第 38 卷第 5 期                                     工 业 炉                            Vol.38 No.5

2016 年 9 月                                    Industrial Furnace                                                              Sep.  2016

不同 O2/CO2 浓度下燃烧器燃烧特性数值模拟

田  赛 1，芮文明 1，王爱华 1，刘  宇 2，张  炎 1                      (1. 东北大学 国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819；

2.上海鼎研智能科技有限公司，上海 201600)

摘  要：  针对叶片角度为 30°的旋流式天然气纯氧燃烧器 ，  采 用 Fluent 软件对不同助 燃 风 成 分 为 23%O2/77%CO2、 30%O2/70%CO2 及 40%O2/60%CO2 配比条件下的燃烧器燃烧特性进行模拟 ，获得燃烧室内的温度场和浓度场分布 。结 果 表明：不同的 O2/CO2 浓度配比对燃烧室内温度分布影响较大 。不同的 O2/CO2 浓度配比对燃 烧 中 间 产 物 CO 和 H2  的 浓 度 分布影响不大，但直接决定了 CO2 和 H2O 的含量 。

关键词：叶片角度；纯氧燃烧器；温度场；浓度场分布

中图分类号：TK16       文献标识码：A          文章编号：1001-6988(2016)05 - 0001 - 05

Numerical Simulation of Combustion Characteristics of Burner under Different O2 /CO2  Concentration

TIAN Sai1, RUI Wenming1, WANG Aihua1, LIU Yu2, ZHANG Yan1

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-Industry, Northeastern University, Shenyang

110819, China; 2.Shanghai Dingyan Intelligent Technology Co., Ltd, Shanghai 201600, China)

Abstract: Under different proportions of combustion air component of 23% O2/77% CO2, 30% O2/70%

CO2   and 40% O2/60% CO2     for the vane angle of 30°, the swirling oxygen gas burner is simulated by utilizing Fluent software, obtained temperature field and concentration field distribution in the combustion chamber. The results show that the different concentration proportions of O2/CO2   has the large effect on temperature distribution in the combustion chamber. Different concentrations proportion of O2/CO2  has little impact on combustion intermediate products CO and H2  concentrations distribution, but determines directly the CO2  and H2O content.

Key words: vane angle; oxygen gas burner; temperature field; concentration field distribution

目前，在各种燃煤 CO2 减排技术中，纯氧燃烧技 术是比较有前景的碳捕捉和存储技术之一。纯氧燃烧 技术不仅能实现 CO2  的大规模捕集和 SO2  的方便处 理，而且能大幅度降低 NOx 排放，是一种清洁的燃煤 发电技术，具有广阔的发展前景 。纯氧燃烧(oxy-fuel combustion)技术中的着火特性、燃尽特性以及热传递 行为等与传统燃烧存在着较大差异 。RajhiMA 等[1]对 纯氧燃烧的燃烧特性进行了分析并与空气燃烧进行 了对比研究 。王爱华等[2]发明了一种燃气无焰纯氧燃

收稿日期： 2016-07-03

基金项目： 国家科技支撑计划项目(2015BAB18B02)

作者简介：田  赛(1988—) ，男，硕士研究生，主要研究方向为燃 气纯氧燃烧器.

烧器，属于高效燃烧设备制造技术领域，是涉及一种 燃气无焰纯氧燃烧器，用于大型冶金工业炉窑。

纯 氧 燃 烧 是 利 用 O2  和 CO2  的 混 合 气 体 作 为 助 燃剂与燃 料燃烧 ，  通常 是 利 用 21%的 O2  和 79%的 CO2 气体或者提高氧气比例 、  降低 CO2  的比例的气 体 。  Chui 等 [3]把 设 计 用 来 研 究 煤 的 纯 氧 燃 烧 炉 的 CANMET 垂 直 燃 烧 研 究 设 施 (VCRF)也 开 始 用 于 天 然气的纯氧燃烧研究 。Liu F 等[4]对纯氧燃烧过程中 CO2  的化学影响进行了数值模拟 ，  通过对比模拟结 果和实验数据证明了燃烧速率的降低并不仅仅是由 于 CO2  的物理性质 。Andersson K 等[5]就温度和气体 浓 度 方 面 对 纯 氧 燃 烧 不 同 O2/CO2  浓 度 比 例 条 件 以 及空气条件下火焰的辐射特性缺乏基础研究 。本文

