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不同旋流强度下燃烧器燃烧特性的数值模拟*

芮文明1       刘  宇2       王爱华1       张  炎1       田  赛1

( 1.  东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 ，2.  上海鼎研智能科技有限公司)

摘  要  为研究不同旋流强度下天然气旋流式纯氧燃烧器的燃烧特性 ，采用计算流体力学

( CFD ) 商业软件 Fluent 对燃烧器在三种叶片角度  ( 15° 、30° 、45° ) 下的天然气纯氧燃烧进 行数值模拟 ，获得了在不同旋流强度下 ，燃烧室内的温度场和生成物浓度分布 。结果表明 : 当轴向叶片旋流器叶片角度为 30° 时 ，燃烧室内温度分布比较均匀 ，没有局部高温区 ，温度梯 度小 ，燃烧效果较好 ; 在燃烧器出 口 1. 3m 处 ，燃 烧 产 物 CO2   剧 烈 产 生 ，质量分数达到了 85% ，在燃烧室后部 ，CO2  浓度逐渐降低趋于平衡 ; 在燃烧器出口 1. 5m 处 ，燃烧产物 H2 O 的质量分数达到 42% ，在燃烧室后部 ，H2 O 的含量下降到 40% 并趋于稳定。

关键词  旋流强度   纯氧燃烧   数值模拟   温度场   浓度分布

Numerical simulation of the combustion characteristics of different swirl intensity burner

Rui Wenming1       Liu Yu2       Wang Aihua1       Zhang Yan1       Tian Sai1

( 1.  Northeastern University ，2. ShangHai Dingyan Intelligent Technology Co．，Ltd．)

Abstract   In order to study the combustion characteristics of the oxygen gas swirling burners at differ- ent swirl intensities，the burner with three blade angle ( 15°，30°，45° ) under different swirl intensity

of oxygen gas combustion by utilizing computational fluid dynamics ( CFD) commercial software Fluent was simulated．The temperature field and the resultant concentration distribution in the combustion chamber at different swirl intensity were obtained．The results show when the blade angle of 30 ° ，the combustion chamber of axial vane swirl burner temperature is more evenly distributed，no local high temperature zone，temperature gradient is small，combustion effect is better ; In the combustor exit of 1. 3m，combustion products CO2  produce violently，mole mass fraction is 85% ，then，in the back of combustor，CO2  concentration decreased gradually becomes more balanced ; In the combustor exit of 1. 5m，H2 O concentration distribution of the combustion products，the quality score of 42% ，in the back of combustor ，the concentration of H2 O decreased to 40% and stabilized.

Keywords   swirl intensity    oxygen combustion    numerical simulation    temperature field    concen- tration distribution

我国是能源消耗大国 ，但能源利用率比发达 国家低很多 ，CO2   的排放量仅次于美国 ， 占全球 总排放量的 11% [1] 。在各种燃煤 CO2  减排技术 中 ，纯氧燃烧技术是比较有前景的技术之一 。纯

*  国家科技支撑计划项目 (2015BAB18B02) 。

收稿日期 :2016 －05 －03

芮文明 ( 1991 －    ) ，硕士生 ; 110819 辽宁省沈阳市。

氧燃烧技术不仅能实现 CO2   的大规模捕集和 SO2 的方便处理 ，还能大幅度降低 NOx  排放 ，是一 种清洁的燃煤技术。

20 世纪中期开始 ，世界各国从节能减排和 控制环境污染的需求出发 ，把纯氧作为助燃剂的 燃烧器运用于工业中 。Chui 等人把设计用来研 究煤的纯氧燃烧炉的 CANMET 垂直燃烧研究设

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施  (VCRF) 也 开 始 用于天然气的纯氧燃烧研 究 [2] 。王爱华等人发明了一种燃气无焰纯氧燃 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 窖 [3] 。   目前 ，对于气体燃料的纯氧 燃 烧 还 处 在 基本研究阶段 ，对其机理的探究也处于初始阶

段 ，主要还是集中在燃烧的化学反应 、辐射换热 等两大方面 。  由于在未来很长一段时间内化石燃 料燃烧的发电量仍占全球发电量的主要份额 ，因 此有必要针对化石燃料燃烧的 CO2  减排技术开

展深入研究 。文章利用 Fluent 软件对燃烧器在三 种叶片角度  ( 15° 、30° 、45° ) 下的天然气纯氧

燃烧进行数值模拟 ，获得了在不同旋流强度下， 燃烧室内的温度场和生成物浓度分布。

1   数学模型

1. 1   燃烧器的设计

设计的圆柱形燃烧室 D = 1000mm 、L = 3500mm ，一端布置有燃烧器 。燃烧器的功率设 计为 P = 0. 8MW ，燃料种类为天然气 ，燃烧方式 为纯氧燃烧 。燃烧器采用两层共轴套管形式 ，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 ，燃烧器出口采用扩口结构 ，燃烧器结构 如图 1 所示 。燃烧器长 160mm ， 内环直径 D1  = 16mm ，外环直径 D2  = 28mm。

