新型多段式自预热燃烧器设计与数值模拟
陈冬林，成珊，贠英，邓涛
(长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙，410076)
摘要：设计一种新型的多段式自预热燃烧器，其技术特点是：内部包含高温烟气回流通道，利用高温烟气预热空气与燃料，并在燃烧室内形成强烈的逆流对流换热。使用计算流体力学(CFD)方法对燃烧器内温度场、燃烧室内速度场和温度场进行模拟，计算烟气卷吸率，并对燃烬率进行比较。研究结果表明：使用该燃烧器空气预热效果较好，烟气卷吸率达到6以上，满足高温空气燃烧所需要的前提条件，比使用传统燃烧器燃烧更稳定、充分。
关键词：自预热燃烧器；数值模拟；高温空气燃烧；烟气卷吸率
中图分类号：TK174 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)02-0811-06
Design and numerical simulation of new multi-stage self-preheating burner
CHEN Donglin, CHENG Shan, YUN Ying, DENG Tao
(School of Power and Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)
Abstract: An alternative multi-stage self-preheating burner was designed whose chief advantage was with a high temperature flue gas pipe inside the burner, using the gas to preheat the air and fuel and creating a strong counter current convention heat transfer in the chamber. The flow field, pressure field, and temperature field were analyzed through computational fluid dynamics (CFD), flue gas recirculation rate was calculated and burn-out rate was compared. The results show that the air preheats effect is good and flue gas recirculation rate is larger than 6, meeting the premise condition of high temperature air combustion and the combustion is more stable and completely compared to the traditional burner.
Key words: self-preheating burner; numerical simulation; high temperature air combustion; flue gas recirculation rate
目前有众多新型燃烧方式，如旋流燃烧[1-2]、富氧燃烧[3-4]、火焰冷却技术[5]、分级燃烧[6-7]和流化床技术[8-9]等，但这些燃烧方式不能兼顾高效和低污染，也不能适用于低品质燃料。现阶段，高温空气燃烧(也称为低氧稀释温和燃烧)因同时具有节约能源、火焰稳定和低NOx排放等诸多优点，逐渐成为了业界的研究热点。高温空气燃烧通常在燃烧室外装有蓄热式或回热式换热器。蜂窝蓄热体以其热惯性小、结构紧凑而成为一种常用换热装置，但它对材料性能要求很高，例如：需要有很高的比热容和换热系数，能够承受巨大的温差和频繁的换向，以及具有抗氧化和抗腐蚀能力。此外，由于含尘烟气极易导致堵塞和结渣，蜂窝蓄热体很难在燃煤和燃烧其他生物质燃料的锅炉上使用。为了解决上述问题，本文作者提出一种新型多段式自预热燃烧器。该燃烧器不需要外部装置辅助加热，自身可实现预热过程。
1 多段式自预热燃烧器结构及原理
多段式自预热燃烧器见图1，包括空气进口风箱、高温烟气回流管、空气管和燃气管4部分，自身可实现预热过程，且不会导致堵塞或结渣。其主要特点是：(1) 空气进入进口风箱后，在冷却高温烟气回流管内烟气的同时得到第1次预热；(2) 燃料/空气进入高温烟气回流管内的燃料/空气管后与高温烟气回流管内
