杜 敏， 孫文濤， 王躍成， 張帥平

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

面對節(jié)能減排的社會發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展高效清潔燃燒技術(shù)成為重要研究內(nèi)容.MILD(moderate or intense low-oxygen dilution)燃燒最早起源于F.J. WEINBERG[1]提出的“超焓燃燒(excess enthalpy combustion，EEC)”，是一種中低氧稀釋反應(yīng)溫和的容積燃燒或者彌散燃燒[2]，可以有效提高燃燒室內(nèi)的溫度均勻性、燃燒穩(wěn)定性以及降低噪聲和污染物排放[3].該技術(shù)目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到有效應(yīng)用[4]，且該技術(shù)也被證明非常適用于發(fā)展高效率低污染的新型燃?xì)廨啓C(jī)[5].因此，MILD燃燒技術(shù)十分具有研究與應(yīng)用價值.

在現(xiàn)有MILD燃燒研究中，一般采用氣體燃料[6]，因?yàn)闅怏w燃料和氧化劑同屬于氣相，兩者在燃燒室中的混合過程相對容易，而關(guān)于液體燃料MILD燃燒的研究工作還十分有限，且集中在以高溫預(yù)熱空氣來實(shí)現(xiàn)MILD燃燒領(lǐng)域，針對常溫空氣條件下液體燃料MILD燃燒的研究則更少. MI J. C.等[7]研究表明，在常溫空氣條件下，提高空氣射流動量，射流卷吸能力會增強(qiáng).當(dāng)射流動量提高到反應(yīng)物被周圍煙氣充分稀釋時，即可實(shí)現(xiàn)MILD燃燒.M. FLAMME[8]利用20 kW的單噴嘴燃燒器對2#燃料油、柴油、煤油和正庚烷等液體燃料進(jìn)行研究，在大氣壓環(huán)境下獲得良好的減排效果，說明了MILD燃燒技術(shù)對多種液體燃料均具有良好的適應(yīng)性.在燃燒室結(jié)構(gòu)方面，M. TORRESI等[9]針對雙旋流燃燒器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MILD燃燒是建立在高溫?zé)煔鈱Ψ磻?yīng)物的稀釋和預(yù)熱的條件下實(shí)現(xiàn)的.V. M. REDDY等[10-11]根據(jù)高強(qiáng)度旋流達(dá)到高倍率煙氣內(nèi)循環(huán)的思路，設(shè)計出20 kW的2級燃燒室，強(qiáng)化了反應(yīng)物在主燃燒區(qū)的稀釋程度，有助于MILD燃燒的建立且降低NOx的排放.崔運(yùn)靜[12]為了提高煙氣在燃燒室內(nèi)的循環(huán)稀釋作用，設(shè)計出利用多個方向的空氣高速射流卷吸高溫?zé)煔獾亩嗉夁M(jìn)氣燃燒室，實(shí)現(xiàn)了非預(yù)熱空氣條件下液體燃料的MILD燃燒.該燃燒室的回流結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定火焰，并將燃燒室內(nèi)的熱量進(jìn)行移峰填谷，所以燃燒室內(nèi)溫度分布十分均勻，NOx排放顯著降低.研究還發(fā)現(xiàn)，噴嘴附近的液霧與高溫?zé)煔獾幕旌铣潭葘φ麄€燃燒模式的轉(zhuǎn)變具有重要影響.在常溫空氣條件下實(shí)現(xiàn)液體燃料的MILD燃燒，既可以簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，還能在應(yīng)用中降低設(shè)計和制造成本.對于常溫空氣條件下實(shí)現(xiàn)MILD燃燒，燃燒室結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特殊化設(shè)計至關(guān)重要，其關(guān)鍵在于組織燃燒室內(nèi)高溫?zé)煔庠谟邢蘅臻g內(nèi)被高速射流卷吸并回流，與反應(yīng)物充分混合后再燃燒.

