某型多级燃烧器燃烧过程的数值模拟

林得福

（福建南方路面机械股份有限公司，福建 泉州 362021）

0 引言

燃气燃烧器是将燃气和空气以一定方法喷射或混合后进行点燃的装置的总称[1]。燃气燃烧器燃烧产生的大气污染物含有NOx。由于国家节能减排政策对工业污染物中NOx排放限值的要求逐渐提高，因此需要对燃烧器结构进行有效合理的设计，优化天然气和空气分布的比例和均匀性，以提高燃烧器燃烧的燃烧效果，从而降低NOx排放。随着科技的发展，越来越多的学者基于计算流体动力学（CFD）技术对燃气燃烧器的燃烧分布和燃烧效果进行过数值模拟和分析研究。

从优秀学者的研究成果可以得出，有效合理的燃气燃烧器结构对燃烧分布和低NOx废气排放具有决定性作用[2-3]。因此，基于以上考虑，该文提出了一种天燃气多级燃烧器，并对其燃烧分布和燃烧效果进行了数值研究。该文通过Fluent软件仿真，对比鼓风机导叶对气流分布的影响、旋流叶片回流强度分析、燃烧场产物的分布来研究多级燃烧器的燃烧分布，并判断其燃烧效果和NOx的排放，研究结果对燃气燃烧器的燃烧分布具有一定的参考价值。

1 燃烧器模型建立

1.1 三维结构

燃气燃烧器由鼓风机、燃气管道、稳焰盘和炉膛组成。燃烧器的三维示意图如图1（a）所示。鼓风机具有特殊的偏转叶片，能对气流产生一定的加速作用。燃烧器原理图如图1（b）所示，燃烧器头部由天然气喷管、稳焰盘、环板和头罩组成，燃气喷管沿着圆周均匀布置，共有多条燃气喷管，每个燃气喷管上都有小孔，燃气能通过该结构均匀输送到稳焰盘进行点火。稳焰盘由两级旋风叶片组成，以30°角安装，如图1（c）所示。

图1 燃气燃烧器整体与部件结构示意图

1.2 网格划分

由于燃烧器模型的形状不规则，采用非结构四面体网格对数值计算的模型划分细网格，总网格数量约904 万个。使用Fluent 软件进行模拟，并使用Meshing 进行网格划分。网格划分如图2 所示，燃烧头器头罩、稳焰盘叶片、燃气喷管等部分结构复杂，燃气在此处掺混，同时发生剧烈燃烧反应。此处划分的网格密集，网格尺寸设置较小，网格数量较多。非结构化的四面体网格用于重要流体区域内，如燃烧器和炉膛的燃烧区域，需要满足经济和性尺寸的要求。最小网格尺寸为1mm，网格的Element Quality 大于0.2，Skewness 小于0.85，Orthogonal Quality 大于0.2，纵横比大于1.6。燃烧器中的流体区域结构复杂，因此该文数值计算将整个流体域分为3 个部分，即空气段为AirPart，燃气段为CH4Part，炉膛为FurnacePart。

图2 燃气燃烧器计算域的三维网格

1.3 边界条件和计算过程

燃气燃烧器的主要燃气燃料为甲烷（CH4）。燃气进口采用速度进口，出口采用压力出口，燃烧器壁面采用无滑移边界。炉膛负压为-65Pa，燃烧器负荷为50%，燃气流量为1575m3/h，气流流量为燃气流量乘以1.35，2165.25m3/h，风机转速为1522r/min。边界条件根据输入流量和进气口、甲烷口的截面积计算，其中进气速度为18.92m/s，进气速度为28m/s。黏性模型采用k-ε 湍流模型，组分输运与反应模型选择涡耗散模型，材料属性设定为甲烷-空气混合物。第一部分是流体域冷流场的计算。对燃烧场的第二部分设定出口压力至炉膛监测点压力等于-65Pa，直至体积反应计算收敛，再进行第三部分的辐射场计算。冷态是指仅进行甲烷和空气的流动，甲烷和空气之间产生强烈的质量和动能的交换，在燃烧器内形成的流场包括速度、压力和组分浓度分布等。经过冷态场研究后，燃烧器结构还需要在燃烧情况下，利用燃烧产物等指标研究甲烷-空气混合物的流动和燃烧特性的影响。

2 仿真结果分析

通过数值模拟研究了该燃烧器的燃烧温度分布、燃烧效果以及燃烧器各部分对燃烧效果的影响，以下是该文研究的结果。对比鼓风机导叶对气流分布的影响、旋流叶片回流强度分析和燃烧场产物的分布来研究多级燃烧器的燃烧分布。

2.1 鼓风机导叶对气流分布的影响分析

鼓风机的导叶具有特殊的结构，导叶沿圆周均匀分布，在鼓风机的作用下，气流对燃烧效果有明显的促进作用。鼓风机布置在空气进口的前端，气流流过风机后会对下游的气流造成一定的扰动。