1

不 同 助 燃 风 成 分 为 23%O2/77%CO2、30%O2/70%CO2 及 40%O2/60%CO2  浓 度 配 比 条 件 对 叶 片 角 度 为 30° 的旋流式天然气纯氧燃烧器进行模拟 ，  来获得燃烧 室内温度场及浓度场 。

1   数学模型

1.1   燃烧器尺寸及网格划分

燃烧器的功率设计为 P=0.8 MW，燃料种类为天 然气 ，  燃烧方式为纯氧燃烧 。燃烧器 的长度为 160 mm，天 然 气 进 口 为 D1 =16 mm，助 燃 剂 O2  和 CO2  的 进口设计为 D2=44 mm，圆柱形燃 烧室直径 D=1 000 mm，长为 3 500 mm，其结构见图 1 及图 2。燃烧器采 用两层共轴套管形式 ，  燃料天然气通过内管直流进 入燃烧室，氧气通过外环旋流进入燃烧室，在氧气风 管 内 布 置 轴 向 叶 片 旋 流 产 生 器 。  选 取 叶 片 角 度 为 30°，叶 片数量为 6 个 ，叶片 厚 度 为  1 mm，叶 片 高 度 为 20 mm，作为不同 O2/CO2 浓度下燃烧特性研究时 叶片旋流器的物理模型结构，如图 3 所示 。

图 1   燃烧器及燃烧室结构示意图 (单位：mm)

图 3   叶片旋流角度 30°燃烧器的物理模型图

本文采用了结构化网格对计算区域和燃烧器大

2

部分进行网格划分 ，  采用非结构化网格对叶片旋流 器进行划分，而在需要特别关注的流域，例如燃烧器 出口 ，  叶片流域和炉膛出口处等进行了局部网格加 密 。共划分了 374 558 个网格单元，节点网格数量为 344 460。

1.2   控制方程

本研究主要以两方程模型为主，包括动量方程 、 能量方程、连续性方程和化学组分平衡方程分别为：

质量守恒方程：

鄣t(鄣ρ) + 鄣 i(u)i ) =0                                            (  )1

式 中：ρ 为 密 度；t 为 时 间 ；xi  为流体在直角坐标 i 方 向上的距离；ui 为流体在直角坐标系方向上的速度 。

动量守恒方程：

鄣(鄣t(ρ)ui ) + 鄣(鄣(ρ)xj(ui)uj ) =- 鄣(鄣)x(p)i   + 鄣x(鄣)j   (μ 鄣(鄣)xj(ui)   )+ρfi          (  )2

式中：xj  为直角 坐 标 系 j 方 向 的 坐 标；uj  为 流 体 在 直 角 坐 标 系 j 方 向 上 的 速 度 ；p 为 压 力；μ 为 湍 流 有 效 粘性系数；fj 为单位质量流体所受到的质量力 。

能量方程：

鄣(鄣t(ρ)小 ) + 鄣(鄣(ρ)xj(uj)小 ) = 鄣x(鄣)j   (Γ 鄣(鄣)xj(小)   )+S                (  )3

式中：Γ 为热源扩散系数；S 为热焓源项；小 为热焓。 化学组分平衡方程：

鄣(鄣(ρ)t(ω)1 )  + 鄣(鄣(ρ)xi(uj)1 )  =  鄣x(鄣)i   (Γ1 鄣(鄣)xi(ω)   )+R1                       (4)

