强弱射流型MILD富氧燃烧器燃烧特性的数值分析

金圻烨， 周月桂， 金旭东， 郑婷婷

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)



强弱射流型MILD富氧燃烧器燃烧特性的数值分析

金圻烨， 周月桂， 金旭东， 郑婷婷

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)

采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对一种强弱射流型MILD富氧燃烧器的流动和燃烧特性进行了分析.采用有限速率/涡耗散(FR/EDM)模型预测了丙烷MILD富氧燃烧过程中烟气速度场、温度场、组分体积分数分布和烟气内循环流量比等宏观特征，并与已有实验数据进行比较，验证了模型的准确性.在此基础上深入分析了MILD富氧燃烧的化学反应区结构、湍流和化学反应时间尺度等微观特征.结果表明：强烈的烟气内循环充分地稀释并预热主反应区内的反应物，减缓了化学反应速率，从而降低了火焰峰值温度，揭示了强弱射流型MILD富氧燃烧的低氧温和燃烧特征.

MILD燃烧； 富氧燃烧； 强弱射流； 燃烧特性； 数值分析

中低氧浓度稀释(MILD)富氧燃烧是基于二氧化碳捕集与封存(CCS)[1]的新一代富氧燃烧技术.该技术兼具传统富氧燃烧[2]与先进MILD燃烧[3]的优势，能够改善传统富氧燃烧存在的燃烧稳定性差和燃烧效率低等问题[4]，提高炉内温度均匀性，增强炉内辐射传热，节约燃料和降低NOx等污染物排放，实现传统化石燃料燃烧的“近零排放”.在过去的十几年时间里，国内外科研工作者做了许多MILD富氧燃烧的实验和数值模拟研究工作.

在数值模拟方面，潘聪等[8]通过模拟研究了不同的过氧系数对煤粉MILD富氧燃烧温度分布和NO排放的影响，提出将过氧系数维持在1.1～1.15能保证煤粉的完全燃烧、更均匀的炉膛温度分布及较低的NOx排放.Galletti等[9]采用有限速率/涡耗散(FR/EDM)模型模拟了甲烷气体的MILD燃烧过程，重点分析了甲烷MILD燃烧中湍流流动与化学反应的相互作用，发现MILD燃烧中高温区域内Damköhler数(Da)要远低于传统有焰燃烧中高温区域内的Da.金旭东等[10-11]采用数值模拟方法研究了MILD煤粉燃烧中湍流流动与化学反应时间尺度的微观特征，并根据模拟结果绘制了MILD煤粉燃烧的图谱.

笔者采用有限速率/涡耗散模型模拟了瑞典皇家工学院200 kW实验炉[5]中丙烷MILD富氧燃烧过程，获得实验炉中烟气速度场、温度场、组分体积分数和烟气内循环流量比等宏观特征，并得到了实验结果的验证.在此基础上深入分析了MILD富氧燃烧化学反应区结构、湍流和化学反应时间尺度等微观特征，进而揭示了强弱射流型MILD富氧燃烧的低氧温和燃烧机理.

1 数值计算模型及方法

1.1 数值模拟对象

(a) 炉膛截面

(b) 燃烧器结构图1 炉膛示意图Fig.1 Schematic diagram of the furnace

1.2 MILD富氧燃烧数学模型

采用Fluent软件对丙烷MILD富氧燃烧进行数值模拟.其中湍流流动、均相化学反应以及气体辐射等模型如下.

(1) 湍流和均相化学反应模型.

选用Realizablek-ε双方程模型来模拟炉膛内部湍流流动.

由于MILD燃烧有别于传统燃烧方式，具有较低的燃烧反应速率，因此假定气相反应速率无限快的涡耗散模型(EDM)不适用于MILD燃烧.采用有限气相反应速率和涡耗散相结合的FR/EDM模型来模拟丙烷的均相燃烧过程：

(1)

(2)

(2) 气体辐射模型.

采用离散坐标(DO)辐射模型来模拟炉内辐射传热过程.

由于在富氧燃烧环境下，烟气中CO2/H2O分压比空气燃烧时高得多，三原子气体的浓度远高于空气气氛下，因此气体辐射特性将发生较大变化.Yin等[12]提出了一种改进的灰体加权平均辐射模型，给出了适用于不同CO2/H2O的富氧燃烧烟气辐射计算方法，计算结果与指数宽带(EWBM)模型结果符合较好.采用用户自定义函数(UDF)将该改进的灰体加权平均模型嵌入Fluent中，用于计算MILD富氧燃烧中烟气辐射传热.丙烷、氧气和烟气组分均服从理想气体状态方程，其黏度、比热容以及导热率均为温度的函数.