一方面，流场横截面的速度云图如图3 所示，导流叶片安装体后端的背压作用明显，对一次风量有影响，气流在吸力面产生相应的壁面效应，从而产生了相应的加速作用。流体速度从鼓风机的尾部明显下降，并沿中心线逐渐扩散到稳焰盘的前端。在鼓风机尾端，气流的流动截面突然改变，流速降低。为减少鼓风机对后端气流分布的影响，鼓风机与稳焰盘之间的距离可以加长，这样气流通过鼓风机后在稳焰盘附近能有足够的距离进行混合，可以增加稳焰盘前端面的速度均匀性，但这也必然会增大燃烧器的结构尺寸，影响在实际生产中的使用。

图3 流场横截面的速度云图

另一方面，AirPart 流域的流线如图4 所示，流线分布均匀，流向角度改变小，叶片的导流作用较弱，背压区有弱旋流，没有回流。在鼓风机的影响下，气体流速加快，使气体均往火焰点火方向进行流动，这有助于燃烧器中火焰的燃烧。从图4 中也能够观察到在鼓风机的作用下，经过稳焰盘后的速度增大。这是因为在稳焰盘多级旋流的作用下，速度流线增大。同时，多级旋流利用流体的压力产生旋转运动，从而能使燃气和空气进行充分混合，再经过燃烧器点火装置点火，进而得到更好的燃烧分布。

图4 AirPart 流域的流线

2.2 旋流叶片回流强度分析

在稳焰盘内，一级旋风叶片采用一次风送风，二级旋风叶片采用二次风送风，稳焰盘旋流外圈外的气流采用三级风送风。经统计，总风量约为17800m3/h，一次风量约为2867.8m3/h，从计算结果可以发现，一次风量占总风量的16.1%。将稳焰盘Z截面上不同位置的速度矢量图的分析如图5 所示，能够得出稳焰盘区域气流旋流向前，没有回流。气流主要沿轴向扩散，远离圆盘表面，同时由于通道收缩会产生径向对流，有利于CH4与空气进行混合。在多级旋流的作用下，CH4在稳焰盘上的分布也较为均匀，这样在稳焰盘前能够充分和空气进行混合，有助于火焰的燃烧。

图5 热态流场盘后Z 横截面CH4 质量分数速度矢量图

2.3 燃烧产物的分布

甲烷与空气接触时间短会导致混合不均匀，燃烧会不充分。这不仅浪费能源，污染环境，而且燃烧时火焰温度低，不适合高温生产场所。这就使研究一种安全、燃烧彻底、燃烧效率高且NOx 排放浓度低的燃烧器变得极其重要。因此，通过数值计算以确定燃烧是否充分和有效的燃料的残余，燃烧产物的分布。

热力型NO 生成速率和快速型NO 生成速率如图6 和图7 所示，从中可以看到热力型NO 和快速型NO 在燃烧室中的成速率。在稳焰盘前及炉膛内的NO 生成速率较快，污染物NO 的质量分数较高。这是因为稳焰盘和炉膛内存在燃烧不充分的现象。热力型NO 是空气中的氮在高温下氧化而成的，温度对NO 的形成有较大的影响。而快速型NO 是CH4与空气燃烧下通过氧化得到的。如果燃烧较充分，快速型NO 的产量应更低。然而，对比图6 和图7 中NO 的质量分数，也能够判断出此次燃烧不充分，还有待于进一步改进。

图6 热力型NO 生成速率

图7 快速型NO 生成速率

对炉膛内部的燃烧产物NO 的分布如图8 所示，丛中可以清楚地观察到NO 在燃烧室各个部分的浓度。炉膛内部的NO 浓度较大，火焰形成部分的NO 浓度较小。这是因为在火焰形成部分的燃气与空气混合的较均匀，燃烧较为充分。但是在火焰尾部，随着温度的降低，快速型NO产生的较多，即图6、图7 的局部放大图中被浅色包围的深色区域NO 浓度较高。此外，也能观察到燃烧器和炉膛内大部分区域的NO 浓度较低，这是因为炉膛内CH4和CO基本上燃尽，多余的产物较少。因此，从NO 总的生成量来看，该多级燃烧器燃烧情况较好，NO 排放浓度相对较低，但还能够对其进行改进。

图8 X=0 时截面为NO 分布

3 结论

导流叶片安装体后端的背压作用明显，对一次风量有影响，气流在吸力面形成一定的壁面效应，具有一定的加速效应。

经统计，一次风量约占总风量的16.1%。稳焰盘区域气流旋流向前，没有回流。气流主要沿轴向扩散，远离圆盘表面，同时会因通道收缩而产生径向对流。

炉膛内燃料燃烧较充分，燃气能基本上燃尽，炉膛内NO 的浓度较低。但在稳焰盘前和炉膛内会存在热力型和快速型NO 的生成。

和实际试验相比，该文仿真结果较理想，在燃烧器燃烧产物生成和火焰温度等对照上还应采用更深入的试验进行验证。基于CFD 技术研究多级燃烧器的燃烧分布可为实际工业应用提供一定的参考。