图 1   燃烧器结构图

1. 2   旋流器的设计

在氧气风管内布置轴向叶片旋流产生器 ，叶 片数量为 6 个 ，叶片厚度为 1mm ，叶片高度为 20mm 。选用 圆 形 扩 口 ，扩 张 角 度 为 15° 。  叶 片 倾斜角为 15° 时对应的旋流强度是 0. 276 ，叶片 倾斜角为 30° 时对应的旋流强度是 0. 591 ，叶片

倾斜角为 45° 时对应的旋流强度是 1. 025 。  当旋 流强 度 ＜0. 6  时 ，属 于 弱 旋 流 ，当 旋 流 强 度 ＞ 0. 6 时 ，属于强旋流 。叶片倾斜角 15° 和 30° 时为 弱旋流 ，45° 时为强旋流。

1. 3   物理模型及网格划分

燃烧器物理模型如图 2 所示 。燃烧室和燃烧 器的流通部分采用六面体网格划分 ，叶片旋流器 采用四面体的非结构化网格划分 ，对可能产生回 流区的喷口和燃烧区域进口段网格加密 ，其余则 随流动发展区域平缓而逐渐变得稀疏 ，共划分了 313163 个单元 ，节点网格数量约为 226834 。

图 2   不同叶片旋流角度的燃烧器物理模型

1. 4   边界条件

气流入口为 速 度 入 口 ，烟气出口为压力出

口 ，采用负压 。壁面采用绝热壁面 ，不考虑分子 扩散和气体内部导热的影响 ，选用分段线性定压 比热容。

1. 5   数学模型和求解方法

用标准 k －ε 湍流模型及标准壁面函数来模 拟炉内湍流流动 ，用 P1 辐射模型模拟炉内辐射

传热 ，选用有限速率 / 涡耗散模型预测燃烧传热 传质 。研究选用四步燃烧反应模型进行纯氧燃烧 数值模拟 [4] 。为了精确模拟燃烧过程的辐射换 热过程 ，将采用一种新的灰色气体加权和模型做 为辐射模型进行吸收率的计算 ，此模型由 Chun- gen Yin 提出 [5] 。对差分方程 ，按一阶迎风格式 进行迭代。

2   模拟结果及分析

2. 1   不同旋流强度对温度分布的影响

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图 3 是叶片倾角分别为 15° 、30° 、45° 时燃 烧室中心截面温度分布图。

当叶 片 角 度 为 15° 时 ，旋 流 强 度 为 0. 276 。 从图 3 中可以看出 ，温度场前段的温度并不是最 高的 ，随着空气与天然气的混合 ，燃气与空气燃 烧充分 ，中心燃烧区域温度最高 。燃烧火焰集中 于炉膛 前 部 1. 2m 位 置 处 ， 中心部位温度高达 4500K ，主要是由于旋流强度较小 ，天然气与氧 气流的掺混和卷吸作用较弱 ，扩散性差 。  由燃气 的燃尽理论可知 ，天然气从直流内管出来后与旋 流氧气混合较差导致化学未完全燃烧百分比较 大 ，未燃烧的混合物必须通过较长的距离以完成 充分燃烧 ，所以 ，此时的火焰的长度就较长 。燃 烧区域位于 1 ~ 1. 5m 之间 ，相对于另外两种情 况高温区偏后。

当叶 片 角 度 为 30° 时 ，旋 流 强 度 为 0. 591 。 由图 3 可以明显看出 ，燃烧火焰均匀性较好 ，温 度梯度小 ，高温区主要集中于天然气和旋流氧气 混合交界面处 ，最高温达到 4400K ，且温度较为 分散 。其主要原因是天然气从直流内管出来后与 旋流氧气进行了较好的混合 、扩散 ，使得燃烧温 度分布较为理想。

当叶 片 角 度 为 45° 时 ，旋 流 强 度 为 1. 025 。 由图 3 可以看出 ，较大的旋流强度导致天然气和 氧气在燃烧器出口快速混合 。较大的径向速度使 得燃料与 氧 气 在 出 口 30mm 的地方已经充分混 合 ，发生剧烈的反应 ，造成燃烧器出口高温区达 到 4500K。

图 3   燃烧室内中心截面温度分布图 (K)

2. 2   不同旋流强度对燃烧产物浓度分布的影响

( 1) CO2   的浓度分布

图 4 为天然气纯氧燃烧主要产物 CO2  在中 心截面上的浓度分布图 ，可以看出燃烧反应发生 越剧烈的地方 ，其产物浓度越高。

当叶 片 角 度 为 15° 时 ，旋 流 强 度 为 0. 276， 在燃 烧 器 出 口 至 1m 距 离 内 ，CO2   浓 度 不 是 很 高 。随着混合的加剧 ，燃烧完全 ，CO2  浓度逐渐 趋于稳定 ，含量约在 40% ~ 50% ，在 2m 左右达 到最大。