式 中：ω1  为 组 分 1 的 质 量 分 率 ；Γ1  为 组 分 1 扩 散 系 数；R1 为反应源项 。

1.3   湍流流动模型

k-ε 双方程模型是实际工程中应用最为广泛的 湍流流动模型 ，  本模拟采用标准 k-ε 湍流模型模拟 炉内气流流动 。

1.4   燃烧反应模型

本 研 究 考 虑 化 学 反 应 的 组 分 传 输 过 程 ，  采 用 Finite-Rate/Eddy-Dissipation 作为湍流燃烧反应模型。

Ri，r =v ′i，r MW，r AρminR  (  )              (5)

Ri，r =v ′i，r MW，r ABρminR  (  )       (6)

式中：YP 为任何物质的质量百分数；YR 为颗粒反应物 的质量百分数；A 为经验常数 4.0；B 为经验常数 0.5。

1.5   辐射换热模型

本模拟选择 P-1 模型，因为该模型为一个 扩散

方程，求解时需要占用较少的 CPU。Sazhin S 等人[6-7] 总结了 P1 模型的优缺点 ，  他们指出 P1 模型应用于 光学薄介质时温度预测值会偏高 ，  但该模型特别适 用于气体与粒子进行辐射热交换的情形 。

塄 · 塄U(τ ) -3α( τ )U(r)=-3α( τ )4αT4 (r)(7)

式中：α ( τ )为灰气体吸收系数；U(r)=I(r，Ω)dΩ为辐 射强度的积 分 ；T(r)为 当 地 温 度 ；为 斯 蒂 芬 - 玻 尔 兹 曼常数 。

1.6   边界条件及求解方法

本 研 究 的 入 口 边 界 分 为 氧 气 和 天 然 气 两 个 入

口 ，  性质定义为速度入口 。  出口边界定义为烟气出 口，性质为压力出口，大小为负压出口 。其他边界取 为固体壁面 。采用分离解法，基本控制方程采用有限 容积法进行离散化 ，  其余控制方程的离散采用一阶 迎风格式；给定求解初始温度 2 000 K。

2   结果及分析

2.1   不同 O2/CO2 浓度对温度场的影响

图 5 为三种情 况下 燃 烧 室 内 的 温 度 分 布 图 ，可 以发现当采用 O2/CO2 作为助燃剂 时 ，其燃烧效 果与 单纯的 O2 燃烧是不一样的 。由于 CO2  的存在使得反 应高温区滞后 ，  最高温出现在完全燃烧反应后燃烧 室后部，而且还可以看到随着氧气浓度提高，高温区 向燃烧器出口接近 。在 23%O2/77%CO2  时，在据燃烧 器 1.8 m 的位置中心轴处 ，达到 4 200 K 的高温；在 30%O2/70%CO2  时 ，在 1.4 m 位 置 中 心 轴 处 ，达 到 4 200 K 的 高 温 ；在 40%O2/60%CO2  时 ，在 距 燃 烧 器 1.8 m 的位置中心轴处，达到 4 200 K 的高温 。通过 这三种情况的比较可以有两种推断：  一种是 CO2  的 存 在使得反应 速度相对 而言“变 慢 ”，由 于 CO2  的 掺 混使得反应滞后，高温区延后；另外一种可能是由于 CO2 作为三原子分子具有高辐射特性 ，  燃烧完全的 CO2 在燃烧室后部富集，从而产生了均匀的高温区 。

2.2   不同 O2 /CO2 浓度对浓度场的影响

2.2.1   CO 的浓度分布

图 6 为不同轴向位置处 CO 浓度对比 ，  沿轴 向 方 向 CO 浓 度 降 低 ，在 0.1 m 后 接 近 于 0，在 径 向 方 向上，可以看到在轴向 0.05 m 位置处，出口处 CO 浓 度含 量较高 ，出 现了 CO“飞边 ”的 现象 ，在壁面 附 近 有 CO 产生 。结合 CH4  的四步反应机理，其主要原因 是 相 对 而 言 低 O2  时 CO2  的 大 量 存 在 使 得 化 学 反 应

