基于微火焰燃烧的新型低氮燃烧器模拟优化

宋佳霖1,2，程星星1，孙荣峰2,3，王志强1，耿文广2,3，张兴宇2,3，赵改菊2,3，员冬玲2,3，王鲁元2,3

(1.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)能源研究所 能源与动力工程学院，山东 济南 250014；3.山东省能效与低碳工程实验室，山东 济南 250014)

摘 要:为应对大气污染严重问题，我国近年来加速了“煤改气”政策的推行，燃煤锅炉逐渐被燃气锅炉替代，开发和设计新型低氮燃气燃烧器具有重要意义。为响应国家“低氮环保”号召，提出了一种新型微火焰燃气低氮燃烧器。采用数值模拟方法对该燃烧器进行了相应的孔径结构优化，并在此基础上进行燃烧工况模拟，以选出燃烧的最优工况。结果表明：随着空气入口口径由16 mm增大到22 mm，由于口径增大，空气流速变慢，燃气甲烷与空气混合反应燃烧时间变长，燃烧释放出更多热量，继续增大口径时，由于小火焰具有更大的散热面积，热量向四周散失，故火焰中心高温区温度先升高后降低，而燃烧器燃烧原料为清洁燃料甲烷，生成NOx主要为受温度影响较大的热力型NOx，故NOx生成量亦先升后降；随着过量空气由1.1增大到1.4，火焰中心高温区明显变小，温度也由2 270 K降低到2 042 K，由于炉膛内高温区温度降低且空气在高温区停留时间变短，NOx生成量也由412 mg/m3降低到52 mg/m3。因此该新型低氮燃烧器燃烧效果良好，能有效降低NOx排放。在甲烷入口口径设计为2 mm，空气入口口径设计为16 mm，过量空气系数设置为1.4时，该新型低氮燃烧器可以达到很低的NOx排放量。

关键词:微火焰低氮燃烧器；数值模拟；天然气；过量空气系数；NOx

中图分类号:TK16

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2020)05-0159-07

Optimization simulation of anovel low NOx burner based on micro flame combustion

SONG Jialin1,2,CHENG Xingxing1,SUN Rongfeng2,3,WANG Zhiqiang1,GENG Wenguang2,3, ZHANG Xingyu2,3,ZHAO Gaiju2,3,YUAN Dongling2,3,WANG Luyuan2,3

(1.School of Energy and Power Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;2.Energy Institute of Shandong Academy of Sciences, School of Energy and Power Engineering,Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences),Jinan 250014,China; 3.Energy Afficiency and Low Carbon Engineering Laboratory of Shandong Pronvice,Jinan 250014,China)

Abstract:In response to solve serious problems of air pollution,China has accelerated the implementation of the "coal-to-gas" policy in recent years. Coal-fired boilers have been gradually replaced by gas-fired boilers. It is important to develop and design the new low-nitrogen gas burners. In response to the national call of "low nitrogen and environment protection",a new micro flame low nitrogen burner was proposed. Numerical simulation method was used to optimize the corresponding aperture structure of the burners,and on this basis,the combustion conditions were simulated to select the optimal combustion conditions. The results show that as the air inlet diameter increases from 16 mm to 22 mm,the air flow rate slows down due to the diameter increase,the combustion time of the mixed reaction of gas methane and air becomes longer,and the combustion releases more heat. When the diameter continues to increase,because the small flame has a larger heat dissipation area and the heat is dissipated to the surroundings,the temperature in the high-temperature area at the center of the flame first increases and then decreases. The burner burns clean fuel methane,and the produced NOx is mainly thermal NOx that is greatly affected by temperature. Therefore,the amount of NOx generated first rises and then falls. With the increase of excess air from 1.1 to 1.4,the high temperature area in the center of theflame obviously decreases,the temperature also decreases from 2 270 K to 2 042 K. As the temperature in the high temperature zone in the furnace decreases and the residence time of air in the high temperature zone becomes shorter,the production of NOx decreases from 412 mg/m3 to 52 mg/m3. In conclusion,the new low nitrogen burner has a good combustion effect and can effectively reduce NOx emission. Moreover,when the methane inlet diameter is designed to be 2 mm,the air inlet diameter is designed to be 16 mm,and the excess air coefficient is set to be 1.4,the new low-nitrogen burner can achieve low NOx emission.