逆向流动的高温烟气发生强对流换热，使得空气得到第2次预热，燃料得到第1次预热；(3) 当燃料/空气离开高温烟气回流管内的燃料/空气管进入一端封闭的燃烧室后，与逆向流动的火焰和高温烟气发生直接混合及强对流换热，使空气得到第3次加热，燃料得到第2次加热。燃烧器与锅炉的连接示意图见图2。
为达到更好的预热效果及满足不同工况的需求，燃料管与空气管的数量及布置形式可以是单根或多根，多根的情况下可以采用“一”字形排列、“十”字形排列或圆形排列等。
图1 燃烧器与燃烧室示意图
Fig.1 Schematic diagram of burner and combustion chamber
图2 燃烧器与锅炉连接示意图
Fig.2 Schematic diagram of connection of burner and boiler
2 数值模拟
通过Parente等[10]的数值模拟与实验研究对照可知：在Fluent软件中，选用标准k-ε湍流模型以及EDC燃烧模型进行高温空气燃烧的模拟时，燃烧室内的平均速度和温度与实际偏差在5%以内，模拟结果可以认为是符合实验结果的，本研究利用商业软件Fluent6.3完成数值实验研究。
2.1 物理模型
构建燃烧器及燃烧室模型时，为研究多段式自预热燃烧器内的传热状况和燃烧室内的流场和压力分布，以及与使用传统燃烧器时燃烧室内的温度场相对比，特构建了图3所示的4个燃烧器模型以及表1所示的8个燃烧室模型。燃烧器利用隔板增加空气在进口风箱内的流程及停留时间，燃烧器模型1~4分别为无隔板、三隔板、五隔板、七隔板模型。燃烧室模型1~8中将燃烧室简化为1个圆柱筒，采用自预热燃烧器时从圆柱筒同一端开口分别喷射入空气、燃料和排放烟气，采用传统燃烧器燃烧时则在另一端开口排放烟气。燃烧室长度固定为3 m，燃烧室半径为0.30~1.00 m，见表1。
2.2 数学模型及边界条件
为加快计算速度以及获得更精确的模拟结果，尽可能地使用结构化网格对模型进行划分。选用k-ε湍流模型和EDC燃烧模型及DO辐射模型计算。使用分离求解器，并采用SIMPLE算法进行压力和速度耦合[11]。所有的控制方程均采用一阶迎风格式。
图3 燃烧器模型示意图
Fig.3 Schematic diagram of burner model
表1 燃烧室模型尺寸
Table 1 Combustion chamber model size
燃烧器设计燃料为高炉煤气，其热值很低，主要成分(体积分数)为CO 25%，CO2 15%，N2 55%和其他微量成分。假定混合物满足理想气体状态方程，混合物比定压热容cp通过温度与比热容的多项式确定。
在相同的热负荷下，自预热与传统燃烧器边界条件均设定为：速度进口(空气50 m/s，燃料45 m/s，300 K)，压力出口(101 kPa)。
初始化采用all-zones计算平均值。计算结果为：能量方程残差小于10-6，其他残差小于10-4，且监测到进出口质量流量偏差在10-6 kg/s以内，计算收敛。
2.3 烟气卷吸率计算
烟气卷吸率决定反应物和产物的混合均匀程度。高温烟气回流带来的反应物强烈稀释是实现高温空气燃烧的1个至关重要的条件。烟气卷吸率(Kv)定义为卷吸的烟气质量流量(有效截面积上总的质量流量Minlet减去进口的空气和燃料质量流量之和M0)与进口的空气和燃料质量流量之和M0的比值，即，
(1)
在自预热燃烧器对应的燃烧室模型中，在任何yz平面上，向燃烧室内部方向流动的质量流量(Minlet)必须等于向出口方向流动的质量流量(Moutlet)，即Minlet(x)=Moutlet(x)。烟气卷吸量可根据向燃烧室内部的质量流量确定，即
(2)
此处A(x)代表x处的yz平面上速度向燃烧室内部方向的面积。对于相同的空气和燃料进口质量流量，Minlet(x)越大表示烟气卷吸量越高，对于Moutlet(x)同样适用。
向燃烧室内部方向的质量流量(Minlet)及烟气卷吸率(Kv)均通过CFD数据根据式(1)和(2)计算而得。
3 结果及分析
3.1 燃烧室内压力场和速度场
图4和图5所示分别为燃烧室x方向上xOy平面的压力分布图和速度矢量图。从图4和图5可以看出：所有的燃烧室模型模拟结果都有一个共同点：有1个向燃烧室内部的中心流，然后，射流在燃烧室内发生回流并向燃烧室进口方向流动。
在半径小于0.75 m即半径长度比小于0.25时，由于燃烧室内压力较高，射流不能到达燃烧室的末端，燃烧室的后半部分射流卷吸的烟气量很少，平均速度低。在燃烧室半径增加后，燃烧室内压力下降，射流能顺利到达燃烧室末端，平均速度增大。从图5可以看出：在燃烧室后半部有涡流区。
3.2 烟气卷吸率
图6所示为x方向离入口距离的烟气卷吸率。从图6可以看出：在燃烧室长度固定为3 m的情况下，烟气卷吸率随半径增大而增大；半径长度比增大后，炉内压力分布较为均匀，射流能到达在燃烧室内后部，从而整体的烟气卷吸率增加。
图4 炉膛xOy平面压力分布图