图 5   不同 O2/CO2 浓度时 XY 中心截面温度场分布图

方程 CO 和 H2  的发生受到了抑制 ，  导致 CO 浓度富 集 。在 40%O2/60%CO2 情况下沿径向会出现一个峰 值 。  另外 ，从 轴向 0.2 m 以后 ，可 以看到 CO 浓 度 很 低，但是在径向方向上，靠近壁面的位置 CO 浓度反 而会升高 。

2.2.2   H2  的浓度分布

图 7 为不同轴向位置处 H2 浓度对比，由图可以 看到其径向分布与 CO 的大致相似。出口中心轴线处 浓度较高 ，沿径向方向浓度减低 ，在近壁面附近 H2  的浓度会有一定的上升 ，  主要原因也是因为近壁面 区域 H2O 浓度 相对于燃烧 室内中心 轴向附近较 高 ， 见图 9 所示 。根据甲烷的四步反应机理，H2O 的存在 使得其与 CO 反生反应，使得 H2 在壁面处产生 。       2.2.3   CO2  的浓度分布

图 8 为不同轴向位置处 CO2  的浓度分布 ，  从图 中可以看到燃烧器出口中心轴向位置处 ，  燃烧反应 开始后 CO2 浓度迅速升高 ，  其中 23%O2/77%CO2  工 况下燃烧反应产生的 CO2 浓度比其它工况下的 CO2 浓度要高，这是因为氧气燃烧不充分，随着反应的发 生沿轴向浓度开始降低，最终趋于一个稳定值 。在径 向方向上 ，  可以看到距燃烧器出口 0.1 m 位置段内 径向 0.05 m 位置处 CO2 波动较大，分析其原因主要 是由于此区域为天然气和 O2、CO2  的混合交界面，所 以导致波动较大 。

2.2.4   H2O 的浓度分布

图 9 为不同轴向位置处 H2O 的浓度分布 ，  从图 可以看到 H2O 的浓度可以 分为三个 不同的区间：第 一个区间为 CH4 和 O2/CO2  混合区 ，大约在距燃 烧器 出口 0.05 m 轴向位置处 ，在这个区间 CH4 和 O2/CO2

3

径向 距 离/m

(a)轴向 0.05 m 处 CO 摩尔分数

0.0

径向 距 离/m

(b)轴向 0.1 m 处 CO 摩尔分数

0.5

径向 距 离/m

(c)轴向 0.2 m 处 CO 摩尔分数

7.0E-6

6.0E-6

5.0E-6

1

4.0E-6

3.0E-6

2.0E-6

1.0E-6

0.0                0.1               0.2                0.3                0.4              0.5 径向 距 离/m

(d)轴向 0.6 m 处 CO 摩尔分数

图 6   不同轴向位置处 CO 浓度对比图

混合开始发生剧烈反应 ，  因此可以看到 H2O 的浓度 不断上升 ；  第二个区间为 CH4 和 O2/CO2 反应区 ，约 在距燃烧器 出口 0.1 m 轴向位 置处 ，  在此区 间 CH4 和 O2/CO2  发生剧烈反应，所以可以看到 H2O 的浓度

1.0E-3

8.0E-4

6.0E-3

3

4.0E-3

2.0E-3

1

0.3

径向 距 离/m

(c)轴向 0.2 m 处 H2 摩尔分数

1.4E-4

1.2E-4

1.0E-4

8.0E-5

6.0E-5

1

4.0E-5

2

2.0E-5

0.1              0.2

径向 距 离/m

(d)轴向 0.6 m 处 H2 摩尔分数

图 7   不同轴向位置处 H2 浓度对比图

随着反应波 动 ；  第三个区 间为距 燃 烧 器 出 口 0.2 m 轴向位置处 ，  可以看到在此位置之后 H2O 浓度趋于 稳定，表明反应已经完毕 。另外还可以看到反应结束 后40%O2/60%CO2 情况下最高约 23%。在23%O2/77%

4

0.1               0.2                0.3                0.4

径向 距 离/m

(a)轴向 0.05 m 处 CO2 摩尔分数

0.0              0.1               0.2                0.3               0.4             0.5

