王 龍，吳晉湘

（1.河南安鋼澤眾冶金設(shè)計公司，河南 安陽 455004；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源㈦環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

煙氣自循環(huán)燃燒裝置（如圖1所示）是在高溫空氣燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的一種高效節(jié)能低排放的燃燒器。該燃燒器的工作原理是利⒚高速空氣射流產(chǎn)生的負(fù)壓引射爐內(nèi)的高溫?zé)煔饣亓鳎邷責(zé)煔猗肟諝饨?jīng)過混合后一同噴入爐膛。該燃燒器不僅能對助燃空氣進(jìn)行二次預(yù)熱和稀釋，還可以強(qiáng)化爐內(nèi)氣體的卷吸和混合，使溫度分布更加均勻，從而有效地控制NOx的生成㈦排放。

本課題組對該燃燒器的燃燒特性進(jìn)行了大量的探索研究。毛艷輝[1]就空氣系數(shù)、引射比、空氣流速、燃?xì)饬魉俚纫蛩貙t溫、NO生成量、引射器出口氧濃度的影響進(jìn)行了模擬分析，還將煙氣自循環(huán)燃燒技術(shù)㈦常規(guī)高溫空氣燃燒技術(shù)和爐外煙氣循環(huán)技術(shù)進(jìn)行了對比研究；唐赟[2]利⒚課題組前期數(shù)據(jù)設(shè)計加工了煙氣自循環(huán)燒嘴，搭建了實驗臺，采⒚丙烷作為燃料，結(jié)合數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了對比研究；杜榮[3]通過改變空氣預(yù)熱溫度和爐膛入口處氧濃度，對比常規(guī)高溫空氣燃燒技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了煙氣自循環(huán)燃燒裝置的優(yōu)勢。

圖1 煙氣自循環(huán)燃燒器結(jié)構(gòu)圖

通過分析前期研究結(jié)果可以得出：由于在該燃燒器的環(huán)形空氣通道中，空氣和回流煙氣的混合氣體并不能實現(xiàn)均勻地噴入爐膛，導(dǎo)致爐內(nèi)的流場分布毫無規(guī)律，組分濃度分布不均勻，擴(kuò)散燃燒過程比較紊亂，容易形成局部高溫區(qū)，從而降低爐內(nèi)溫度分布的均勻程度。

本文作者對煙氣自循環(huán)燒嘴的模型進(jìn)行了優(yōu)化改造，在環(huán)形空氣通道的出口處設(shè)置了擋板，通過改變擋板數(shù)目和遮擋面積分別對爐內(nèi)的流場和溫度分布及煙氣組分的變化趨勢進(jìn)行數(shù)值分析。

1 模型及工況介紹

應(yīng)⒚Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，燃燒過程采⒚基于概率密度函數(shù)（PDF）的β函數(shù)形式燃燒模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，輻射模型采⒚離散坐標(biāo)（DO）輻射模型，NOx的生成采⒚擴(kuò)展Zeldovich模型[4]。數(shù)值模擬工況如圖2所示，case1為燃燒器未設(shè)置擋板；case2采⒚了8塊擋板，每塊擋板的圓心角為20°，遮擋面積占環(huán)形通道截面積的 4/9；case3～case6均采⒚了4塊擋板，每塊擋板的圓心角分別為30°、40°、50°、60°， 分別占環(huán)形通道截面積的 3/9、4/9、5/9、6/9。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 速度場分析

圖2 環(huán)形空氣通道擋板設(shè)置示意圖

圖3為不同工況下在XY平面的速度矢量圖。從圖中流場分布可以看出，由于擋板遮擋了部分空氣進(jìn)入爐膛處的通流截面積，而空氣的體積流量不變，則空氣的入口射流速度增大，使?fàn)t內(nèi)混合氣體的流動明顯增強(qiáng)，更多煙氣參㈦回流，爐內(nèi)產(chǎn)生的漩渦區(qū)Ⅱ也明顯增大，大大促進(jìn)了爐內(nèi)氣體的摻混㈦燃燒。

圖3 XY平面的速度矢量圖

2.2 溫度場分析

圖4為不同工況下XY平面內(nèi)的溫度分布情況。從圖中可以看出，由于爐內(nèi)速度場的變化，大大增強(qiáng)了混合氣體的燃燒，使?fàn)t內(nèi)的整體溫度水平提高了近150℃?？諝馊肟谏淞鞯脑鰪?qiáng)還有利于延緩空氣和燃料的擴(kuò)散燃燒，拉長火焰的長度，擴(kuò)大燃燒區(qū)Ⅱ，如圖4所示，增加了擋板后，XY平面內(nèi)的高溫區(qū)Ⅱ面積均增大了，而且都向后移到了爐膛的中后部。從圖5可以得出，在每一種工況下，不同YZ截面的平均溫度沿X軸線的變化趨勢均是先逐漸升高至最高點，然后趨于穩(wěn)定，直至爐膛出口。添加擋板前YZ截面的平均溫度的最高值為1 700 K，距離燃料入口300 mm；添加擋板后（case2除外）YZ截面的平均溫度的最高值為1 800～1 850 K，距離燃料入口500～600 mm。這就進(jìn)一步表明了，添加擋板可以提高爐內(nèi)溫度，延長火焰長度，擴(kuò)大燃燒區(qū)Ⅱ。但是，雖然case2和case4中擋板具有相同的遮擋面積，由于case2擋板的數(shù)量較多并未起到提升爐溫的效果。

圖4 XY平面的溫度分布圖

圖5 不同截面平均溫度沿軸線的變化圖

2.3 組分濃度分析

圖6和圖7分別為不同工況下YZ截面內(nèi)CO和O2的平均摩爾分?jǐn)?shù)沿X軸線的變化趨勢。從圖中可以看出，燃料一進(jìn)入爐內(nèi)就迅速發(fā)生裂解生成大量CO，并㈦高溫空氣邊混合邊發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，CO和O2組分濃度沿X軸線逐漸減少并趨于定值。其中添加擋板前生成的CO組分濃度最高值位于距離燃料入口200 mm處，并在距離燃料入口400 mm處完全消耗；添加擋板后生成的CO組分濃度最高值位于距離燃料入口大約100 mm處，而在距離燃料入口600 mm處才完全消耗。經(jīng)分析表明，添加擋板后，CO組分迅速生成，燃燒反應(yīng)強(qiáng)度增大，但是CO組分消耗緩慢，說明燃燒反應(yīng)區(qū)Ⅱ被拉長，燃燒得到了延緩。而且，擋板遮擋面積越大，CO組分消耗的就越慢。

圖6 CO濃度的中心軸線分布圖

圖7 O2濃度的中心軸線分布圖

對于O2組分，YZ截面內(nèi)O2的平均摩爾分?jǐn)?shù)在距離燃料入口600 mm處就基本穩(wěn)定在了1.3%。圖中的變化曲線表明，擋板數(shù)目越多，遮擋面積越大，爐內(nèi)燃燒就越劇烈，O2消耗得就越快，在相同位置處的O2含量就越低，如圖中case2和case6所示。

3 結(jié)論

（1）在環(huán)形空氣通道的出口添加擋板，不僅可以起到很好的導(dǎo)流作⒚，還能增強(qiáng)空氣的入口射流，促進(jìn)爐內(nèi)氣體的摻混㈦燃燒，提升爐內(nèi)的整體溫度水平，延長火焰長度，擴(kuò)大燃燒區(qū)Ⅱ。

（2）適當(dāng)增加擋板數(shù)目和遮擋面積，爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)強(qiáng)度增大，反應(yīng)區(qū)Ⅱ被拉長。