侯翠翠，朱禹洲，海明璋

(北京市公用事業(yè)科學研究所，北京 100011)

1 概述

燃氣燃燒器是鍋爐的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作狀況直接影響鍋爐內(nèi)部溫度分布及氮氧化物產(chǎn)生。隨著環(huán)境污染防治的深入推進，低氮燃氣燃燒器成為關(guān)注的焦點之一。為進一步認識低氮燃燒器設(shè)計過程中的具體問題，本文應用FLUENT數(shù)值模擬分析方法對低氮燃燒器應用火焰分割擋板的效果進行研究，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 火焰分割擋板

目前國內(nèi)外采用較多的低氮燃燒技術(shù)主要包括燃氣分級、空氣分級、煙氣內(nèi)循環(huán)、煙氣外循環(huán)等，文獻[1]還提出了燃氣-空氣雙分級技術(shù)。本文在文獻[1]燃燒頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加火焰分割擋板，火焰分割擋板以一定間隔環(huán)形布置在燃燒頭的外筒前端，擋板與外筒之間以一定角度向軸心聚攏。燃燒頭結(jié)構(gòu)見圖1，火焰分割擋板結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 燃燒頭結(jié)構(gòu)

圖2 火焰分割擋板結(jié)構(gòu)

燃氣在軸向方向進行兩級分配，兩級燃氣分別以不同方向噴射。一級燃氣沿中心燃氣管徑向方向高速射入，燃氣與流經(jīng)此處的一級空氣混合，經(jīng)點火器點燃，燃燒形成的火焰所處的區(qū)域稱為一級燃燒區(qū)；二級燃氣噴孔以一定距離圍繞中心燃氣管以環(huán)形布置，燃氣沿主流軸向射入，與外圍直流風(二級空氣)混合，二級混合氣由一級燃燒區(qū)產(chǎn)生的火焰或高溫煙氣引燃，從而形成二級燃燒區(qū)。燃燒器設(shè)計有空氣分配板結(jié)構(gòu)，將空氣進行分級?？諝夥峙浒鍍?nèi)部設(shè)計布置著一定角度的葉片，形成一級空氣，絕大部分空氣流經(jīng)空氣分配板的外緣射入，形成二級空氣，為燃氣完全燃燒提供充足的助燃劑[1]。火焰分割擋板通過對二級空氣進行遮擋分割，實現(xiàn)燃燒所需的氧氣分段供給，將火焰分割成多個區(qū)域，降低原火焰高溫區(qū)的溫度，增大火焰鋒面與空氣的接觸面積，避免熱負荷集中區(qū)域出現(xiàn)[2]。

3 數(shù)值模型

采用FLUENT軟件對低氮燃燒器的燃燒頭及鍋爐爐膛進行三維數(shù)值模擬，三維模型見圖3?；鹧娣指顡醢迳烊霠t膛內(nèi)部，導流孔與爐膛內(nèi)氣流連通。爐膛內(nèi)直徑為700 mm，爐膛長度為2 746 mm，燃燒頭長350 mm，外筒內(nèi)直徑為216 mm，一級燃氣與二級燃氣流量比為1∶9，一級空氣與二級空氣流量比也為1∶9。鑒于保密需要，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不便給出。設(shè)置大氣壓力101.325 kPa，環(huán)境溫度20 ℃。燃氣組成為純甲烷，燃氣流量160 m3/h，燃氣入口速度19.41 m/s，空氣流量1 827.84 m3/h，空氣入口速度15.02 m/s，空氣、燃氣溫度均為20 ℃。為保證網(wǎng)格計算的合理性，采用網(wǎng)格無關(guān)性分析確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。模擬研究火焰分割擋板對低氮燃燒器燃燒狀況和NOx生成特性的影響。模型主要參數(shù)[3]設(shè)置見表1。

圖3 低氮燃燒器的燃燒頭及鍋爐爐膛三維模型(軟件截圖)

表1 模型主要參數(shù)