采用Gambit 2.4.6软件对实验炉膛进行造型与网格划分，如图2所示，总网格数约为36万，均为结构化六面体网格，同时对燃烧器区域进行适当加密，既减少了整体网格数量又保证了计算精确性.

图2 网格划分Fig.2 Meshing of the furnace

2 结果分析与讨论

2.1 流场

图3给出了炉膛中心截面的烟气迹线图.由图3可以看出，非对称的氧气射流以超音速进入炉膛，在整个炉膛内引起了强烈、非对称的烟气内循环.在燃料着火前，从炉膛尾部卷吸回流的低氧高温烟气在燃烧器出口附近区域能够对丙烷燃料和氧化剂进行快速预热与稀释，使当地氧气体积分数降低，减缓燃烧反应速率，从而降低火焰峰值温度.

图3 烟气迹线图Fig.3 Flue gas flow field

2.2 组分体积分数

图4为炉膛中心线组分体积分数变化曲线.从组分体积分数的变化可以看出，超音速的氧气射流在整个炉膛引起了强烈的烟气内部循环，从炉膛尾部卷吸回流的低氧高温烟气，对燃烧器出口处的燃料与氧气进行了充分地混合稀释，使得当地的丙烷浓度快速下降，二氧化碳浓度迅速上升，整个主反应区处于氧气体积分数低于16%的低氧气氛.随后，丙烷与氧气开始缓慢燃烧，丙烷、氧气的消耗和二氧化碳的生成均较为平缓，炉内温度逐渐升高.最后，所有组分体积分数在燃烧完全后均趋于稳定.

图4 中心线组分体积分数Fig.4 Variation of species concentration along furnace centerline

2.3 温度场

图5所示为炉膛中心截面的烟气温度分布及中心线烟气温度变化曲线.从中心线烟气温度变化曲线可以看出，数值模拟结果与实验数据[5]符合较好，说明采用的模型具有较高的准确性.燃烧器出口处反应物与回流热烟气进行快速预热，反应物温度迅速上升至自着火温度.但由于大量低氧高温烟气在燃料着火前被卷吸回火焰根部，充分预热并稀释了当地反应物，使得整个主反应区处于低氧气氛.因此，化学反应速率较低，燃烧并不剧烈，火焰峰值温度仅为1 715 K，而在燃烧完全后烟气温度缓慢下降，最后趋于稳定，整个炉膛内温度分布非常均匀.

(a) 中心截面烟气温度分布

(b) 中心线烟气温度图5 烟气温度Fig.5 Flue gas temperatures

2.4 烟气内循环流量比

烟气内循环流量比KV是揭示MILD富氧燃烧流动特性的重要参数之一.KV的定义由Wünning等[13]提出：

(3)

式中：qm,E为炉膛横截面回流热烟气质量流量；qm,F为初始燃料进口质量流量；qm,O为初始氧气进口质量流量.

z轴方向上每个横截面的qm,E由式(4)计算得出：

(4)

式中：Az(x,y)为z轴方向上每个横截面的面积；vz(x,y,z)为速度矢量在z轴负方向上的速度分量.

图6给出了炉膛中心轴线上烟气内循环流量比的变化趋势.由图6可知，超音速的氧气射流引起了炉膛内部强烈的烟气循环，使得烟气内循环流量比KV从燃烧器出口开始持续上升，并在距离燃烧器1 m处达到峰值，最大烟气内循环流量比KV达到6.5.之后随着距离的增加，烟气内部循环开始逐渐减弱，烟气回流区一直延伸到炉膛出口，表示炉膛尾部的低氧高温烟气能够被卷吸回来与当地反应物进行混合稀释及预热.

图6 烟气内循环流量比Fig.6 Internal flue gas recirculation ratio

2.5 化学反应区结构

为了确定MILD富氧燃烧看不见的火焰边界，Yang等[14]提出了一个评价MILD燃烧反应过程的重要指标——氧化剂混合比.氧化剂混合比RO定义为炉膛内任意一点的氧气质量分数与当地氧气质量分数和燃料完全燃烧所需氧气质量分数之和的比值：

(5)

式中：SO=nOMO/nFMF;w为质量分数;n为化学计量系数;M为摩尔质量；下标O和F分别代表氧气和燃料，下标c表示烟气中所有可燃物的个数.

在氧气射流出口以及反应物完全燃烧的区域RO=1，而在燃料射流进口处RO=0.因此，在化学反应区内RO范围为0～0.99，可以假设RO=0.99的曲线为化学反应区边界.

图7为丙烷MILD富氧燃烧的化学反应区结构，数值模拟结果与实际炉膛燃烧实验结果[15]符合较好，其火焰长度达到1.83 m.相对于传统有焰燃烧，MILD富氧燃烧中强烈的烟气内循环可以快速地稀释主反应区内的反应物，使得反应物能够扩散到更大的区域进行反应，从而扩大了化学反应区，形成了所谓的弥散燃烧.

