Numerical simulation of heat flow field and NOx concentration field in gas combustor
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摘要:
对于一种燃气燃烧器，选取合适的燃烧室尺寸进行匹配，进而构成一个完整的计算区域. 天然气燃料和助燃空气通过该燃气燃烧器喷入燃烧室实现完整燃烧过程. 通过简化燃气燃烧器完成几何建模，使用热流与燃烧分析软件对计算区域进行数值模拟，选用Realizable k-ε湍流模型、ED燃烧模型、DO辐射模型及热力型NOx生成模型，探究过量空气系数α对该燃气燃烧器燃烧过程的影响，得出其温度场及生成NOx浓度场的相关云图及分布情况并进行分析. 当过量空气系数α = 1.1时，NOx浓度最大. 研究结果可为相关研究实验和设计低NOx燃烧器提供参考依据.
Abstract:For a kind of gas burner, the appropriate size of the combustion chamber is selected to match, and then a complete calculation area was formed. Natural gas fuel and combustion air were injected into the combustion chamber through the gas burner to realize the complete combustion process. By simplifying the gas burner to complete geometric modeling, heat flow and combustion analysis software were used for numerical simulation of the calculation area, and the Realizable k-ε turbulence model, ED combustion model, DO radiation model and thermal NOx generation model were selected to explore the influence of excess air coefficient α on the combustion process of the gas burner. The cloud image and distribution of temperature field and NOx concentration field were obtained and analyzed. When the excess air coefficient α = 1.1, the NOx concentration reached the maximum. The research results can provide reference for relevant research experiments and design of low NOx burners.
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Key words:
- gas burner /
- nitrogen oxide /
- numerical simulation /
- excess air coefficient
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工业锅炉是氮氧化物工业源的重要组成之一，其在化石燃料利用中应用较多，产生的氮氧化物排放量较多. 随着天然气锅炉数量越来越多[1]，其产生的氮氧化物量不容忽视，因此有效降低天然气锅炉产生的污染物NOx排放量[2]刻不容缓.
燃烧器是燃气锅炉的重要燃烧设备之一，通过将燃气燃料和助燃空气一起送入到燃烧室内部，进行后续燃烧过程，其对燃烧过程有很大影响. 对燃烧器燃烧性能的改善非常重要，它会影响产量、绿色环保、能源消耗等指标. 目前燃烧技术研究方向主要聚集在低污染燃烧技术、低氮燃烧技术和燃烧器低氮燃烧技术. 在现有研究基础上，对于污染物的减少重点还是要合理选择燃烧方式[3]. 现今采用的大多数方法是设计或者改进优化燃气锅炉燃烧器的相关结构，与低氮燃烧技术相结合，对燃烧性能进行改良，使燃烧热效率得到提高，最终降低大气环境污染[4].
Su等[5]对旋流燃烧器工业炉内过量空气比对燃烧性能的影响进行数值模拟. 选用相关模型对进气温度为1273 K的天然气进行模拟. 研究过量空气比对炉内NO排放、温度和CO分布的影响，发现当过量空气比从1.05增加到1.25时，热态NO排放从5×10−6增加到70×10−6. Ariwibowo等[6]采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究非预混天然气−空气在工业炉内的燃烧特性. 何建军等[7]将一种新型低氮燃烧器用于燃气锅炉，结合多种低氮技术，烟气循环率达到20%~40%，有效降低氮氧化物生成量，炉膛出口NOx浓度小于30 mg/m3. 史丹君等[8]采用计算颗粒流体力学（Computational Particle Fluid Dynamics，CPFD）进行低氮燃烧数值模拟，结合空气分级和低过量空气燃烧方法，使锅炉炉膛温度场分布均衡，O2浓度降低，最终取得很好的NOx降低效果.
本研究对燃气燃烧器进行几何建模，匹配合适的燃烧室模型，用ICEM进行网格划分，用ANSYS Fluent 2021软件对计算区域模型进行数值模拟，选择过量空气系数作为可变条件，研究不同过量空气系数下温度场及氮氧化物NOx浓度场的分布，探究过量空气系数对燃烧过程的影响.