Key words:micro flame low nitrogen burners;numerical simulation;methane;excess air coefficient;NOx

收稿日期:2020-07-22; 责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.IF20072201

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51906130)；济南市高校20条引进高端人才项目(2018GXRC032)；山东省科学院国际合作项目(2019GHPY03)；山东省能源碳减排技术与资源化利用重点实验室开放课题资助项目(ECRRU201804)

作者简介:宋佳霖(1997—)，男，山东烟台人，硕士研究生，从事新型燃烧器开发。E-mail:songjialin199@163.com。

通讯作者：王鲁元，硕士生导师，研究方向为燃烧污染物减排、燃烧尾气资源化利用。E-mail:luyuanwang@qlu.edu.cn

引用格式:宋佳霖，程星星，孙荣峰，等.基于微火焰燃烧的新型低氮燃烧器模拟优化[J].洁净煤技术，2020,26(5):159-165.

SONG Jialin,CHENG Xingxing,SUN Rongfeng，et al.Optimization simulation of anovel low NOx burner based on micro flame combustion[J].Clean Coal Technology，2020,26(5):159-165.

0 引 言

天然气作为一种高效清洁的能源越来越受业界重视，许多燃煤电厂也加快了“煤改气”进程。煤炭是我国主要能源，但其燃烧会产生大量污染物，为此我国采取多种手段对能源结构进行调控。煤炭消费从2000年的67.5%降低到2020年的55%，同步降低12.5%；天然气从2000年的2.8%增长到10%[1]。大力发展天然气能源能缓解我国能源与环境的矛盾问题，而天然气锅炉的“低氮燃烧”是解决污染问题的有效方式[2-5]。近年来，国内外研究机构针对低氮燃烧问题开展大量研究，设计原理包括烟气再循环、贫燃预混燃烧、旋流燃烧、分级燃烧[6-9]等。王子叶[10]在Chemkin平台建立了轴向分级预混燃烧室模型，并在温度1 973 K的燃烧室内研究了当量比、停留时间等对NOx排放量影响，结果表明相比于常规贫预混燃烧，AFS燃烧在高温区有更低的NOx排放。Ahrens等[11]运用模拟软件对掺混特性的影响进行了分析，研究表明提高主燃区火焰的掺混均匀度有利于降低NOx排放。

采用高速射流火焰也是控制NOx生成的有效手段。惠鑫[12]研究了稳定射流扩散火焰的燃烧特性，发现燃料稀释以后火焰面向燃料侧移动且火焰的尺寸减小。燃料稀释降低了燃料浓度，反应区域向燃料侧移动，同时提高了燃料进口速度，使气流加快混合，导致反应区变小，火焰尺寸减小。陈阳等[13]对轴对称射流火焰燃烧稳定性进行数值模拟，发现适当改变射流入口压力及速度脉动，可以有效控制燃烧不稳定性。沈燕等[14]对矩形喷口射流火焰的轴向温度进行研究，发现火焰中心轴向温度随自身火焰长度呈三段式分布，第2段火焰温度最高，NO生成主要集中在该区域。

前人研究多对现有经典燃烧器进行改进，鲜见针对高速射流式燃烧器的研究。现有燃烧器的NOx排放量可达到国家的最新标准30 mg/m3，但燃烧器结构复杂，造价成本过高且可改进空间较小。故本文提出一结构更加简单的新型高速射流式低氮燃烧器，并运用雷诺时均模拟的方法对该低氮燃烧器在微火焰尺度状态下的燃烧进行优化模拟，比较了4种口径下燃烧室内温度场及NO分布情况，并分析了不同过量空气系数对燃烧室温度及污染物排放的影响。