筆者從簡化燃燒室結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，設(shè)計適用于常溫空氣條件下的液體燃料MILD燃燒室，并采用數(shù)值模擬方法，對燃燒室重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究，獲得各參數(shù)對流場、溫度場分布和NOx的影響規(guī)律.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

在常規(guī)燃油噴霧燃燒時，燃油液滴會在噴嘴附近快速蒸發(fā)并燃燒，火焰穩(wěn)定在燃料噴嘴附近的狹窄區(qū)域，在噴嘴出口處形成的高溫區(qū)域會導(dǎo)致NOx排放的增加.而在熱燃燒產(chǎn)物再循環(huán)的MILD燃燒情況下，反應(yīng)區(qū)分布在燃燒室的整個容積中，峰值火焰溫度及其波動相對較低，導(dǎo)致這種燃燒模式下的液滴蒸發(fā)速率較低.因此，為了維持液體燃料的MILD燃燒模式，燃料噴霧需要在燃燒室內(nèi)有較長的停留時間.基于此，設(shè)計出利用高速空氣射流在爐內(nèi)循環(huán)形成的渦流，來引導(dǎo)爐內(nèi)高溫?zé)煔鈸交旆磻?yīng)物的燃燒室結(jié)構(gòu).

燃燒室結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)軸方向如圖1所示，其中：h為燃燒室高度；Δs為空氣和燃料噴嘴相對間距；sair為空氣噴嘴距燃燒室中心線的距離.設(shè)計輸入熱功率為20 kW，形狀為長方體，坐標(biāo)原點(diǎn)位于煙氣出口下底面中心位置.

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)

空氣和燃料噴嘴均分散布置在燃燒室底面對角線上，考慮到液體燃料的密度和黏度較高，為達(dá)到充分混合效果，將4個空氣噴嘴設(shè)置在上底面，燃料噴嘴設(shè)置在下底面.煙氣出口設(shè)置在燃燒室上底面中心位置，煙氣出口直徑D=30 mm.燃燒室的容積熱強(qiáng)度為

(1)

式中：ξ為燃燒效率；qF為燃料質(zhì)量流量；Hu為燃料熱值；p*為燃燒室入口壓力；VC為燃燒室體積，根據(jù)式(1)確定燃燒室體積為6.46×10-3m3.

1.2 計算模型及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬采用Fluent軟件，網(wǎng)格采用三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用ICEM軟件進(jìn)行劃分.因燃燒室為對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計算時間，采用1/4模型進(jìn)行計算.湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)條件下的Realizablek-ε模型，能準(zhǔn)確模擬MILD燃燒反應(yīng)條件下的流動特征.為了適應(yīng)復(fù)雜的燃燒特性，綜合動力學(xué)因素和湍流因素，燃燒模型采用有限速率/渦耗(finite-rate/eddy-dissipation)模型.該模型化學(xué)反應(yīng)速率取渦耗散速率和Arrhenius的較小值，即由下面2個表達(dá)式中較小的一個給出:

(2)

(3)

燃料噴嘴為空氣霧化形式[13]，空氣噴嘴和燃料噴嘴的空氣均為常溫射流，且質(zhì)量流量比值為4 ∶1. 單個燃料噴嘴燃料量為0.05 g·s-1，燃空當(dāng)量比為0.33，霧化角設(shè)置為60°，射流直徑設(shè)置為2 mm，霧化平均粒徑設(shè)為50 μm.煙氣出口為壓力邊界，定壓101.325 kPa.燃燒室壁面采用輻射壁面條件，環(huán)境溫度為293 K.使用SIMPLE算法計算壓力速度耦合.由于燃料不含N成分，所以預(yù)測NOx使用熱力型、快速型和N2O中間體型3種NOx生成路徑.

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所選模型的可靠性，采用模擬方法對V.M.REDDY等[10-11]的試驗(yàn)進(jìn)行模擬，如圖2所示，其中：T為溫度；d為徑向位置，是監(jiān)測點(diǎn)距中心線的距離與燃燒室半徑之比.可以看出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[10-11]吻合度較高.

圖2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

1.4 判斷依據(jù)

常溫條件下的MILD燃燒主要通過強(qiáng)烈高溫?zé)煔庋h(huán)來增大爐內(nèi)的反應(yīng)區(qū)和高溫區(qū)體積，所以內(nèi)部循環(huán)率成為衡量設(shè)計MILD燃燒室煙氣循環(huán)強(qiáng)度的重要參數(shù).根據(jù)J. A. WüNNING等[14]的研究，內(nèi)部循環(huán)率定義為

(4)

式中：qE、qA分別為內(nèi)部循環(huán)氣體、空氣的質(zhì)量流量.

qE的計算公式為

qE=?Azρvzdxdy，

(5)

式中：vz為速度；在高度為z的截面上，Az為vz>0區(qū)域的面積.