1. 燃烧器结构设计
燃气燃烧器使用三维软件UG按照等比例进行三维几何结构建模，整体长度为820 mm，直径为270 mm，空气与燃料的进口直径分别为270 mm与40 mm，燃烧器头部内径为140 mm，外径为210 mm，宽度为50 mm，分流管道内径为10 mm. 燃气燃料通过燃料入口进入燃料管道进入燃烧器内部，燃烧器头部有4个分流管，燃气燃料经过第一次的分级，分流流向4个管道，燃烧器头部的形状为圆形，形成一个环形腔体；当燃气燃料在整个环形腔体均匀充满后再向外发出喷射. 燃烧器头部的环形腔体分别有24个一级燃料喷嘴与3个二级燃料喷嘴，喷嘴直径均为8 mm，其三维结构模型如图1所示.
2. 模型建立
2.1 计算区域确定
为使燃气燃料的燃烧过程更加清晰明了且利于分析，需要匹配恰当的燃烧室模型，故建立一个圆柱体燃烧区域进行模拟燃气燃烧室，与原型燃气燃烧器组合在一起构建完整的计算区域，如图2所示. 燃烧室尺寸见表1. 为减少整体结构数值模拟的复杂性，燃气燃烧器减少了旋流器结构，并对主管道与燃料管道进行相应简化，其头部保留，包括燃料入口、空气入口及一二级燃料喷嘴，保存全部边界条件，故不会影响模拟结果的精准性.
表 1 燃烧室模型相关尺寸Table 1. Combustion chamber model related dimensions半径/m 长度/m 半径长度比 出口半径/m 出口角度/（°） 0.4 1.8 0.222 0.175 50 2.2 控制方程
自然界中的任何流体流动和化学反应过程都应遵循相对应的定律. 在本研究的数值模拟中，均需要用到以下三大守恒方程[9].
质量守恒方程表达式为
∂ρ∂t+∂∂xi(ρui)=Sm (1) 其中，Sm的表达式为
∂∂t∭volρdxdydz+\oiintAρdA=0 (2) 动量守恒方程表达式为
∂(ρui)∂t+∂(uiuj)∂xi=∂p∂xi+∂τij∂xi+ρgi+Fi (3) 能量守恒方程表达式为
∂∂t(ρcpT)+∂∂xi(ρcpuiT)=∂∂xi[μprλ∂cpT∂xi]+wsQs (4) 式中：ρ为微元流体的密度，kg/m3；t为时间变量，s；xi为i方向的空间坐标分量，m；ui为i方向上的流体速度分量，m/s；uj为j方向上的流体速度分量，m/s；p为微元流体所受到的静压力，Pa；τij为应力张量，m/s；gi为i方向上的重力体积力；Fi为i方向上的外部体积力；cp为微元流体的定压比热容，J/(kg•K)；T为开尔文温度，K；μ为黏度，Pa•s；λ为导热系数，W/(m•K)；wsQs为其他形式导入的能量.
2.3 求解模型
本研究利用ANSYS进行数值模拟，采用的求解模型见表2.
表 2 采用的求解模型Table 2. Adoption of solving model求解模型 采用形式 湍流模型 Realizable k-ε模型 燃烧模型 涡耗散ED模型 辐射模型 DO辐射模型 NOx形成模型 热力型NOx模型 2.4 其他设置
初始设置完成后，对计算迭代次数进行设置. 选择SIMPLE算法. 在数值模拟[10-11]过程中，对计算结果残差等进行监控，残差值设定见表3.
表 3 残差参考值设定Table 3. Residual reference value setting残差监控 DO Energy 其他项 设定值 10−6 10−6 10−3 2.5 网格划分及无关性验证
2.5.1 网格划分
在保证计算区域参数及工况设定一致情况下，对整体几何结构模型进行网格划分以及部分区域网格加密，选取4种不同的网格数量，见表4.