1 数学、物理模型及数值模拟方法

1.1 物理模型与控制方程

本文以一新型高速射流式低氮燃烧器为研究对象，研究了其在微小火焰尺度燃烧状态下的温度场及污染物生成情况。燃烧室整体结构示意如图1所示，燃烧室整体为标准圆柱形结构，直径为230 mm，整体长度为550 mm，甲烷与空气从燃烧室一侧通入，另一侧设为烟气出口。燃烧器的立体结构如图2所示，燃烧器俯视图如图3所示。燃烧器整体直径为70 mm，高度为30 mm，整体采用空气进口与燃气进口相间的布置方式，大孔为空气入口，小孔为甲烷入口。该布置方式使燃气与空气混合更均匀且将传统燃烧器的大火焰细化为数股小火焰，不但增大了火焰的散热面积，降低火焰温度，还增大了火焰整体直径，拉长火焰长度使其充满炉膛，使得炉膛整体温度分布更加均匀，有效减小了中心火焰高温区的面积，从而达到控制NOx排放的目的。

图1 燃烧室模型
Fig.1 Burner model

图2 燃烧器三维模型
Fig.2 3D model of burner

图3 燃烧器俯视图
Fig.3 Top view of burner

本文整个燃烧过程的数值模拟方程有连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分守恒方程，具体为

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

组分守恒方程：

(4)

式中，ρ为密度，kg/m3；ui为i方向速度分量，m/s；uj为j方向速度分量，m/s；τij为黏性应力；Fi为体积力，N；cp为恒压比热容，J/(kg·℃)；T为温度，K；u为速度，m/s；pr为微元体所受压力，N；λ为导热系数；ms为质量流量，kg/s；μ为动力黏度，N·s/m2；s为混合不均匀度；ws 为功，W；Qs为热量，J；t为时间，s；c为气体浓度，mol/L。

1.2 数值模拟方法

目前，Fluent软件为湍流流动的燃烧主要提供直接模拟、大涡模拟、雷诺时均模拟等。参考其他模拟可知采用大涡模拟与直接数值模拟的方法在相同网格情况下可以取得更高的模拟精度。由于本文整体燃烧室尺寸偏大，需要网格数量过大，计算周期过长，而雷诺时均模拟能在较少网格下取得较好的模拟结果[15]，且其将雷诺时均模拟方程与湍流输运方程中的高阶未知项用时均量与低阶未知项表达，使方程封闭，在预测湍流燃烧上具有一定合理性，符合实际工程要求[16]。综合考虑，本文决定采用由雷诺时均方程出发的统观模拟方法。

本文采用双方程模型中应用最广泛标准k-ε模型(式(5))。方程模型引进了表示各向同性小尺度涡机械能转化成热能速率的脉动动能耗散率ε，具有更高的计算精确度。

(5)

式中，P为压力，N；U为x方向速度分量，m/s；φ为通用因变量；V为y方向速度分量，m/s；W为z方向速度分量，m/s；Γφ为输运系数；Sφ为通用因变量的源项。

甲烷燃烧过程复杂，包含众多组分及反应。限于实际条件，采用简化的甲烷-空气两步化学反应机理，反应方程为

CH4+3/2O2CO+2H2O，

(6)

CO+1/2O2CO2，

(7)

反应反应速率分别为

(8)

(9)

式中，k为化学反应速率，mol/(L·s) ；Eα为活化能，J/mol；A为指前因子； R为气体常数，J/(mol·kg)；n为反应指数。

1.3 边界条件设定及网格无关性验证

为了确定模型计算所需的网格数量，分别选取65万、95万、150万的网格数量在一定工况下，通过Fluent对3种网格下燃烧室内中心轴线温度进行对比分析。结果发现网格数量95万及150万时，数据基本重合。因此可认为网格数量95万时模拟结果已足够精确，故本文选取95万网格数量进行模拟计算。

合理的设置边界条件是保证计算结果准确性及合理性的基础。在本文的模拟中：

1)燃烧器模型的燃气与空气入口都采用速度入口边界条件，入口温度设置为300 K，入口水力直径根据不同入口口径模型进行设置，入口速度根据不同工况设置，湍流强度为5%。