4 模擬結(jié)果與分析

在燃燒頭其他結(jié)構(gòu)不變時，研究無火焰分割擋板與設(shè)置火焰分割擋板對燃燒器燃燒狀況和NOx生成特性的影響，其中火焰分割擋板角度為15°，形狀為拱形。

4.1 氧氣質(zhì)量分數(shù)分布與氣體z方向速度分布

模擬得到氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖和氣體z方向速度分布云圖，分別見圖4、5。云圖所在截面為yz截面和z=0.35 m、z=0.40 m、z=0.60 m、z=1.00 m截面。z方向速度小于-5 m/s的區(qū)域為回流區(qū)域。

① 氧氣質(zhì)量分數(shù)分布

用氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖表示空氣分布狀態(tài)。從圖4a可知，無火焰分割擋板時，在爐膛內(nèi)部環(huán)境影響下，二級空氣在爐膛壁面附近呈四周分布。從圖4b可知，當設(shè)置火焰分割擋板時，二級空氣在火焰分割擋板作用下，再次分級，一部分向中心匯聚，另一部分從火焰分割擋板間隙通過，如z=0.35 m截面云圖所示，呈花瓣形狀，形成邊界明顯的濃淡區(qū)域，火焰分割擋板間隙處氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.20以上，為高氧氣質(zhì)量分數(shù)區(qū)域，火焰分割擋板處為低氧氣質(zhì)量分數(shù)區(qū)域。

圖4 氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖(軟件截圖)

② 氣體z方向速度分布

從圖5a可知，無火焰分割擋板時，空氣沿外筒壁面向爐膛出口射流而出，燃燒頭出口最大速度為48 m/s左右。流出燃燒頭后，由于沒有外筒束縛，流通面積增大，速度有所降低，降為40 m/s，并呈環(huán)形分布。隨著氣流前進，較高速度氣流形成的圓環(huán)寬度增大。此外，爐膛前半部分壁面附近分布著回流區(qū)域。

從圖5b可知，當設(shè)置火焰分割擋板后，二次空氣在火焰分割擋板的阻擋下再次分級，一部分空氣受火焰分割擋板阻擋向中心聚攏，同時向爐膛出口方向流動，由于火焰分割擋板的存在，燃燒頭出口的流通面積減小，流速為56 m/s左右，比無火焰分割擋板時相同截面處速度更大；另一部分二級空氣從火焰分割擋板之間間隙沿外筒壁面流向爐膛出口方向，z=0.35 m截面z方向速度分布呈花瓣狀。同時，煙氣回流區(qū)域遍布爐膛壁面前2/3處，范圍廣，回流量大。

綜上可知，首先，火焰分割擋板改變二級空氣流動方向，使二級空氣四周分布為中心匯聚狀態(tài)，提高爐膛中心內(nèi)部流速，加強內(nèi)部氣流擾動，提高氣流混合程度。其次，通過對二級空氣進行阻隔，使二級空氣分散供給，形成很明顯的濃淡分區(qū)，以此達到火焰分割的目的。再次，火焰分割擋板與導流孔配合，起著引流回流煙氣，加強煙氣回流的作用。但是，火焰分割擋板增加了燃燒頭出口的局部阻力，對風機性能要求有所提高。

圖5 氣體z方向速度分布云圖(軟件截圖)

4.2 溫度分布與NOx質(zhì)量分數(shù)分布

① 溫度分布

模擬得到的溫度分布云圖見圖6。研究表明[2]，當溫度在1 800 K以下時，熱力型NOx生成量很少；當溫度在1 800 K以上時，溫度每增加100 K，反應速度增大6～7倍，NOx生成量迅速增加，溫度對NOx生成有決定性影響。故選取1 800 K以上區(qū)域為高溫區(qū)域。由于燃燒產(chǎn)生高溫，故在模擬中，采用溫度來表征火焰區(qū)域。