因?yàn)榭諝膺M(jìn)口向下，入口速度為負(fù)值，所以內(nèi)部循環(huán)氣體的質(zhì)量流量為所有速度向上的質(zhì)量流量減去下底面反應(yīng)物進(jìn)口的質(zhì)量流量.由于燃料種類、燃燒條件等差異，目前MILD燃燒的判據(jù)還沒有形成完全一致的標(biāo)準(zhǔn)，通過綜合分析國內(nèi)外的研究成果[15]發(fā)現(xiàn)，目前MILD燃燒的判據(jù)主要如下：① 燃燒室內(nèi)沒有明顯的火焰鋒面；② 爐內(nèi)的溫度峰值較低且溫度分布均勻；③ 煙氣中污染物(NOx或CO)排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)低.判據(jù)中的溫度均勻性、峰值溫度、污染物排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)等還沒有形成統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn).因此，在本研究中，C10H22燃料的MILD燃燒將以爐內(nèi)的溫度和煙氣中污染物NO的排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)為判據(jù)，即當(dāng)峰值溫度和煙氣中污染物NO的排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)都相對較低時(峰值溫度不高于1 900 K、燃燒室內(nèi)溫度分布均勻且煙氣中的污染物NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于10-4)，則認(rèn)為C10H22燃料的燃燒過程已經(jīng)接近或處于MILD燃燒狀態(tài).

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 燃燒室高度的影響

模擬中，保持燃燒室體積不變，空氣噴嘴與燃燒室內(nèi)壁面的距離保持不變，所有工況僅改變?nèi)紵业母叨萮進(jìn)行熱態(tài)燃燒模擬計算.燃燒室4種工況的高度h分別為200、240、260、280 mm.通過對計算結(jié)果分析得到燃燒室高度變化對燃燒室設(shè)計的影響.燃燒室高度對內(nèi)部中心面溫度、流線及高度截面上溫度的影響如圖3所示，可以看出，燃燒室內(nèi)呈明顯的循環(huán)狀態(tài)，設(shè)計的燃燒室結(jié)構(gòu)流場符合預(yù)期.

圖3 燃燒室高度對內(nèi)部中心面溫度、流線及高度橫截面上溫度的影響

燃燒室高度對溫度和NO排放的影響如圖4所示.其中wNO為NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖4 燃燒室高度對溫度和NO排放的影響

從圖4可以看出：當(dāng)燃燒室高度為240 mm時，燃燒室內(nèi)的峰值溫度和平均溫度最低，NO排放也最低；隨著燃燒室高度增大到260 mm和280 mm時，燃燒室內(nèi)的峰值溫度和平均溫度穩(wěn)步上升，導(dǎo)致NO的排放也增加；當(dāng)燃燒室高度減小到200 mm時，峰值溫度和平均溫度高于240 mm高度時的值，NO的排放也明顯增加.導(dǎo)致上述結(jié)果的原因在于燃燒室高度的變化影響空氣進(jìn)口射流速度的衰減，相應(yīng)地會影響到內(nèi)部循環(huán)率的大小，如圖5所示.相比于高度240 mm工況，隨著高度的增加(260 mm和280 mm工況)，空氣射流在到達(dá)下底面后，對燃料的組織攜帶作用變?nèi)?，燃料液滴大部分聚集在燃燒室下部空間，導(dǎo)致此位置燃燒反應(yīng)劇烈，形成局部高溫區(qū)域，促進(jìn)了熱力型NOx的生成.對于高度200 mm的工況，內(nèi)部循環(huán)率大于高度240 mm工況，但是由于空氣射流到達(dá)下底面后回流速度過大，導(dǎo)致在長方體燃燒室噴嘴附近的壁面夾角以及左側(cè)的壁面位置出現(xiàn)局部循環(huán)漩渦，燃料聚集在此形成局部高溫區(qū)域，所以峰值溫度和NO排放都要高于高度240 mm的工況.