图7 化学反应区结构Fig.7 Structure of the chemical reaction zone

2.6 无量纲特征参数

MILD富氧燃烧有着不同于传统有焰燃烧的湍流流动与化学反应相互作用，强弱射流引起的强烈烟气内循环充分稀释了反应区内反应物，从而降低了其化学反应速率.

Damköhler数(Da)和Karlovitz数(Ka)是衡量湍流与化学反应相互作用及评价MILD富氧燃烧的2个重要无量纲特征参数.

Da是流动特征时间τf和化学反应特征时间τc的比值[16]：

(6)

式中：流动特征时间τf=l0/u′(l0)，l0为湍流涡的积分尺度，u′(l0)为湍流速度脉动；化学反应特征时间τc=c/r，c为燃料物质的量浓度，r为燃料反应速率.

Karlovitz数则是化学反应特征时间τc与Kolmogorov漩涡特征时间τk的比值[17]：

(7)

式中：Kolmogorov漩涡特征时间τk=(ν/ε)1/2,ν为湍流运动黏度,ε为湍流耗散率.

图8(a)和图8(b)分别给出了炉膛中心截面2个重要无量纲特征参数Da和Ka的分布.从图8(a)可以看出，炉膛内整体的Da较小，主反应区域的Da<<1并且十分均匀，说明在MILD富氧燃烧的主反应区域，流动特征时间远小于化学反应特征时间，湍流混合强烈，化学反应进行缓慢，该区域燃烧过程主要受化学反应控制，湍流混合对其影响很小，反应物能在更大容积范围内温和燃烧，烟气温度分布更加均匀.

另一方面，如图8(b)所示，炉膛内整体Ka>1，且主反应区域的Ka>>1，这反映在MILD富氧燃烧的主反应区域，Kolmogorov漩涡特征时间远小于化学反应特征时间，Kolmogorov漩涡尺寸远小于主反应区的厚度，说明Kolmogorov最小尺度的涡能够穿透主反应区边界，进入到主反应区域内增强该区域内的湍流扰动，强化其传热与传质过程，从而产生较低火焰峰值温度，炉内温度分布更均匀.

(a) Da分布

(b) Ka分布图8 无量纲特征参数分布Fig.8 Distribution of dimensionless parameters

3 结 论

(1) 采用有限速率/涡耗散模型对丙烷MILD富氧燃烧过程进行数值模拟，获得了MILD富氧燃烧的宏观特征，深入分析了MILD富氧燃烧的微观特征.

(2) 采用强弱射流型MILD富氧燃烧器，炉膛烟气内循环流量比高达6.5，火焰长度达到1.83 m，形成大范围的容积燃烧，表明强烈的烟气内循环充分地预热并稀释了主反应区内的燃料与氧气，降低了化学反应速率.

(3) 对于MILD富氧燃烧，整个主反应区内Da远小于1，而Ka远大于1，揭示了强弱射流型MILD富氧燃烧器的低氧温和燃烧特征.

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Numerical Analysis on Combustion Characteristics of a MILD Oxy-fuel Burner with Strong/Weak Jets

JINQiye,ZHOUYuegui,JINXudong,ZHENGTingting

(Institute of Thermal Energy Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Flow and combustion characteristics of a moderate & intense low oxygen dilution (MILD) oxy-fuel burner with strong/weak jets were numerically analyzed by computational fluid dynamics (CFD) method. A finite-rate/eddy-dissipation model (FR/EDM) was used to predict the flue gas velocity, temperature field, species field and internal flue gas recirculation ratio of propane MILD oxy-fuel combustion, and the model accuracy was verified by comparison with existing experimental data. On above basis, the structure of chemical reaction zone as well as turbulence and chemical timescales of MILD oxy-fuel combustion were further analyzed. Results show that the intensive internal flue gas recirculation adequately dilutes and preheats the reactants in the main reaction zone, slows down the chemical reaction rate and further reduces the peak flame temperature, revealing that the MILD oxy-fuel burner with strong/weak jets has the features of low oxygen concentrations and moderate chemical reactions.

MILD combustion; oxy-fuel combustion; strong/weak jet; combustion characteristics; numerical analysis

2016-06-23

2016-09-23

国家自然科学基金资助项目(51576128，51276110)

金圻烨(1992-)，男，江西萍乡人，硕士研究生，主要从事富氧燃烧数值模拟研究. 周月桂(通信作者)，男，教授，博士，电话(Tel.):021-34207660；E-mail：ygzhou@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2017)07-0520-05

TK223.23

A

470.30