全预混表面燃烧效率与NOx排放量特性的仿真研究

同济大学机械与能源工程学院 黄思怡 冯 良 伊帅帅

全预混表面燃烧效率与NOx排放量特性的仿真研究

同济大学机械与能源工程学院 黄思怡 冯 良 伊帅帅

利用Fluent软件对全预混表面燃烧过程中燃烧热效率和NOx排放量特性做了数值模拟研究。综合考虑过剩空气系数和燃烧功率对燃烧热效率和NOx排放水平的影响，给出了全预混表面燃烧过剩空气系数的建议取值范围。

全预混表面燃烧 数值仿真 节能减排 燃烧热效率 NOx排放

0 前言

随着天然气行业的蓬勃发展，天然气在我国一次能源中所占的比例越来越大。在天然气得到大规模应用的背景下，高效地利用天然气对节能减排具有重要意义。全预混燃烧是指燃气和空气混合均匀(过剩空气系数α≥1)后燃烧，反应瞬时完成，燃烧完全，火焰温度高，长度短，容积强度可达29~58×103kW/m2；金属纤维表面燃烧技术能有效解决回火问题；两种技术相结合具有极大优越性。本文在理论分析的基础上，利用Fluent软件仿真研究了全预混表面燃烧过程中，燃烧效率和NOx排放量在不同燃烧工况下的变化规律，提出提高燃烧效率、降低NOx排放量的具体措施，对天然气的高效利用具有重要指导意义。

1 燃烧热效率

对于全预混燃烧系统，在燃气流量一定的情况下，燃气完全燃烧释放的热量是定值，燃烧所需理论空气量按照化学当量比计算得出，假如炉膛壁绝热，则燃烧释放的热量完全为烟气所吸收，此过程称为绝热燃烧，可获得最高燃烧温度，称为理论燃烧温度，而实际情况中由于过剩空气存在，烟气带走的热量会增加，燃烧温度低于理论燃烧温度，周向阳等在《大型炉膛燃烧过程的数值模拟》中用空气过剩燃烧得到的绝热燃烧温度与理论燃烧温度的比值定义燃烧效率：

式中：η——燃烧效率；

T——绝热燃烧烟气温度，K；

Tmax——理论燃烧温度，K。

由于全预混燃烧火焰几乎透明，辐射热量非常有限，此定义作为评价标准直观有效。

2 NOx生成机理

NOx是天然气燃烧生成的主要污染物之一，是燃烧的必然产物。NOx种类多，包括NO，NO2，N2O，N2O3，N2O4和N2O5等。天然气燃烧过程中生成的氮氧化物几乎全部是NO和NO2，因此通常把这两种氮氧化物合称为NOx，其中NO占90%左右，NO2由NO在火焰下游或空气中进一步氧化生成，因此本文将重点关注燃烧过程中NO的生成。按照生成方式的不同，可将NOx分为热力型NOx，快速型NOx和燃料型NOx。

热力型NOx习惯上指由空气中N2在1 800 K以上的高温区域按扩大的捷里多维奇机理生成的氮氧化物，其生成特点是生成反应比燃烧反应慢，主要在火焰带下游的高温区域生成。其生成量和氧浓度、火焰温度及在高温区域停留时间成正比。

快速型NOx在碳氢系燃料燃烧过程中在氧气较贫区域火焰面内急剧生成。

燃料型NOx是指来源于燃料中N元素的NOx，天然气中几乎不含N元素，故在本文不予讨论。

3 模型的建立与求解

3.1 物理模型的建立

本文用Rhino3D软件建立燃烧设备的模型，图1为最终建立的模型的半剖面图。

图1 燃烧设备半剖面

燃烧器圆柱状头部直径80 mm，长度50 mm；炉膛内部直径450 mm，长度870 mm；烟气出口直径为150 mm。由于计算区域的对称性，模拟的时候，只选取计算区域的1/4进行计算便可。采用ICEM软件划分网格，面网格类型采用Quad Dominant，划分方式采用Patch Dependent；体网格类型采用Tetra/Mixed，划分方式为Robust(Octree)，网格质量均在0.3以上。

3.2 计算模型的选择

标准k-ε模型已被大量工程实例证明具有相当高的正确性，本文选用此湍流模型。模拟甲烷与空气在炉膛内部的预混燃烧过程，涉及化学反应以及能量守恒，所以计算时，需勾选能量守方程以及Species Transport下反应选项下的Volumetric选项，Turbulence-Chemistry Interation选项下选择Eddy-Dissipation(涡耗散)选项。计算收敛后，打开NOx的生成模型迭代计算的NOx的浓度分布场。本辐射换热选择DO模型，该模型适用于任何光学深度的计算，并且考虑了气体与颗粒之间的辐射换热。燃烧仿真需要重现极其复杂的燃烧温度场，并且由于对金属纤维多孔介质湍流源项的添加，使得SIMPLE算法难收敛。为了更好的得到收敛的结果，压力速度耦合迭代方式采用SIMPLEC算法。