圖5 燃燒室高度對內(nèi)部循環(huán)率的影響

燃燒室高度通過影響空氣射流速度的衰減和燃燒室內(nèi)部的循環(huán)率，決定了燃燒室內(nèi)氣流的循環(huán)情況(見圖5)，隨著燃燒室高度的增加，4種工況燃燒室內(nèi)相同相對高度處的內(nèi)部循環(huán)率均減小，即空氣射流到達(dá)燃燒室底面后循環(huán)的作用減弱，過大的燃燒室高度不利于組織燃燒室內(nèi)燃料參與整體的循環(huán).內(nèi)部循環(huán)率的大小一定程度上影響著燃燒室內(nèi)MILD燃燒的形成，但還要根據(jù)具體燃燒室結(jié)構(gòu)和空氣進(jìn)口速度綜合判別內(nèi)部循環(huán)率對于MILD燃燒的影響，在選定空氣射流工況下，燃燒室最佳高度值為240 mm.

2.2 燃料噴嘴位置的影響

燃燒室高度設(shè)置為240 mm，空氣噴嘴與燃燒室內(nèi)壁面的距離保持不變，所有工況僅通過改變?nèi)剂蠂娮斓奈恢梅植歼M(jìn)行熱態(tài)燃燒模擬計算.燃油噴嘴和空氣噴嘴軸線的相對間距Δs分別為0、7、15和22 mm，燃油噴嘴位置變化對溫度和NO排放的影響如圖6所示，隨著相對間距Δs的減小，燃燒室峰值溫度及平均溫度都降低，相應(yīng)的NO排放也減少.

圖6 燃油噴嘴位置對溫度和NO排放的影響

燃燒室橫截面平均溫度沿燃燒室高度方向上的變化規(guī)律如圖7所示.兩噴嘴相對間距為15 mm和22 mm的工況，燃燒室橫截面平均溫度差異性表現(xiàn)明顯，燃燒室下部空間溫度明顯高于上部空間溫度，而22 mm工況相對于15 mm工況，相對間距更大，所以燃料射流受到空氣射流的抑制作用更小，所以局部峰值高溫在空間上的位置分布相對偏上，該工況的曲線趨勢與其他工況不同.

圖7 燃油噴嘴位置對橫截面平均溫度的影響

燃料噴嘴位置對內(nèi)部中心面溫度、流線及高度橫截面上溫度的影響如圖8所示.從圖8a、b可以看出：2種工況在燃燒室下部空間出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域，致使大量熱力型NO的生成(見圖6).隨著兩噴嘴距離的減小(Δs=0 mm和Δs=7 mm工況)，高度橫截面上的平均溫度無明顯波動，整個燃燒室內(nèi)部溫度分布均勻(見圖8c、8d)，且峰值溫度均低于2 000 K，此時的NO排放也較低.

圖8 燃料噴嘴位置對內(nèi)部中心面溫度與流線及高度橫截面上溫度的影響

造成上述結(jié)果的主要原因在于：由于液體燃料密度和黏度較大，當(dāng)空氣噴嘴和燃油噴嘴軸線相對間距較大時，空氣射流到達(dá)燃燒室底部后對于沖散液滴，并有效組織液滴-煙氣摻混的作用變小，液滴主要聚集在燃料噴嘴附近的渦流中導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域相對集中，此處燃燒反應(yīng)劇烈，在燃燒室內(nèi)形成局部高溫.當(dāng)空氣噴嘴和燃油噴嘴越接近或同軸時，到達(dá)燃燒室底部的高速空氣射流沖散并裹挾液滴與煙氣快速混合能力較強(qiáng)，強(qiáng)烈的煙氣卷吸能力，提高了稀釋新鮮反應(yīng)物的能力，增大了低氧燃燒區(qū)域，使燃燒室內(nèi)燃燒緩和，峰值溫度下降，從而抑制了熱力型NO的生成，降低了排放.

