醇基燃料燃烧器的优化设计

胡艳花,李万陶

(武警士官学校,浙江 杭州 310005)

燃烧器是保证燃料安全、充分燃烧的重要设备,目前,在市场上已有针对醇基燃料的燃烧特性而开发的燃烧器,但是,大多数是在燃油燃烧器基础上改进的,对旋流器的结构性能缺少系统性研究。醇基燃料和常规燃油燃烧器的适配性较差。如图1所示,一般会使用轻油燃烧器燃烧醇基燃料,燃烧时会有大量的黄色火焰,燃烧不充分,导致氮氧化物排放量过多和燃烧效率低下等问题。此外,在燃烧过程中容易积碳,从而堵塞管道会降低燃烧器的使用寿命。

图1 燃烧系统实物图

如图2所示,由轻油燃烧器出口的流场特性及速度分布规律可知:稳焰碟对中心直流风、平板槽口的旋流风及燃烧筒边缘的周界风三部分的风量分配和气流特性有直接的关系[1-2]。这款平板式稳焰碟的气流有效流通面积小,且气流通过平板槽缝时阻力损失较大,旋流强度较小,燃料与空气混合不均匀,不能形成有效回流区,导致燃烧不理想。

图2 燃烧器实物图

因此,为实现醇基燃料充分燃烧和降低NOx排放量的目的,本文针对一款热风型小功率燃烧器(100～200 W),设计了轴向叶片旋流器和烟气回流装置。旋流结构可以增强燃料和空气的混合,有利于醇基燃料的充分燃烧,减少NOx浓度的排放。烟气回流装置可卷吸高温烟气对混合燃气进行预热,提高醇基燃料的雾化质量,减少局部高温区,可明显降低NOx的排放。采用数值模拟的方法,研究不同的旋流角度、旋流叶片个数和回流口宽度的温度分布特性和炉膛出口NOx浓度等变化规律,这为醇基燃料的推广和应用奠定了理论基础[3-4]。

1 醇基燃料燃烧器优化设计

1.1 旋流结构设计

轴向叶片旋流器结构如图3所示,采用一次直流风,二次旋流风的通道布置,旋流器与燃烧筒之间留有较小缝隙,为三次直流风。一次直流风保证了火焰燃烧时的射流长度,同时与周围高温烟气的混合,增强气流间的对流传热;二次旋流风有利于形成回流区,可进一步增强燃料和空气的混合,加强火焰燃烧的稳定性。同时,减小了二次风的轴向速度,避免二次风穿过火焰扩展区,有利于缩短火焰长度,燃料进行充分燃烧;三次直流风能够为燃料提供充足的助燃空气,促进醇基燃料的进一步燃烧,减少炭黑的生成;轴向叶片旋流器的阻力小于平板式稳焰碟,具有较强的旋流强度,增强燃料与空气的混合。旋流器主要结构尺寸,如图4所示。

图3 轴向叶片旋流器结构

图4 旋流器主要结构尺寸

1.2 烟气回流结构设计

在旋流结构的基础上,增加烟气回流装置。该结构可以在不增加成本和空间的前提下明显降低NOx的排放[5]。如图5所示,将燃烧器出口边缘改为缩口结构,并在回流筒上开设环形回流口。在缩口的作用下,高温烟气可从回流口流回燃烧筒的内部,烟气回流量的多少可以通过回流口的宽度来控制。回流口卷吸的高温烟气,对反应的混合燃气进行预热,提高醇基燃料的燃烧速率,减少局部高温区的生成,从而降低NOx的排放。

图5 烟气回流结构

旋流角度与空气的旋流强度有关。当旋流角度过小时,不能够对气流起到旋流作用,空气与燃料射流的接触面积小,时间短;而当旋流角度过大时,火焰易被吹熄。此外,在高旋转气流中,由于逆压梯度的增加,回流会受到限制,向燃烧器的上游区域移动,这种情况容易烧坏燃烧器出口的部件。而旋流叶片的个数会影响燃料的燃烧行为和燃烧器出口流场特性,从而影响火焰的稳定性和NOx的排放量。高温烟气适当的回流量可对醇基燃料起到预热效果,加快蒸发过程,提高醇基燃料的燃烧速率。由此可见,旋流角度和旋流叶片个数是轴向旋流器设计的关键部分。采用数值模拟的方法,对设计的旋流结构进行模拟试验研究,得出最佳的旋流角度和叶片个数。对不同参数的回流口宽度,Wtube-buner,进行分析,合理控制烟气的回流量,燃烧器在燃烧器醇基燃料时,具有燃料适配性高、燃烧充分、NOx排放少等特点。