3.3 边界条件的设定

入口选择速度边界，入口速度根据燃烧器的功率以及过剩空气系数计算确定。烟气出口采用压力出口，出口表压力设为零压。

壁面边界：计算区域的壁面边界有两类，一类是绝热壁面，一类是水冷壁壁面。绝热壁面热流量设为零，水冷壁壁面采用对流换热和辐射换热的混合传热边界。水冷壁壁面采用混合换热边界时，壁面换热系数很难确定。本文采用流体外掠平板时的局部表面传热系数表达式来确定壁面的对流换热系数h。表达式如下：

式中：h—换热系数，W/(m2⋅K)；

Re—雷诺数；

Pr——普朗特数；

λ——流体导热系数，W/(m⋅K)；

D—特征长度，m。

不同温度时气体的密度、导温系数和运动粘度等系数是不相同的，所以每一个燃烧工况下都需要重新计算一次壁面换热系数。事实上，随温度的变化，水冷壁面的换热系数变化很小，10 ℃时，按照式(2)计算得换热系数为4.17 W/(m2⋅K)，100 ℃时为4.11 W/(m2⋅K)，400 ℃时为4.03 W/(m2⋅K)，可见换热系数变化很小。燃烧仿真过程中发现，壁面附近流体的温度变化很小，所以在整个仿真计算过程中认为壁面附近流体温度不随时间发生变化。但是随着功率的变化以及过剩空气系数的变化，壁面附近流体速度变化较大，而速度对壁面的换热系数的影响却不容忽略。本文在模拟计算时，根据壁面附近烟气流速调整壁面的换热系数大小，取值变化范围为：2.0~4.0 W/(m2⋅K)。

4 模型建立模拟结果与分析

本次仿真模拟分别计算了功率10 kW、15 kW、20 kW、25 kW和30 kW工况下的燃烧情况。在每一功率下，过剩空气系数α分别取1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35和1.40，总共 45组数据。

4.1 过剩空气和燃烧功率对NOx生成特性的影响

图2为过剩空气系数α为1.05时，不同功率下NOx生成速率分布云图。

图2 α=1.05时不同功率下NOx生成速率分布

从图2中左侧可以看出，热力型NOx的生成速率分布区域随着功率的增加逐渐变大，这说明热力型NOx的生成量是随功率增加而增加。其生成区域集中在燃烧器一侧，功率增加的时候，生成区域逐渐向烟气出口侧延伸。其生成分布形状与图3中温度分布图有较多相似的地方，温度越高，热力型NOx生成量亦越大。

图3 不同α和功率时炉膛内部温度场分布

图2 右侧是快速型NOx生成速率分布云图，快速型NOx主要分布在火焰面上游部位，其生成速率分布区域随功率的增加并未呈现有规律的变化。

模拟所得数据的定量分析：

5.1 轮作：重病地应实行与粮食、油料、经济作物或十字花科等非茄科作物3年以上轮作，实行与水稻、莲藕等水旱轮作更为理想。

由图4可看出：热力型NOx生成速率随着过剩空气系数α增加而减小。过剩空气系数α从1.0增加至1.1时，热力型NOx生成速率迅速降低，之后随着过剩空气系数α继续增加，热力型NOx生成速率的减小趋势开始变得缓慢。过剩空气系数α大于1.2时，热力型NOx生成速率几乎趋于零。在相同的过剩空气系数α下，功率越大，热力型NOx生成速率越大。这是因为随着功率的增加，炉膛内部温度逐渐升高，热力型NOx生成速率增大。

图4 不同功率下热力型NOx生成速率随α变化曲线

由图5可看出：功率为10 kW，NOx生成量较大，功率进一步增加至15 kW时，生成速率稍有下降。功率为20 kW时，其生成速率与功率15 kW时基本保持一致。功率25 kW时，快速型NOx生成速率在20 kW的基础上，又稍有增加，随后在功率为 30 kW时有所降低。可见，快速性NOx的生成量与功率之间并不存在较强的耦合关系。

图5 不同功率下快速型NOx生成速率随α变化曲线

对比图4与图5，由于炉膛内温度整体较低(低于1 800 K)，热力型NOx生成速率比快速型NOx生成速率小，当功率为25 kW时，热力型NOx生成速率大于快速型NOx的生成速率。