2)燃烧室出口设为压力出口，出口压力为0，为防止回流，设置出口氧气质量分数为0.233，出口水力直径与湍流强度分别230 mm和5%。

3)气固交界面采用无滑移、绝热边界。

1.4 模型验证

为获得准确的模拟结果，进行了可靠性验证。郑建祥等[17]对一新型燃烧器进行了二维数值模拟并进行相关试验，结果表明其模拟数据与试验数据具有一致性。本文在其整体模型尺寸基础上将其扩展为三维模型，并与前者试验模拟结果进行对比。燃烧室沿轴线方向的温度分布如图4所示，可知温度峰值出现位置及大小基本一致，且温度总体分布情况也基本趋于一致。可知计算模型具有可靠性。

图4 本文模拟与文献中试验模拟燃烧室内沿轴线方向温度对比
Fig.4 Comparison of the temperature in the combustion chamber along the axial direction and the experimental simulation in the literature

2 计算结果与分析

本节对此新型高速射流式低氮燃烧器在微火焰燃烧状态下进行了4种孔径的优化对比模拟，选出最优口径后分别对不同过量空系数(1.1、1.2、1.3、1.4)的燃烧情况进行数值模拟，分析其对燃烧室内高温区分布及污染物排放的影响。

2.1 孔径优化模拟分析

模拟控制甲烷入口口径2 mm不变，射流速度为50 m/s。分别将空气入口口径设置为16、18、20、22 mm，空气流速设置为18.75、14.81、12.00、9.92 m/s，模拟对比其燃烧温度分布及NO生成情况。

不同空气入口口径的燃烧室中心截面温度分布如图5所示。由图5(a)可知，火焰中心温度最高，为2 400 K左右，沿中心向外温度逐渐降低，燃烧室大部分温度处于1 700 K左右。由图5(b)可知，中心火焰高温区呈扩张趋势，且燃烧室整体温度提高，大部分区域温度在1 900 K左右。由图5(c)可知，相对于前2组孔径下的燃烧情况，其高温区域扩张较为明显，燃烧室整体温度大多在2 000 K以上。由图5(d)可知，相较于图5(c)，其燃烧室整体温度略有上升，但火焰中心温度从2 600 K降低到2 500 K。燃烧室温度更趋于均匀。因此，随着空气入口口径的扩大，火焰中心高温区域扩张且燃烧室整体温度呈升高趋势。这是由于在控制甲烷流量流速不变的情况下，增大空气进口口径，降低空气流速时，燃气甲烷与空气混合反应燃烧时间变长，燃烧释放出更多的热量，燃烧室整体温度升高。而当空气口径继续变大时(图5(d))，空气流速继续降低，在燃烧室内虽然反应燃烧时间更长，由于小火焰散热面积大，中心高温火焰向四周散热，导致火焰中心温度有所降低而燃烧室整体温度上升。

图5 不同口径燃烧室内沿轴线方向温度分布
Fig.5 Temperature distribution along axial direction of combustion chambers with different diameters

本文在轴线方向上每隔20 mm设置了一个温度监控点，共计27个点。4种口径下沿轴线方向上燃烧室内相应温度分布如图6所示。可知空气口径为20 mm时，燃烧室内沿轴线方向温度最高；而空气口径为16 mm时，燃烧室内沿轴线方向温度最低。

图6 不同口径燃烧室内沿轴线方向温度分布
Fig.6 Temperature distribution along the axial direction of chambers with different diameters

燃烧产生的NO分为燃料型、热力型、快速型。由于本文模拟研究的新型高速射流式低氮燃烧器使用的是清洁燃料甲烷，不含有氮原子，故无燃料型NO产生，而快速型NO在整个燃烧过程中产生的量相对其他2种可忽略不计。综上，本文将对热力型NO的排放情况进行数值模拟。

热力型NO的产生主要是因为燃烧产生高温，在高温环境中，空气中氮气被氧化为NO(式(10)、(11))。

N2+O←→NO+N，

(10)

N+O2←→NO+O。

(11)

研究表明，温度高于1 500 ℃时，燃烧产生的热力型NO将呈指数增长，温度每升高100 ℃，NO产生量将增长数倍[18]，其生成速率表达式为

(12)

热力型NO生成速率不仅与温度有关，还与空气在高温区停留的时间有关，停留时间越长，生成热力型NO量越高。结合轴线方向NO质量分数分布(图7)可以发现，空气入口为16 mm时，产生NO量最低。这是由于甲烷流速相同，孔径不变，燃料输入量不变，需要氧量不变，故空气口径变小时，其流速变快，高速的空气在火焰高温区停留时间更短，热力型NO生成更少。

