馮 斌，吳永勝，劉斯發(fā)

（1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.九江海天設(shè)備制造有限公司，江西 九江 332100）

0 引言

船用鍋爐是為推進(jìn)船舶的蒸汽動(dòng)力機(jī)械供應(yīng)蒸汽的鍋爐，是船舶航運(yùn)安全穩(wěn)定的重要因素[1]。隨著我國(guó)環(huán)保政策的要求越來越嚴(yán)格，船用鍋爐面臨著減少污染物排放，尤其是減少氮氧化物排放的重要挑戰(zhàn)。燃料分級(jí)、空氣分級(jí)、低NOx旋流燃燒、煙氣循環(huán)、溫和與深度低氧稀釋燃燒等低NOx燃燒技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[2]。

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量手段的實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、獲取數(shù)據(jù)量少，數(shù)值模擬具有周期短，結(jié)果可視性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為研究空氣動(dòng)力場(chǎng)的主要手段。國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)有多位學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法對(duì)低氮燃燒器的相關(guān)性能進(jìn)行過相關(guān)研究。宋少鵬等通過數(shù)值模擬研究了燃料分級(jí)以及煙氣再循環(huán)對(duì)NOx生成的影響[3]；Habib等研究了燃?xì)忮仩t過?？諝庀禂?shù)、空氣預(yù)熱溫度對(duì)爐膛溫度和NO排放的影響[4]；Mafra等研究了當(dāng)量比對(duì)液化石油氣旋流燃燒NO排放的影響[5]。這些研究成果對(duì)于低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義，但對(duì)于具體類型的燃燒器，仍需要進(jìn)行針對(duì)性地研究。

本文的研究對(duì)象為某船用鍋爐雙燃料低氮燃燒器，首先使用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，然后將燃燒器三維模型導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD（computational fluid dynamics）軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬工作。通過數(shù)值模擬的方法，研究了在使用燃?xì)夂腿加蛢煞N燃料進(jìn)行燃燒時(shí)，該燃燒器出口的溫度分布、NOx濃度分布情況，以及它們與燃燒器的結(jié)構(gòu)特性，過量空氣系數(shù)等參數(shù)之間的聯(lián)系。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

雙燃料燃燒器的軸向長(zhǎng)度為554 mm，徑向直徑為615 mm。其燃油入口、燃?xì)馊肟凇⒖諝馊肟诰虱h(huán)狀，依次沿軸向分布在燃燒器上。利用Solidworks軟件建立該燃燒器的三維模型，采用1∶1的比例，其三維模型圖及其軸向剖面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 雙燃料低氮燃燒器三維模型圖

圖2 雙燃料低氮燃燒器軸向剖面圖，mm

將幾何模型導(dǎo)入ICEM CFD軟件中，設(shè)置網(wǎng)格劃分的參數(shù)，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了真實(shí)反映燃燒器噴口處及爐膛內(nèi)燃燒情況，除燃燒器部分外，本文在燃燒器出口設(shè)置方形臥式鍋爐爐膛，該假想爐膛長(zhǎng)為5 m，寬和高為3 m，爐膛容積為45 m3（爐膛網(wǎng)格部分不在圖中展示）。燃燒器布置在爐膛軸向幾何中心處，使火焰沿爐膛長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ分布。

在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用區(qū)域法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)本燃燒器及爐膛的外形特點(diǎn)把物理域分為燃燒器網(wǎng)格區(qū)域和爐膛網(wǎng)格區(qū)域，分別對(duì)兩個(gè)子區(qū)域網(wǎng)格生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，再將二者進(jìn)行合并。

為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在進(jìn)行燃?xì)馊紵W(wǎng)格劃分時(shí)，忽略燃油入口處網(wǎng)格的劃分。同理，在燃油系統(tǒng)中忽略燃?xì)馊肟谔幍木W(wǎng)格。生成的燃?xì)狻⑷加腿紵鞑糠志W(wǎng)格分別如圖3、圖4所示。