径向 距 离/m

(b)轴向 0.1 m 处 CO2 摩尔分数

0.8

1

0.7

2

0.6

3

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0              0.1               0.2                0.3               0.4             0.5

径向 距 离/m

(c)轴向 0.2 m 处 CO2 摩尔分数

0.8

1

0.7

2

0.6

3

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0              0.1               0.2                0.3               0.4             0.5

径向 距 离/m

(d)轴向 0.6 m 处 CO2 摩尔分数

图 8   不同轴向位置处 CO2 浓度对比图

CO2 情况下最低，约为 14%，这正好与 CO2  的浓度分 布相反。

0.20

1- 23%O2/77%CO2

2- 30%O2/70%CO2

3- 40%O2/60%CO2

1

0.10

2

0.05

3

0.1                0.2                0.3               0.4

径向 距 离/m

(a)轴向 0.05 m 处 H2O 摩尔分数

1- 23%O2/77%CO2

2- 30%O2/70%CO2

0.30

3                          3- 40%O2/60%CO2

0.25

1

0.20

2

0.15

0.1                0.2                0.3               0.4

径向 距 离/m

(b)轴向 0.1 m 处 H2O 摩尔分数

0.25

3

0.20

2

0.15

1

0.10                                                            1- 23%O2/77%CO2

2- 30%O2/70%CO2

0.05                                                           3- 40%O2/60%CO2

0.0                0.1                0.2                0.3               0.4                   0.5

径向 距 离/m

(c)轴向 0.2 m 处 H2O 摩尔分数

图 9   不同轴向位置处 H2O 浓度对比图

3   结论

本 文 研 究 不 同 O2/CO2  浓 度 配 比 下 燃 烧 器 燃 烧 特性，研究总结 O2/CO2  的不同 配比对燃 烧室内温度 场和浓度场的影响：

(1)O2/CO2  浓 度 配 比 对 燃 烧 室 内 温 度 分 布 影 响  (下转第 19 页)

5

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(上接第 5 页)                                                                  [2]  王爱华，刘宇，牛义红 . 燃气无焰纯 氧 燃 烧 器：201410509152.4[P].

较 大 ，在 40%O2/60%CO2  工 况 下 ，燃 烧 室 内 温 度 分           2014.

布均 匀性好 ，即氧 气含量越高 燃烧 温 度 分 布 均 匀 性      [3]  CHUI EH, DOUGLAS MA, TAN Y W. Modeling of oxy -fuel com-

bustion for a western Canadian sub-bituminous coal[J]. Fuel, 2003,

越好 ；                                                                                          82(10) ：1201-1210.

(2)O2/CO2  不 同 浓 度 配 比 对 燃 烧 中 间 产 物 CO     [4]  LIU F, GUO H, J SMALLWOOD G, et al. Effects of gas and soot

和 H2  的 浓 度 分 布 影 响 不 同 ：  在 23%O2/77%CO2  时           radiation on soot formation in counter flow ethylene diffusion flames

CO 在燃烧器出口附近壁面集中，最高摩尔分数可以           [J]. Journal  of Quantitative  Spectroscopy  and  Radiative  Transfer,

达到约 7%，而 H2 量较少；在 40%O2/60%CO2  时在燃           2003，84(4) ：501-511.

[5]  ANDERSSON K, JOHNSSON F. Flame and radiation characteristics

烧器出口附近壁面 H2  的含量最高 ，   而 CO 量较少 。

O2/CO2 不同浓度配比对主要燃烧生成物 CO2 和 H2O           668.

的影响较大，直接决定了其含量 。                                    [6]  SAZHINS S, SAZHINA E M, FALTSI -SARAVELOUO, et al. The

P -1 model for thermal radiation transfer: Advantages and limita -

参考文献:                                                                                          tions[J]. Fuel，1996，75(3) ：289-294.

[7]  SAZHINS S, FENG G, HEIKAL M R, et al. Thermal ignition analy-

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19