Fig.4 xOy plane pressure distribution in chamber
图5 炉膛xOy平面速度矢量图
Fig.5 xOy plane speed vector diagram in chamber
图6 燃烧室长度为3 m、燃烧室半径r不同时的烟气卷吸率
Fig.6 Flue gas recirculation rate with different chamber radius at chamber length of 3 m
从图6还可以看出：在多数燃烧室中，随射流向燃烧室内部运动，即与燃烧室进出口处的距离x增加，更多的烟气被卷吸入射流内，烟气卷吸率(Kv)上升。
另外，当半径大于0.75 m后，烟气卷吸率(Kv)不再出现随x增加而减小的情况，而是很平稳地固定在6以上。这是由于涡流区已经到达了燃烧室的最里面，不再影响流动情况。
3.3 燃烧器中空气和燃料预热效果
图7所示为4种不同燃烧器模型中xOy平面的温度分布图。由图7可以看出：在无隔板的燃烧器中，空气可以被预热到900 K左右；三隔板的燃烧器中，为1 000 K左右；五隔板的燃烧器中，为1 100 K左右；七隔板的燃烧器中，为1 200 K左右。4种燃烧器模型中，燃料因为进口速度比较大，换热面积不够导致预热效果不佳。
图7 燃烧器xOy平面温度分布图
Fig.7 xOy plane temperature distribution in burner
由于采用的换热管均为光管，换热系数较低，若采用如肋片管等增强换热的方式，则换热效果会得到进一步改善。
高温空气燃烧的发展和研究表明，实现高温空气燃烧有2个重要的前提条件：
(1) 燃烧室内有强烈的烟气循环，氧气被高度稀释；
(2) 进入燃烧室内的空气被预热到较高温度。
Cavigiolo等[12]发现实现高温空气燃烧所需要的烟气卷吸率(Kv)与燃料的热值有关。比如，燃料为甲烷时，需要Kv＞4，并且炉内温度为800~850 ℃；而燃料为乙烷时，只需要Kv＞3.5，炉内温度为600~650 ℃。Effuggi等[13-15]发现：在高烟气卷吸率(Kv＞5)和高温(t＞800 ℃)下，低热值的生物质也可以实现高温空气燃烧。
由于本燃烧器的设计燃料为低热值的高炉煤气，当烟气卷吸率和空气预热温度能达到较高值时，可认为满足了高温空气燃烧所需要的前提条件。
3.4 燃烧室内温度场及燃烬率
分别采用传统燃烧器和自预热燃烧器，对半径为0.75 m的燃烧室模型进行温度场比较，结果见图8。由图8可以看出：当传统燃烧器按传统燃烧方式采用较低流速(20 m/s)时，燃烧室内已经熄火，燃烧无法进行。当传统燃烧器采用新型燃烧器相同流速(50 m/s)但无预热时，燃烧得以进行。
由图8还可以看出：采用自预热燃烧器时，由于有空气预热过程以及高温烟气回流的存在，不仅使得燃烧室内的低温区更小，而且整个燃烧室内的平均温度更高。
由于采用不同燃烧器时输入的燃料量和空气量一致，不同燃烧器的燃火尽率结果见表2。由表2可以看出：采用自预热燃烧器时，燃烧更充分，燃料利用率更高。
图8 r=0.75时燃烧室xOy平面温度分布图
Fig.8 xOy plane temperature distribution in r=0.75 chamber
表2 不同燃烧器燃烬率
Table 2 Burn-out rate of different burners
4 结论
(1) 燃烧室半径长度比影响整体流场分布。半径长度比小于0.25时，燃烧室压力分布不均，射流速度在燃烧室内迅速降低，卷吸率亦随之迅速下降。
(2) 在空气流速较高(50 m/s)的情况下，通过增加其燃烧器内的流动路程，可显著提升空气预热温度。
(3) 采用多段式自预热燃烧器的情况下，空气可以预热到1 200 K以上。当燃烧室半径长度比超过0.25时，烟气卷吸率(Kv)可以容易地超过6，满足了低热值气体实现高温空气燃烧所需要的前提条件。
(4) 烟气卷吸率与预热温度共同影响高炉煤气的燃烧状况。与传统燃烧相比，使用这种新型多段式自预热燃烧器保证了低热值燃料对卷吸率与预热的要求，不仅燃烧稳定，更重要的是可回收烟气热量，使得燃烧室内的平均温度升高，不可逆热损失和传热损失减小，燃料利用率升高。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-02-01；修回日期：2012-04-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目(11072005)；湖南省自然科学基金资助项目(11112022)
通信作者：陈冬林(1963-)，男，湖南石门人，博士，教授，从事高效洁净燃烧技术与污染物排放控制研究；电话：13974837965；E-mail：chendl_01@sina.com