圖3 燃?xì)馊紵骶W(wǎng)格分布

圖4 燃油燃燒器網(wǎng)格分布

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型設(shè)置

天然氣燃燒過程中氮氧化物的生成機(jī)理包括熱力型、燃料型、快速型。熱力型是由燃燒用空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸a(chǎn)生的，燃燒溫度、氧氣濃度、氮?dú)鉂舛燃皻怏w在燃燒區(qū)域的停留時(shí)間對(duì)熱力型NOx的生成影響較大；燃料型NOx是燃料中氮的有機(jī)化合物，在燃燒中氧化形成的；快速型NOx是烴類燃料在燃燒過濃時(shí)產(chǎn)生的。本文所采用的兩種燃料中無含氮化合物，因此在選擇NOx模型時(shí)，只考慮熱力型NOx和快速型NOx。

2.2 邊界條件設(shè)置

本文探究的鍋爐主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要參數(shù)

在得到鍋爐主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置邊界條件如下。

a）燃?xì)膺M(jìn)口和空氣進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，速度由耗氣量及過量空氣系數(shù)計(jì)算得到。

b）燃油進(jìn)口設(shè)置為絕熱壁面，顆粒相為面積顆粒群，顆粒類型為小水滴，入口流量為0.108 8 kg/s。

c）爐膛壁面設(shè)置為無滑移，恒壁溫（400 K），其他壁面為絕熱壁面。

通過拍照和Image J圖像處理軟件[26]，測(cè)定土壤表面(1 m×1 m)覆蓋的各露石尺寸和面積，具體的工作流程見圖1。嵌入土體的不影響土表平整的石體則以土體內(nèi)部碎石計(jì)算[27]。小于5 mm的巖石碎片被認(rèn)為與沙子具有相同的物理性質(zhì)[28]，而且受圖像分辨率的限制，5 mm以下的碎石在圖像中不易辨別，因此巖石尺寸的下限設(shè)定為5 mm。巖石粒度分類標(biāo)準(zhǔn)為：5～20 mm，20～75 mm，75～250 mm，250～600 mm和大于600 mm。

d）爐膛出口設(shè)置為壓力出口。

e）燃燒器與爐膛網(wǎng)格交界處邊界條件設(shè)置為interface。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)所建立的燃燒器及爐膛模型、工況設(shè)置、邊界條件設(shè)置情況，對(duì)燃燒器的燃?xì)馇闆r和燃油情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，由收斂的模擬結(jié)果處理得到燃燒室內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及NOx濃度場(chǎng)的分布。由于本文模擬的爐膛為三維爐膛，因此選用爐膛的中心截面進(jìn)行分析。

3.1 燃?xì)馊紵?jì)算結(jié)果與分析

在燃?xì)馊紵闆r下，過量空氣系數(shù)為1.05，燃燒負(fù)荷為100%工況下，爐膛中心截面的溫度分布、氮氧化物濃度分布見圖5、圖6。

圖5 爐膛中心截面溫度分布

圖6 爐膛中心截面NOx濃度分布

由圖5可以看出，爐膛中心截面溫度的分布較為均勻，關(guān)于燃燒器中心線具有良好的對(duì)稱性，燃燒的高溫區(qū)主要集中在距離燃燒器出口一定距離處和爐膛的前半部分。這是因?yàn)樵谌紵鹘Y(jié)構(gòu)方面，噴口的環(huán)狀分布，使燃料氣和空氣呈一定角度進(jìn)入爐膛中心，合理控制了火焰形狀。由圖6可以看出，爐膛內(nèi)氮氧化物的分布情況和溫度分布情況具有一定的聯(lián)系性，氮氧化物主要集中在燃燒的高溫區(qū)，這符合氮氧化物的生成機(jī)理。結(jié)合爐膛內(nèi)的溫度分布情況，高溫區(qū)的最高溫度為2 132 K，平均溫度控制在了1 800 K以下，從而有效避免了氮氧化物的大量生成。