2 仿真分析

2.1 模型建立与网格划分

采用SOLIDWORK建立物理模型,如图6所示,用ICEM CFD进行网格划分,为保证网格质量,和对几何模型的有效贴合,模型采用四面体-六面体的混合网格进行划分,燃烧室为六面体,由于燃烧器头部结构较为复杂,所以采用四面体网格,它能够更准确地贴合该结构。燃烧器整体网格分布,如图7所示。

图6 计算模型尺寸

图7 燃烧室整体网格分布

2.2 边界条件及求解

湍流模型用标准k-ε模型,忽略分子间黏性的影响[6-7],湍流强度设为11%;选用非预混燃烧模型;辐射模型用P-1,NOx生成用热力型模型;燃油雾化过程用压力模型[8-9];入口边界条件:空气为速度入口,燃料为甲醇,其中空气质量流率约为0.087 36 kg/h,甲醇质量流率约为0.012 kg/h,过量空气系数约为1.12。燃料进口温度设置为301 K。出口边界条件:设置为压力出口,数值为0。壁面边界条件:设置壁面温度为500 K。方程用压力求解器进行求解,用SIMPLE算法进行耦合。在计算的过程中,先采用一阶定常隐式格式求解连续相,等流场稳定后,加入离散相DPM模型[10],将离散相和连续相进行耦合求解直至收敛。

本文分别对五种旋流叶片角度、五种旋流叶片以及四种回流口宽度Wtube-buner下的炉内燃烧进行了数值模拟。旋流叶片角度设置、旋流叶片数量设置以及Wtube-buner设置如图7所示。

2.3 网格独立性验证及实验验证

对网格独立性进行验证不仅有利于保证计算结果的可靠性,还有助于保证计算效率。本文首先对燃烧器未优化前的燃烧进行了数值模拟,分别采用的网格数量为326 487,521 434,718 291和931 042。实验中,由炉膛上壁插入热电偶以检测炉内温度,热电偶布置如图8所示。图9为不同网格数值模拟获得的温度数据和实验数据对比。如图7所示,随着网格数量的增加,数值模拟温度越接近实验温度,当网格大于等于718 291时,温度数据无明显变化。因此,本文选择的网格数量为718 291。另外,如图9所示,由于数值模拟中的计算模型存在必要的简化,实验值与温度值存在偏差,但网格数量为718 291时,平均偏差不超过16%,符合计算要求。

图8 炉内热电偶布置示意图

图9 数值模拟温度与实验温度对比

2.4 数值模拟结果

图10为不同旋流角度下的炉膛中心截面温度分布,由图10可知,优化后的燃料在燃烧器出口处可快速蒸发混合燃烧,火焰稳定性增强且长度缩短,炉膛中的火焰充满度增加。

图10 不同旋流角度下炉膛中心截面温度分布

旋流角度从20°增大到40°时,火焰最高温度减小,火焰在炉膛内的充满度逐渐增加,温度分布趋于均匀,火焰长度减小。这是因为旋流角度的增加,炉膛内形成回流区面积增加,可卷吸较多的高温烟气有利于醇基燃料的汽化和火焰稳定性[11],从而使温度分布更均匀化,火焰也长度逐渐减小。当旋流角度为40°时,局部最高温度最小,为1 872 K,在保证足够的燃烧强度下,减少了积碳的生成。这与文献中的结论一致[1-2],两者的温度分布规律类似,高温区均在炉膛尾部区域,由此可判定数值模拟的结果是可靠的。

图11为不同旋流角度下炉膛出口处NO浓度分布,由图11可知,优化前生成较多的NO,最高浓度为1 140×10-6。优化后炉膛出口处的NO浓度比优化前炉膛出口处的NO浓度明显下降。随旋流角度的增加,炉膛出口处NO浓度先减小后增加。当旋流角度为40°时,NO生成量最少,其最高含量为146×10-6。