图7 不同口径燃烧室内沿轴线方向NO分布
Fig.7 Distribution of NO along axis direction in chambers with different diameters

通过对比4种口径下的燃烧室温度分布与污染物排放情况，发现在甲烷入口口径2 mm，空气入口口径16 mm时，其火焰中心高温区域面积相对最小，燃烧室内整体温度分布均匀，NO生成量达到相对较低水平。

2.2 燃烧工况优化

甲烷入口口径2 mm，空气入口口径16 mm时，对过量空气系数下的燃烧及污染物排放情况进行模拟，燃烧室中心截面温度分布如图8所示。可知随着过量空气系数增大，火焰中心高温区面积明显变小，燃烧室整体温度呈降低趋势。这是由于随着过量空气系数的增大，通入空气量更多，空气流速加快，高速的射流空气在燃烧室内与甲烷混合反应时间更短，反应区小且高速的空气本身在流动过程中带走大量热量，降低了中心火焰高温区域面积与温度。

图8 不同过量空气系数下燃烧室内沿轴线方向温度分布
Fig.8 Temperature distribution along the axial direction of combustor under different excess air coefficient

4种过量空气系数下，燃烧室沿轴线方向的温度分布如图9所示，可知过量空气系数为1.1时，其轴线上温度最高，达到2 300 K左右；过量空气系数为1.4时，轴线上温度整体在1 800 K左右，相对较低，燃烧情况较好。

图9 不同过量空气系数下燃烧室内沿轴向方向温度分布
Fig.9 Temperature distribution along the axial direction under different excess air coefficients

4种过量空气系数下，燃烧室内沿轴线方向NO分布如图10所示。

图10 不同过量空气系数下燃烧室内沿轴线方向NO分布
Fig.10 Distribution of NO along the axis direction with different excess air coefficients

由图10可知，增大过量空气系数可以有效降低NO生成。过量空气系数从1.1增大到1.2时，NO排放量从412 mg/m3降低到137 mg/m3。过量空气系数设置为1.4时，NO排放最低，为52 mg/m3，现了“低氮燃烧”。原因在于甲烷入口流速50 m/s，为高速射流状态，而过量空系数为1.4时，所需空气量较大，进流速度(26.25 m/s)达到高速流动状态，在此工况下整个燃烧处于强湍流状态，抑制了燃烧室整体温度，有效减小局部高温区域的面积，且在该流速下，空气在火焰中心高温区停留时间更短，达到了减小NO生成的目的。而传统燃烧器NO排放量会随着过量空气系数增大而增大。这是由于随着过量空气系数增大，燃烧室内氧化氛围加强，空气中的氮更易被氧化为NO而造成污染。本文新型低氮燃烧器采用一种高速射流式设计，空气在高温火焰和强氧化性氛围内停留时间更短，达到了低氮燃烧效果。因此将过量空气系数设置为1.4，可有效降低燃烧室高温区面积且NO排放很低。

3 结 论

1)本文提出的新型燃烧器结构简单，生产成本低，可减少NO排放。这是由于空气与甲烷入口采用了相间布置形式且入口空气以高速射流状态喷入，这种设计不但使燃料燃烧更充分，火焰分布均匀，避免了局部高温区域产生，还降低了空气在高温区的停留时间，达到了抑制NO生成的目的。

2)与传统燃烧器相比，新型燃烧器将传统燃烧器的一个火焰细化为多股小火焰，增大了散热面积，降低了火焰温度，有效抑制了NO的生成。

3)控制甲烷进口口径2 mm，空气进口口径为16 mm时，燃烧室整体温度分布更低，火焰中心高温区域面积更小，污染物NO生成量更低。

4)过量空系数对燃烧室温度及NO排放有很大影响。随着过量空气系数的增大，燃烧室整体温度和污染物NO排放量下降。过量空气系数达到1.4时，燃烧室整体温度达到最低，且温度分布均匀，生成NO很低为52 mg/m3。

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