3.2 燃油燃燒計(jì)算結(jié)果與分析

在燃油燃燒情況下，過量空氣系數(shù)為1.05，燃燒負(fù)荷為100%工況下，爐膛中心截面的溫度分布，氮氧化物濃度分布見圖7、圖8。

圖7 爐膛中心截面溫度分布

由圖7和圖8可以看出，該燃燒器噴口的環(huán)狀分布，使燃料油和空氣呈一定角度進(jìn)入爐膛中心，從而合理控制了火焰形狀、爐膛內(nèi)溫度分布情況和氮氧化物分布情況。爐膛中心截面的溫度分布較為均勻，燃燒高溫區(qū)的最高溫度為2 036 K，平均溫度在1 800 K以下，結(jié)合氮氧化物的生成機(jī)理，這種燃燒方式有效避免了氮氧化物的大量生成。

3.3 燃燒器出口氮氧化物變化

在不同過量空氣系數(shù)，燃?xì)馊紵腿加腿紵r下，燃燒器出口中心線的氮氧化物變化分別如圖9，圖10所示。

圖9 燃?xì)馊紵趸餄舛茸兓?/p>

由圖9和圖10可以看出，對(duì)于兩種燃料的燃燒，該雙燃料燃燒器將氮氧化物體積分?jǐn)?shù)控制在了30×10-6以下，達(dá)到了低氮排放的要求。同時(shí)，鍋爐中氮氧化物的濃度隨著過量空氣系數(shù)的變化趨勢(shì)相同，即隨著過量空氣系數(shù)的增大而增大。結(jié)合爐膛中的溫度分布情況，這是因?yàn)殡S著過量空氣系數(shù)的增大，爐膛內(nèi)輻射換熱強(qiáng)度增加，溫度升高，從而生成的NOx更多。此外，在相對(duì)較小的過量空氣系數(shù)條件下，爐膛中的溫度分布更加均勻，這也會(huì)使NOx生成量減少。

綜合本次研究結(jié)果，燃?xì)馊紵c燃油燃燒過程均存在一定程度的爐內(nèi)火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)、高溫區(qū)后移的情況。這是由于燃燒器通道設(shè)置不夠合理，燃料與空氣混合不充分導(dǎo)致的。因此，若想進(jìn)一步提高反應(yīng)效率，使?fàn)t膛內(nèi)高溫區(qū)分布更加合理，降低污染物含量，針對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)考慮在一次風(fēng)入口處增加旋流裝置，并在燃燒器中心線上增加二次風(fēng)管。這樣一方面利用旋流裝置產(chǎn)生回流區(qū)，使燃料和回流的高溫?zé)煔獗M早接觸而著火，另一方面，可調(diào)流量的二次空氣可以作為燃燼風(fēng)補(bǔ)充完全燃燒所需要的氧氣，從而調(diào)整火焰長(zhǎng)度，降低燃燒室內(nèi)的燃燒溫度。

4 結(jié)論

本文首先介紹了船用鍋爐雙燃料燃燒器的結(jié)構(gòu)特性，然后描述了三維建模，網(wǎng)格劃分的過程，最后對(duì)該燃燒器在使用燃?xì)夂腿加蛢煞N燃料，不同過量空氣系數(shù)下的燃燒狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬。并得出結(jié)論如下。

a）該雙燃料低氮燃燒器結(jié)構(gòu)較為合理，燃料入口和空氣入口沿燃燒器中心線環(huán)狀分布，并與爐膛中心呈一定夾角。這對(duì)爐膛內(nèi)的火焰形狀以及燃燒溫度分布情況都有重要影響。

b）該燃燒器在使用燃?xì)馊紵腿加腿紵龝r(shí)，爐膛內(nèi)無過于集中的高溫區(qū)域，溫度分布較為均勻，從而使熱力型NOx和快速型NOx的生成量均得到了有效控制。

c）爐膛內(nèi)氮氧化物的分布情況與溫度分布情況具有一定的聯(lián)系性，并且隨著過量空氣系數(shù)的增大而增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要注意控制爐膛內(nèi)溫度的分布，并設(shè)置合理的過量空氣系數(shù)工況，避免爐膛內(nèi)局部高溫的出現(xiàn)，降低氮氧化物的排放。

d）在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，該雙燃料燃燒器應(yīng)考慮在一次風(fēng)入口處增加旋流裝置，以及在燃燒器中心線上增加二次風(fēng)管等措施，從而進(jìn)一步改善爐膛內(nèi)溫度分布，降低污染物排放。