如圖6a所示，無火焰分割擋板時，爐膛內(nèi)部一、二級燃燒區(qū)火焰交織在一起，火焰集中在爐膛中心線分布，并向爐膛出口蔓延。爐膛內(nèi)部局部高溫區(qū)域集中且面積較大，爐膛內(nèi)部整體溫度水平較高。如圖6b所示，當設(shè)置火焰分割擋板時，爐膛存在明顯的兩級燃燒區(qū)域，其中二級燃燒區(qū)的火焰被打散，分割成多份，形成花瓣狀。整個爐膛燃燒區(qū)溫度分布較均勻，高溫區(qū)域面積顯著減少且較為分散，高溫區(qū)域主要分布在燃燒頭及爐膛前1/2處。

圖6 溫度分布云圖(軟件截圖)

② NOx質(zhì)量分數(shù)分布

模擬得到的NOx質(zhì)量分數(shù)分布云圖見圖7。如圖7a所示，無火焰分割擋板時，受高溫區(qū)域溫度分布的影響，NOx分布在一、二級燃燒區(qū)的下游，主要在二級燃燒區(qū)產(chǎn)生，主要分布在爐膛出口附近，NOx最大質(zhì)量分數(shù)約為5.46×10-4。對比圖7a與圖7b可知，設(shè)置火焰分割擋板時，NOx質(zhì)量分數(shù)分布與無火焰分割擋板時存在明顯差異。設(shè)置火焰分割擋板時，燃燒頭在一級燃燒區(qū)存在一個NOx高質(zhì)量分數(shù)區(qū)，NOx最大質(zhì)量分數(shù)為1.53×10-4，由此可見，設(shè)置火焰分割擋板對降氮有明顯效果。

圖7 NOx質(zhì)量分數(shù)分布云圖(軟件截圖)

綜上所述，首先，在火焰分割擋板作用下二級空氣再次分級，很大程度上打散圖6a中匯聚的燃燒火焰，分割火焰，減少高溫區(qū)域形成。同時推遲了氧氣與燃氣混合，混合氣離開燃燒頭一段距離后，在下游區(qū)形成多股火焰分布。其次，中心氣流流量大且速度大，沖刷火焰，降低了火焰溫度。再次，回流區(qū)的存在增大了高溫煙氣與回流煙氣的接觸面積，加強爐膛內(nèi)部的對流換熱，使爐膛溫度均勻，進一步減少了高溫區(qū)域的形成，從而降低了NOx生成量。

5 火焰分割擋板結(jié)構(gòu)的影響

不同火焰分割擋板結(jié)構(gòu)對爐膛燃燒特性影響不同，筆者主要從火焰分割擋板角度和形狀方面對火焰分割擋板結(jié)構(gòu)進行研究，尋求燃燒特性和NOx生成規(guī)律，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.1 火焰分割擋板角度的影響

取火焰分割擋板(簡稱擋板)角度分別為15°、30°、45°、60°、75°的燃燒頭為研究對象，研究火焰分割擋板角度對燃燒特性的影響。不同火焰分割擋板角度下z=0.4 m截面氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖見圖8，不同火焰分割擋板角度下高溫區(qū)域體積、回流區(qū)域體積見圖9，不同火焰分割擋板角度下高溫區(qū)域平均溫度和爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)見圖10。

圖8 不同火焰分割擋板角度下z=0.4 m截面氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖(軟件截圖)

圖9 不同火焰分割擋板角度下高溫區(qū)域體積、回流區(qū)域體積

圖10 不同火焰分割擋板角度下高溫區(qū)域平均溫度和爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)

如圖8所示，火焰分割擋板角度(簡稱角度，量符號為α)為15°時，質(zhì)量分數(shù)高(質(zhì)量分數(shù)為0.22左右)的氧氣沿著外筒壁面主要分布在火焰分割擋板間隙，中心形成一個氧氣質(zhì)量分數(shù)約為0.17的小圓環(huán)區(qū)。角度增大到30°時，壁面處的空氣受擋板阻擋，一部分向中心匯聚，另一部分從擋板間隙通過，形成類似齒輪狀高氧區(qū)(氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.19左右)。角度逐漸增大，擋板的阻擋所用加強，中心匯聚的氧氣逐漸增多，平均氧氣質(zhì)量分數(shù)由30°時的0.19逐漸增大到75°時的0.22左右，且中心圓環(huán)寬度逐漸增大。擋板間隙的氧氣質(zhì)量分數(shù)逐步降低，由30°時的0.22逐漸減小到75°時的0.14左右。隨著角度增加，氣流主要分布于中心圓環(huán)處，形成圖8的氧氣分布狀況。