当叶 片 角 度 为 30° 时 ，旋 流 强 度 为 0. 591， 由于出口壁面氧气的高浓度使得 CO2  浓度较低， 在氧气和天然气交界面处浓度不断上升 。随着混 合的加剧 ，燃烧产物剧烈产生 ，在 1. 3m 左右， CO2  质量分数达到了 85% ; 之后 ， 中心 轴 线 上 CO2  浓度逐渐降低 ，燃烧室后部 CO2   的含 量 逐 渐趋于稳定。

当叶 片 角 度 为 45° 时 ，旋 流 强 度 为 1. 025， 旋流的作用导致在燃烧器出口 50mm 处 ，CO2  大 量产生 ，质量分数 高 达 80% 左 右 ; 在 50mm 之 后 ， 由于反应完全发生 ，天然气燃尽 ，CO2  浓度 逐渐降低趋于稳定。

图 4    中心截面上 CO2  的浓度分布图 (摩尔分

数)

(2) H2 O 的浓度分布

图 5 为中心截面上 H2 O 的浓度分布图。

叶片角度为 15° 时 ，旋流强度为 0. 276 ，在 燃烧器出口至 2m 距离内 ，H2 O 浓度很低 。  随着 混合充分 ，燃 烧 完 全 ，H2 O 浓度逐渐升高并在 3m 左右达到最高。

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当叶 片 角 度 为 30° 时 ，旋 流 强 度 为 0. 591， 出口壁 面 处 H2 O 浓 度 较 低 。  随 着 混 合 的 加 剧， 燃烧产物剧烈产生 ，在 1. 5m 左右 ，中心轴线上 H2 O 浓 度 逐 渐 升 高 ，H2 O 质 量 分 数 达 到 42% ， 燃烧室后部 H2 O 的含量逐渐下降到 40% ，并趋 于稳定。

当叶 片 角 度 为 45° 时 ，旋 流 强 度 为 1. 025， 旋流的 作 用 导致在燃烧器出口 20mm 的 地 方， H2 O 的浓度非常低 ，质量分数在 4% 左右 ，这是 由于 CH4  和 O2   的快速混合 ，产生中间燃烧产物 CO 和 H2 ; 在 50mm 之后 ，浓度开始升高 ， 由于 反应完全发生 ，天然气 燃 尽 ，H2 O 浓 度 逐 渐 趋 于稳定 ，含量达到 40% 左右。

图 5    中心截面上 H2 O 的浓度分布图 (摩尔分

数)

3   结论

研究了三种叶片角度  ( 15° 、30° 、45° ) 下 即不同旋流强度时 ，燃烧室内的温度场和生成物

浓度场分布 。得出如下结论 :

( 1) 叶片角度大小直接影响了燃烧室内的 温度分布 。对比温度分布 ，在 15° 时高温区主要 集中在燃烧室内中心区域 ，并存在局部高温 。在

30° 时 ，高温区出现在天然气和旋流氧气混合交 界面 ，且 温 度 均 匀 分 布 ，温 度 梯 度 小 。  在 45° 时 ， 由于旋流强度较大导致燃烧器出口壁面温度

分布集中 ，容易烧坏燃烧器。

(2) 叶片角度大小直接影响了燃烧室内的 燃烧产物浓度分布 。对比 CO2   的浓度分布 ，在 15° 时 ，1m 内 CO2  质量分数不是很高 ，随后 ，逐 渐趋于稳定在 40% ~ 50% 之间 ; 在 30° 时 ，1. 3m 处 CO2  质量分数达到 85% ，在燃烧室后部趋于 稳定 ; 在 45° 时 ，50mm 内 CO2   的质量分数达到 80% 左右 ，在 50mm 之后 ，CO2  浓度开始逐渐降 低趋于稳定 。对比 H2 O 的浓度分布 ，在 15° 时， 2m 内 H2 O 的质量分数很低 ，随后 ，逐渐升高并 达到 42% ; 在 30° 时 ， 出 口 处 H2 O 浓 度 较 低， 在 1. 5m 处逐渐升高并趋于 稳 定 ; 在 45° 时， 20mm 内 H2 O 的浓度很低 ，在 50mm 之后逐渐趋 于稳定。

参  考  文  献

[1] 杨光华 ，陈文 仲 .  高效高温空气燃烧器实验研究 [J] .  冶金能源 ，2015，34  (4) : 50－53.

[2] Chui E H，Douglas M A，Tan Y W．Modeling of oxy－

fuel combustion for a western Canadian sub－bituminous

coal   [J] .  Fuel，2003，82  ( 10) : 1201 －1210.

[3] 王爱华 ，刘    宇 ，牛 义 红 .  燃气无焰纯氧燃烧器 [P] .  中国 : 201410509152. 4.

[4] Andersen J，Rasmussen C L，Giselsson T，et al．Glob-

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[5] Yin C，Johansen L C R ，Rosendah L A ，et al．  New

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combustion : Derivation，validation，and implementation [J] .  Energy Fuels，2010，24  (4) : 6275－6282.

赵  艳   编辑