixing Characteristics of Combustion Process Under Heat Conditions[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):25-29.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.006

TK262；TK264.1

A

1674-8425(2015)03-0025-05