图11 不同旋流角度下炉膛出口处NO浓度分布

不同旋流叶片个数下炉膛中心截面温度分布,如图12所示。叶片个数的改变对温度场影响显著。当叶片个数从8增加到16时,炉膛最高火焰温度不断升高。同时,随着叶片个数的增加,炉膛内火焰充满度增加,高温区面积呈先减小后增大的趋势。这表明随旋流叶片个数的增多,它的导流作用更强,炉膛内的气流扰动增加,有利于燃料与空气的充分混合。

图12 不同旋流叶片个数下炉膛中心截面温度分布

图13为不同旋流叶片个数下炉膛出口处的NO浓度分布,由图13可知,当叶片个数从8增加到16时,炉膛出口处NO浓度的排放量呈先减小后增多的趋势,当旋流叶片为12个时,出口处的NO浓度最低,数值为106×10-6。这主要是由于NO的生成严重依赖于火焰温度,NO浓度的生成与局部高温区的大小密切相关。

图13 不同旋流叶片个数下炉膛出口处的NO浓度分布

图14、图15分别是为不同回流口宽度Wtube-burner下压力图分布图和速度矢量图,由图14～图15可知,在回流口附近压力小,形成了回流,且回流区的面积随回流口宽度的增大而增加,在回流口的作用下,可吸卷高温烟气。这是由于火焰区轴向流速大,形成负压,炉膛内烟气被卷吸至火焰区。控制回流口宽度,可以有效控制进入火焰区的回流烟气。

图14 不同回流口宽度下压力分布

图15 不同回流口宽度下速度分布

图16为不同回流口宽度Wtube-burner下炉膛中心截面温度分布,由图16可知,随回流口宽度的增大,膛内最高温度逐渐降低。当Wtube-burner为0 mm时,膛内最高温度值为2 057 K,当Wtube-burner为30 mm时,炉内最高温度降低为1 980 K,且高温区的面积明显减小。这是由于随回流口宽度的增大,烟气回流量不断增加,循环的烟气内含有大量的惰性气体,尤其是H2O和CO2等三原子分子,分子比热较大,能够稀释空气,回流量增加的同时会降低助燃空气中的氧分压,从而降低燃烧的反应温度,高温区减小。

烟气回流对燃烧过程的NO浓度的形成有着重要的影响,如表1所示。当Wtube-burner为30 mm时,烟气回流量最大,回流率也最大,炉膛出口处NO浓度最低,仅有124×10-6,这表明烟气回流量控制在合适的范围内,回流时卷吸的高温烟气对促进醇基燃料的燃烧具有显著作用。一方面,烟气回流有利于增强燃料的蒸发和火焰的稳定。另一方面,回流烟气可降低炉膛内高温贫氧燃烧区,可明显降低NO浓度。

表1 不同回流开口宽度下模拟结果对比

3 结 论

为使醇基燃料燃烧充分,降低NOx浓度的排放量,本文分析了轴向叶片式旋流器的不同参数,引入烟气回流装置。对旋流角度、叶片个数和回流口宽度的不同参数进行仿真分析,使燃烧器与醇基燃料的适配性更强、可充分燃烧、降低NOx浓度的排放量。具体研究结论如下:

(1)旋流角度从20°增大到60°时,火焰温度呈先降低后升高的趋势,炉膛出口NO浓度也先减小后增大。当旋流角度为40°时,局部高温区面积最小,且炉膛出口处NO浓度排放量也最低。

(2)当旋流叶片从8个增加到16个时,炉膛内火焰充满度逐渐增加,温度也不断升高,而炉膛内的高温区面积呈先减小后增大的趋势,它出口处NO浓度的排放量也是先减小后增大。当旋流叶片有12个时,它出口处NO浓度的排放量最低。

(3)当回流口宽度Wtube-burner从0 mm增加到30 mm时,炉膛温度逐渐降低,火焰长度也不断减小,且出口处的NO浓度排放量也减小。当回流开口为30 mm时,炉膛内高温区范围明显缩小,炉膛内的NO浓度比无回流口时降低了54%左右。