2.3 空氣噴嘴位置的影響

燃燒室高度設(shè)置為240 mm，燃料噴嘴和空氣噴嘴同軸對置設(shè)置，所有工況僅通過改變空氣噴嘴的位置分布進(jìn)行熱態(tài)燃燒模擬計算.空氣噴嘴距離燃燒室中心線的距離sair分別為30、40、60、70 mm.各工況內(nèi)部中心面溫度、流線以及燃燒室橫截面上的溫度分布如圖9所示.隨著空氣噴嘴位置的變化，燃燒室內(nèi)部回流渦旋的大小和位置也隨之變化，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃燒過程的差異.當(dāng)sair分別為30、40 mm時，燃燒室內(nèi)回流渦旋分布混亂，主要回流區(qū)域分布在燃燒室中部和上部，且回流渦面積相對較小，此時燃燒室內(nèi)整體的內(nèi)部循環(huán)率也均小于sair分別為60、70 mm的工況(見圖10).且由于燃料從下底面進(jìn)入燃燒室，不利于氣流組織燃料在燃燒室內(nèi)的均勻分布以及與煙氣的混合，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)主要聚集在燃料進(jìn)口附近，形成局部高溫區(qū)域，峰值溫度分別為2 030、2 230 K，局部高溫的出現(xiàn)也導(dǎo)致2種工況的NO排放偏高，如圖11所示.

圖9 空氣噴嘴位置對內(nèi)部中心面溫度、流線及高度橫截面上溫度的影響

圖10 空氣噴嘴位置對內(nèi)部循環(huán)率的影響

圖11 空氣噴嘴位置對溫度和NO排放的影響

從圖11可以看出：當(dāng)sair增大到60 mm時，渦流分布變得相對集中，回流區(qū)域面積顯著增大至幾乎覆蓋整個燃燒室區(qū)域，此時的內(nèi)部循環(huán)率也顯著提高，燃燒室內(nèi)氣流對于燃料的均勻分布以及與煙氣的混合作用也增強(qiáng).得益于空氣射流卷吸效果的增強(qiáng)，此時燃燒室內(nèi)的峰值溫度為1 930 K，局部高溫僅存在于靠近壁面處沒有參與整體循環(huán)的渦流位置.繼續(xù)增大sair到70 mm時，靠近壁面處由于沒有參與整體循環(huán)而出現(xiàn)的局部高溫基本消失，此時燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)緩和，溫度分布更加均勻，峰值溫度為1 820 K，平均溫度為1 347 K，有效減小了熱力型NOx的生成，出口NO排放量下降.

與氣體燃料相比，液體燃料密度更大，在設(shè)計燃燒室時，要保證足夠強(qiáng)的空氣流場來快速有效組織高溫?zé)煔鈸交旌腿剂响F滴稀釋，并保證混合后的反應(yīng)物在燃燒室內(nèi)的均勻分布，所以空氣噴嘴的設(shè)置將會影響燃燒室內(nèi)的氣流組織效果，進(jìn)而影響燃燒室底部燃料的卷吸和稀釋效果.由以上結(jié)果分析可知，空氣噴嘴的位置分布決定了燃燒室內(nèi)的回流渦旋的分布位置和大小.空氣噴嘴距離燃燒室出口越遠(yuǎn)，回流區(qū)域越集中且面積越大，相應(yīng)的溫度分布更加均勻且峰值溫度更低，說明此時的燃燒反應(yīng)更加均勻和緩和，有利于MILD燃燒的實(shí)現(xiàn).

3 結(jié) 論

1) 燃燒室高度的變化，主要影響空氣射流速度的衰減和燃燒室內(nèi)部循環(huán)率，決定了燃燒室內(nèi)部氣流的循環(huán)情況.在本研究的工況條件下，燃燒室最佳高度值為240 mm.

2) 當(dāng)空氣噴嘴和燃油噴嘴越接近或同軸時，高速空氣射流沖散并裹挾液滴參與內(nèi)部循環(huán)的能力越強(qiáng)，提高了煙氣稀釋新鮮反應(yīng)物的能力，增大低氧燃燒區(qū)域，進(jìn)而使燃燒緩和，峰值溫度下降，熱力型NO排放降低.

3) 空氣噴嘴的位置分布決定了回流渦旋的分布位置和大小，進(jìn)而影響燃燒室內(nèi)反應(yīng)物與高溫?zé)煔庋h(huán)的摻混和稀釋效果.空氣噴嘴距離燃燒室出口越遠(yuǎn)，燃燒室內(nèi)的回流區(qū)域越集中且面積越大，強(qiáng)烈的回流使反應(yīng)物在燃燒室內(nèi)均勻分布，此時整體的燃燒反應(yīng)更加均勻和緩和，有利于MILD燃燒的實(shí)現(xiàn).