董龍標(biāo) 劉慧敏 朱光羽 李 旺 劉效洲

(1 中山市智明節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，2 廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，3 廣東工業(yè)大學(xué))

面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺等問(wèn)題，人們期望通過(guò)新型的燃燒方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。煙氣再循環(huán)技術(shù)是指將燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣與助燃空氣混合，形成低氧空氣后再參與燃燒過(guò)程的一種節(jié)能技術(shù)[1]。該技術(shù)可以在爐膛內(nèi)形成高溫低氧的燃燒環(huán)境，在確保穩(wěn)定燃燒的同時(shí)有效降低NOx生成量，提高燃燒設(shè)備的熱效率。因此，在工業(yè)燃燒器[2]、鍋爐[3]、燃?xì)廨啓C(jī)[4]和內(nèi)燃機(jī)[5]等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

對(duì)于熔鋁爐這類大型熱工設(shè)備，一方面由于熱工設(shè)備尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃燒過(guò)程影響因素眾多，無(wú)法準(zhǔn)確、快速地提供熱態(tài)實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)；另一方面，熱態(tài)實(shí)驗(yàn)工況較多，現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和資金成本巨大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和商業(yè)軟件的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)逐漸出現(xiàn)在研究人員的視野中。CFD技術(shù)可以在無(wú)需做熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的情況下快速模擬實(shí)際燃燒工況，幫助研究人員解決復(fù)雜的流動(dòng)、燃燒等問(wèn)題。因此，文章研究利用數(shù)值計(jì)算軟件，模擬天然氣在熔鋁爐內(nèi)燃燒過(guò)程，分析了助燃空氣O2濃度對(duì)爐內(nèi)溫度分布及NOx生成量的影響，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 熔鋁爐的數(shù)值模擬工況確定

1.1 網(wǎng)格劃分

熔鋁爐的煙氣再循環(huán)系統(tǒng)主要包括回流管、混合室和擴(kuò)散段。為了方便模擬，燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)5.5 m、寬4 m、高2 m的長(zhǎng)方體，位于中間的管道是燃?xì)鈬姽?，后部為爐膛及煙道部分，如圖1所示。

圖1 燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

三維幾何模型建立完成后，利用ANSYS Meshing軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。為了分析局部流動(dòng)特性，在局部速度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密化處理，精確捕捉網(wǎng)格加密處的流動(dòng)特性，從而獲得更精確的計(jì)算結(jié)果。

1.2 模型建立

文章以采用天然氣為燃料的熔鋁爐作為模擬對(duì)象。助燃空氣經(jīng)過(guò)熱交換器后被加熱成為高溫空氣，通過(guò)空氣噴嘴噴出，射流速度極大，使得尾部產(chǎn)生負(fù)壓。負(fù)壓產(chǎn)生的抽吸力將尾部排煙管排出的煙氣抽入回流管道，與助燃空氣進(jìn)行混合后再進(jìn)入爐膛助燃。

天然氣在熔鋁爐內(nèi)燃燒屬于擴(kuò)散燃燒，因此采用基于概率密度函數(shù)(PDF)的燃燒模型、標(biāo)準(zhǔn)兩級(jí)湍流模型模擬爐膛內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性；DO模型適用于半透明介質(zhì)和灰體輻射，并且能夠考慮粒子的影響，更適合熔鋁爐的燃燒工況，因此輻射模型方面采用離散輻射(DO)模型；NOx的生成機(jī)理有熱力型、燃料型和快速型?？焖傩蚇Ox生成量較少，燃料型NOx與燃料本身的含氮量關(guān)聯(lián)較大，由于爐燃料為天然氣，其氮元素含量較少，所以NOx的生成只考慮了熱力型NOx，其生成機(jī)理采用擴(kuò)展的Zeldovich模型。

邊界條件方面，空氣和燃料入口條件設(shè)定為速度型入口，燃燒室出口條件設(shè)定為壓力出口。爐膛壁面的邊界條件定義為無(wú)滑移壁面。溫度限制條件為：燃燒器壁和爐膛壁面設(shè)置為絕熱條件，即q=0 W/m2，爐膛底部區(qū)域定義為鋁材質(zhì)，用于模擬鋁熔煉過(guò)程的溫度變化。

1.3 模擬工況

影響NOx生成量的主要因素是助燃空氣溫度及 O2含量。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，助燃空氣的O2含量分別設(shè)置為 21%、18%和15%。在低氧情況下，為保證燃料能夠穩(wěn)定燃燒，助燃空氣溫度取為1 273 K。燃料為甲烷，體積流量為380 m3/h，燃料噴口管徑為 80 mm，燃料入口溫度為300 K，流速為20.99 m/s，空氣系數(shù)為1.05。