表 4 4种网格数量与网格节点数量Table 4. Four kinds of grids numbers and grid nodes numbers网格编号 网格数量 网格节点数量 1 516345 90881 2 1192578 203881 3 1532122 261444 4 2010254 342451 2.5.2 网格无关性验证
燃烧室沿Y轴方向火焰中部的温度与速度分布如图3所示. Z轴方向为燃烧室中心轴方向. 由图可知，4种不同网格数量的温度与速度分布曲线的变化趋势近似，说明本研究采用的数值模拟计算方法具有稳定性与可重复性. 4种网格数量的模拟结果有较小的差距，推测当网格数量再增加时，可以忽视对最终计算结果的影响. 考虑计算机硬件性能、数值模拟计算结果的精度以及时间成本，最终选取网格数量1192578的模型进行模拟，最终网格划分如图4所示.
图 3 4种不同网格数量的温度分布及速度分布曲线Figure 3. Four kinds of temperature distribution and velocitydistribution curves with different grid numbers3. 过量空气系数对燃烧过程的模拟
3.1 过量空气系数
燃烧反应中，过量空气系数α是反映燃料与空气比例的重要参数，过大还是过小都不利于燃烧过程的进行. 在保持燃料燃烧充分的基础上，降低NOx生成量，选择合适的过量空气系数范围.
工况为满负荷，燃料及空气入口类型均为速度入口，空气温度设为298 K，烟气出口边界采用pressure-outlet，燃烧室壁面条件为绝热. 燃气体积流量为100 m3/h，一二级燃料占比为8∶1，燃料管道进口速度为50 m/s. 使燃气燃烧器能在一种比较好的运行工况下运行，设置5种过量空气系数α进行模拟计算以及云图分析.
3.2 模拟结果分析
3.2.1 温度场分析
分别取α = 1.0、1.1、1.2、1.3和1.4时，轴向与径向温度云图如图5和图6所示.
图 5 不同过量空气系数下计算域中心截面的轴向温度云图（Y = 1 m）Figure 5. Axial temperature nephogram of central section of calculation domain under different excess air coefficients (Y = 1 m)
图 6 不同过量空气系数下计算域中心截面的径向温度云图（Z = 1 m）Figure 6. Radial temperature nephogram of central section of calculation domain under different excess air coefficients (Z = 1 m)当α = 1.0时，火焰形状比较分散且火焰长度比较长，燃烧室内部的高温分布区域范围较大，燃烧反应过程较剧烈，且左下角角落有部分较高温区域，这是因为燃烧器的水平布置导致高温烟气在燃烧室的下边角落形成聚集，散热效果不够好. 从轴向和径向截图的温度云图可以看出，随着α的增加，混合气体的体积以及流速增加，燃烧室中部上边的较高温区域被冲散，高温区域变得更加集中，火焰形状不再较为分散，火焰长度逐渐缩短，左下角的较高温区域逐渐减小. 燃烧室内部的平均温度偏高，并且随着α的逐渐增加先升高后降低；随着α逐渐增加，温度峰值的变化趋势先增加后减小，但增加和减小的幅度不是太大，都稳定在2 100 K左右，同时还能看到燃烧室径向的高温区域范围逐渐减小，且高温峰值也在逐渐减小.
3.2.2 NOx浓度场分析
大气污染物NOx的主要来源之一就是工业锅炉燃烧. 工业锅炉在进行燃烧之后，其排放的氮氧化物NOx给人类带来极大的影响. 随着人们对绿色环保理念的认可及国家对污染物排放标准的严格把控[12]，目前已形成一个相关的重要研究方向，即如何进行NOx的控制排放及低NOx燃烧理论与技术研究等. 在探究不同过量空气系数对燃烧过程的影响时，除温度场分析，还需要对氮氧化物NOx浓度场分析. 本研究氮氧化物NOx主要为热力型NOx. 图7为α取值不同时，燃烧室中心截面的NOx浓度场分布云图.