快速型NOx生成速率随着过剩空气系数α增加而减小。过剩空气系数α从1.0增加至1.15的过程中，快速型NOx生成速率迅速降低，随着过剩空气系数α的继续增加，快速型NOx生成速率的减小趋势开始变得缓慢。过剩空气系数α大于1.2时，快速型NOx生成速率几乎趋于零，这一点与热力型NOx生成速率随时间的变化趋势较为相似。与图4不同的是，除了功率为10 kW的快速型NOx生成速率曲线，功率为15 kW、20 kW、25 kW和30 kW的快速型NOx生成速率随过剩空气系数α变化的曲线均非常接近，这说明在过剩空气系数α相同的情况下，当燃烧器功率增加至15 kW时，随着功率的继续增加，快速型NOx生成速率不再发生显著变化。功率为10 kW时，快速型NOx生成速率相比于其他功率的要大很多。

从图6可以看出：烟气中污染物体积分数的曲线与图5中不同功率下快速型NOx生成速率随过剩空气系数变化的曲线较为相似，这说明了功率较低时，快速型NOx生成量在总NOx生成量中所占比例比较大。

图6 不同功率下烟气中NOx体积浓度随α变化曲线

事实上，对于大型炉膛，由于燃烧功率极大，炉膛温度非常高，炉膛内部热力型NOx生成速率远远大于快速型NOx生成速率，以至于快速型NOx生成速率可以忽略不计。对于功率比较小的燃烧器，由于炉膛内温度水平较低，快速型NOx生成速率不可忽略。功率小于一定数值时(本文模拟数据为25 kW)，快速型NOx生成量甚至大于热力型NOx生成量。10 kW时，烟气中NOx体积分数比较大，这主要是因为这一功率下快速型NOx生成量较大。功率为15 kW、20 kW、25 kW和30 kW时，烟气中NOx体积分数随过剩空气系数变化的曲线均非常接近，这说明在功率大于一定数值时(本文中为15 kW)，烟气中NOx体积分数不再随功率的增加而有显著的变化。

从图6中可以看出，适当增加过剩空气系数对降低NOx排放有利，而当过剩空气系数大于1.2时，继续增加过剩空气系数对降低NOx排放的作用有限。

4.2 过剩空气系数和燃烧功率对NOx生成的影响

从图7中可以看出，燃烧热效率与过剩空气系数之间呈负线性相关，过大的过剩空气系数意味着燃烧热量的大量浪费。综上所述，过剩空气系数宜在1.1与1.2之间取值。本文数值模拟时，假设燃料入口处空气与甲烷已处于完全均匀混合状态，实际燃烧过程中，会有混合不完全的情形存在，此时过剩空气系数范围宜适当扩大至1.1至1.3左右。混合越均匀，过剩空气系数可以越趋向于区间左侧取值。

图7 燃烧热效率随过剩空气系数变化曲线

5 结语

本文研究了全预混表面燃烧的热效率和污染物的排放特性。对全预混表面燃烧的热效率和NOx排放量特性做了详细的三维数值模拟研究，得到如下结论：

(1)过剩空气系数与燃烧器热烧热效率之间线性相关，过剩空气系数越大，燃烧热效率便越低。过剩空气系数与NOx排放量之间存在非线性的关系。在过剩空气系数从1.0 增加至1.2 时，NOx排放量量急剧下降，之后随着过剩空气系数的进一步增加，NOx排放量的减小趋势变得平缓，过剩空气系数从1.3开始继续增加时，NOx排放量量已基本保持不变。

(2)随着过剩空气系数增大，燃烧功率变化对NOx排放量的影响减弱，过剩空气系数大于1.2时，不同燃烧功率下NOx体积浓度基本相同。同时，燃烧功率大于一定数值时，烟气中NOx体积分数不再随功率的增加而有显著的变化。

(3)综合考虑过剩空气系数对燃烧热效率和NOx排放量的影响，对于全预混表面燃烧系统，建议过剩空气系数在1.1至1.3之间取值，且混合越均匀，过剩空气系数可以越趋向于区间左侧取值。

Simulation Study on Premixed Surface Combustion Efficiency and NOxEmissions Characteristic Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Huang Siyi Feng Liang Yi Shuaishuai

Fluent software is used to numerical simulation study on the combustion thermal efficiency and NOxemissions characteristic of the premixed surface combustion process in this paper. The proposed value range of the air excess rate of the premixed combustion is given basing on the influence of the air excess rate and power output on the combustion thermal efficiency and the NOxemissions.

premixed surface combustion，numerical simulation，combustion thermal efficiency，NOxemission