如圖9所示，隨著角度由15°增大到75°，回流區(qū)域體積逐漸增大，由0.05 m3增大到0.1 m3，而高溫區(qū)域體積呈現(xiàn)下降趨勢。如圖10所示，隨著角度由15°增大到75°，高溫區(qū)域平均溫度呈小幅下降趨勢，從2 020 K降到1 920 K左右，下降了100 K；同時爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)由1.55×10-4逐漸降到0.65×10-4，降溫與降氮效果非?？捎^。由此可見，角度增大可以改善二級空氣分布狀況，增強爐膛內(nèi)部煙氣回流，達到很好的降溫及降氮目的?？紤]到燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率、風機風壓等問題，宜取較小且適合加工的角度，建議取30°～45°。

5.2 火焰分割擋板形狀的影響

取火焰分割擋板形狀(以下簡稱形狀)分別為拱形與矩形的燃燒頭為研究對象，研究擋板形狀對燃燒特性的影響?；鹧娣指顡醢褰嵌葹?0°。

不同形狀下z=0.4 m截面氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖見圖11，不同形狀下高溫區(qū)域體積、回流區(qū)域體積、高溫區(qū)域平均溫度和爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)見表2。如圖11所示，由于矩形結(jié)構(gòu)存在棱角，氣流擾動更強，促使氣流分散作用更強，混合程度更好，齒輪狀高氧區(qū)氧氣質(zhì)量分數(shù)分布更均勻，由此導致火焰分散程度更大，高溫區(qū)域體積更小。由表2可知，相比采用拱形，采用矩形后，高溫區(qū)域體積由0.028 m3降低到0.023 m3，高溫區(qū)域平均溫度呈下降趨勢，從1 991 K降到1 929 K，爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)由8.9×10-5降到6.9×10-5。擋板形狀為矩形可以減小高溫區(qū)域，降低高溫區(qū)域平均溫度以及爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)。但是對于煙氣回流積極作用較小，可能是棱角的存在，擾動較大，影響壓力分布從而影響煙氣回流。由此可見，采用矩形形狀可以改善二級空氣分布狀況，達到小范圍降溫及降氮目的，但是由于棱角的存在，氣流擾動大，可能造成燃燒不穩(wěn)定，建議設(shè)計中考慮此問題。

圖11 不同形狀下z=0.4 m截面氧氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖(軟件截圖)

表2 不同形狀下高溫區(qū)域體積、回流區(qū)域體積、高溫區(qū)域平均溫度和爐膛內(nèi)最高NOx質(zhì)量分數(shù)

6 結(jié)論

① 設(shè)置火焰分割擋板一方面提高部分二級空氣流速，加強氣流混合程度；另一方面能分割二級空氣，實現(xiàn)氧氣分段供給，將火焰分割成多個區(qū)域，提高火焰鋒面與空氣的接觸面積，避免熱負荷集中出現(xiàn)，降氮效果很明顯。與導流孔結(jié)合，能夠加強煙氣回流作用。

② 火焰分割擋板角度增大可以改善二級空氣分布狀況，增強爐膛內(nèi)部煙氣回流，達到很好的降溫及降氮效果，但是考慮到燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率、風機風壓等問題，宜取較小且適合加工的角度，建議取30°～45°。

③ 火焰分割擋板形狀取矩形時，可以增強氣流擾動，空氣分散作用更強，火焰分散程度更大，高溫區(qū)域體積更小，從而導致NOx質(zhì)量分數(shù)降低，但是由于棱角的存在，氣流擾動大，可能造成燃燒不穩(wěn)定，建議設(shè)計中考慮此問題。

④ 設(shè)置火焰分割擋板具有很好的降溫及降氮作用，可在低氮燃燒器中廣泛應用，在設(shè)計過程中，應充分考慮火焰分割擋板造成的局部阻力及對燃燒穩(wěn)定性的影響。