在不同O2濃度下，通過(guò)計(jì)算可以得出助燃空氣進(jìn)口速度，如表1所示。

表1 不同O2濃度下的空氣入口速度 m/s

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

為方便分析溫度場(chǎng)，取熔鋁爐出口處的截面為研究對(duì)象。當(dāng)助燃空氣溫度為1 273 K時(shí)，O2濃度分別為21%、18%、15%工況下，隨著助燃空氣中的O2含量不斷下降，爐內(nèi)整體溫度逐漸下降，最高溫度顯著下降，高溫區(qū)域面積也相應(yīng)減小，說(shuō)明降低O2含量能有效地降低爐膛平均溫度。定義爐內(nèi)溫差：T=Tmax-Tave(即最高溫度和平均溫度之間的差異)，爐膛內(nèi)具體溫差分析見(jiàn)表2。

表2 爐內(nèi)溫差 K

從表2可以看出，隨著O2濃度降低，爐內(nèi)溫差呈下降趨勢(shì)。需要指出的是，煙氣再循環(huán)率和O2濃度有緊密的關(guān)系，隨著煙氣再循環(huán)率增加，O2濃度呈下降趨勢(shì)。助燃空氣中的O2濃度約為21%，而煙氣中的O2濃度約為6%(蓄熱式燃燒方式的燃燒效率較高)?？梢酝扑?，當(dāng)煙氣再循環(huán)率達(dá)到40%時(shí)，即40%的煙氣被摻入助燃空氣中，助燃空氣中的O2濃度為：21%×60%+6%×40%=15%。由于助燃空氣溫度一般被預(yù)熱到1 000 ℃(1 273 K)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在此溫度下，當(dāng)O2濃度低于15%時(shí)燃燒不穩(wěn)定?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中煙氣再循環(huán)率不宜過(guò)大(最大不超過(guò)40%)，因此推薦助燃空氣中O2濃度不低于15%。

2.2 NOx濃度場(chǎng)分析

同樣選取熔鋁爐出口截面，當(dāng)助燃空氣溫度為1 273 K時(shí)，O2濃度分別為21%、18%、15%工況下，爐膛內(nèi)NOx濃度隨助燃空氣中O2濃度的下降而急劇下降。為細(xì)化分析，爐膛內(nèi)的NOx濃度具體分析見(jiàn)表3。

表3 NOx生成量 10-6

熱力型NOx的產(chǎn)生量與燃燒溫度、空氣系數(shù)以及爐膛停留時(shí)間等因素密切相關(guān)。為確保熔鋁爐內(nèi)的燃燒工況穩(wěn)定，必須保證助燃空氣溫度足夠高；同時(shí)高溫助燃空氣形成的高速射流可以卷吸爐膛內(nèi)大量的高溫?zé)煔猓寡鯕饩鶆蚍植荚跔t膛內(nèi)，形成高溫低氧的彌散燃燒環(huán)境，有效消除了局部高溫區(qū)的存在。從而使火焰溫度場(chǎng)的分布更加均勻，進(jìn)一步降低了NOx生成量。所以采用較高的助燃空氣溫度和較低的助燃空氣的氧濃度(通過(guò)煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn))是實(shí)現(xiàn)低NOx排放的必要條件。而且NOx生成量對(duì)應(yīng)的預(yù)熱空氣溫度和O2濃度有一個(gè)最佳臨界值：當(dāng)助燃空氣為1 273 K時(shí)，其O2含量為15%時(shí)，NOx生成量最小，為520×10-6。

3 結(jié)論

應(yīng)用高溫?zé)煔庠傺h(huán)技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法，研究了助燃空氣中O2濃度對(duì)熔鋁爐內(nèi)溫度分布及NOx生成量的影響，得出：

(1)隨著煙氣再循環(huán)率的增加，助燃空氣中的O2含量逐漸降低，爐內(nèi)溫差也相應(yīng)減小，爐膛溫度均勻性得到改善。但是考慮到實(shí)際應(yīng)用中煙氣再循環(huán)率不宜過(guò)大(最大不超過(guò)40%)，因?yàn)闊煔庠傺h(huán)率過(guò)大導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，因此推薦助燃空氣中O2濃度不低于15%。

(2)隨著助燃空氣中O2濃度的下降，NOx排放量呈遞減趨勢(shì)。

(3)該熔鋁爐的最佳運(yùn)行參數(shù)為：預(yù)熱空氣溫度為1 273 K，助燃空氣的O2含量為15%。此時(shí)NOx生成量最小，為520×10-6。