图 7 不同过量空气系数下计算域中心截面的氮氧化物分布云图Figure 7. Clouds of nitrogen oxide distribution in the central section of calculation domain under different excess air coefficients由图中可以看出，NOx高浓度的区域主要出现在高温区域，高温区域在上文中的温度分布云图也可以进行验证，其中温度云图中的高温区域的平均温度约为1 400 K. 因为天然气燃料和助燃空气进行激烈的燃烧反应，大量的燃烧热被释放出来，温度迅速升高. 由于燃烧温度越高，空气中O2与N2在高温下反应剧烈，热力型NOx形成，所以氮氧化物主要存在于燃烧室的高温分布区域.
为便于直观地进行数据分析，计算得出在不同工况下燃烧室出口的氮氧化物浓度，分布曲线如图8所示. 从图中可以发现，当α为1.0~1.1时，NOx浓度呈上升趋势，当α为1.1~1.4时，NOx浓度开始逐渐降低. 这是因为随着α从1.0增大到1.1时，更多的空气进入燃烧室内，燃烧室的氧气含量迅速增多，更多的氧气参加生成氮氧化物的化学反应，造成燃烧室出口处的NOx浓度提高. 但随着α进一步增大，燃烧室内的燃烧过程虽然处于富氧状态，但是大量的冷空气喷入到燃烧室，其温度相对于燃烧室内部的高温来说很低，造成燃烧室的高温区域减小且温度降低，从而抑制氮氧化物生成，NOx浓度降低. 即随着α的增加，燃烧室出口NOx浓度的变化趋势是先增加后减小. 当α = 1.1时，NOx浓度最大，约为37 ×10−6. α的发展规律与文献[13]中的相关研究结论接近.
图 8 不同过量空气系数下燃烧室出口的NOx浓度分布曲线Figure 8. Distribution curve of NOx concentration at outlet of combustion chamber under different excess air coefficients4. 结 语
当过量空气系数α为1.0~1.1时，氮氧化物浓度逐渐增加，α = 1.0时的NOx浓度低于α = 1.1时的NOx浓度，但此时导致天然气燃烧不完全甚至燃烧不稳定的危险，还可能会引起燃烧效率降低；当α为1.1~1.4时，氮氧化物浓度逐渐减少，冷空气会随着α的增大进一步增多，进入过多的冷空气会吸收更多的燃烧热，导致燃烧温度降低，燃烧室出口的O2浓度增大，过大的α也会导致燃烧效率降低. α太大或太小都存在相应问题，所以在实际工程应用中，要选择合适的α.
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图 3 4种不同网格数量的温度分布及速度分布曲线
Figure 3. Four kinds of temperature distribution and velocitydistribution curves with different grid numbers
图 5 不同过量空气系数下计算域中心截面的轴向温度云图（Y = 1 m）
Figure 5. Axial temperature nephogram of central section of calculation domain under different excess air coefficients (Y = 1 m)
图 6 不同过量空气系数下计算域中心截面的径向温度云图（Z = 1 m）
Figure 6. Radial temperature nephogram of central section of calculation domain under different excess air coefficients (Z = 1 m)
图 7 不同过量空气系数下计算域中心截面的氮氧化物分布云图
Figure 7. Clouds of nitrogen oxide distribution in the central section of calculation domain under different excess air coefficients
图 8 不同过量空气系数下燃烧室出口的NOx浓度分布曲线
Figure 8. Distribution curve of NOx concentration at outlet of combustion chamber under different excess air coefficients
表 1 燃烧室模型相关尺寸
Table 1. Combustion chamber model related dimensions
半径/m 长度/m 半径长度比 出口半径/m 出口角度/（°） 0.4 1.8 0.222 0.175 50 
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表 2 采用的求解模型
Table 2. Adoption of solving model
求解模型 采用形式 湍流模型 Realizable k-ε模型 燃烧模型 涡耗散ED模型 辐射模型 DO辐射模型 NOx形成模型 热力型NOx模型
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表 4 4种网格数量与网格节点数量
Table 4. Four kinds of grids numbers and grid nodes numbers
网格编号 网格数量 网格节点数量 1 516345 90881 2 1192578 203881 3 1532122 261444 4 2010254 342451
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