低热值高炉煤气在预热空气作用下的扩散燃烧特性

鲁春平, 周飞帆, 陈 烨, 万 琴, 刘 波, 何金桥

(1.中冶京诚(湘潭)重工设备有限公司，湖南 湘潭 411100； 2.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031； 3.长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114；4.湖南工程学院 电气与信息工程学院，湖南 湘潭 411101)

引言

随着经济的不断发展，我国能源资源的总量将出现短缺，并且在能源消耗的过程中会产生大量的污染物，不但破坏全球生态环境，还严重影响人们生活质量。为了改善环境、提高空气质量，我国鼓励使用气体燃料，这使得天然气消耗量迅速增长。根据2020年发布的《bp世界能源统计年鉴2020》(bp Statistical Review of World Energy 2020)及以往年的BP数据显示[1]，2019年我国的天然气消费增长8.6%，总量达到3 073亿m3。另一方面，我国仅钢铁行业高炉煤气产量就高达8 600亿m3，高炉煤气的特点是热值低、产气量大，大部分都没有得到有效利用[2-3]；产生的秸秆气体7亿m3[4]，被利用的秸秆气体却不到17%；产生的生活垃圾高达4亿t[5]，处理过程中将会产生大量的可燃气体。截至2019年我国天然气累计探明地质储量超过16.0 × 1 012 m3，其中常规低品位及非常规气累计探明储量约8.0 × 1 012 m3，占比约50%，未来这一比例将进一步增大[6]。我国不仅大量低热值燃气目前并没有得到有效利用，而且随着天然气资源被不断开采，也将进一步低品位、低热值化。由此可见，研究低热值燃气燃烧特性对提高低热值燃气利用效率、减少直接排放是极为必要的。

为了分析低热值燃气的燃烧特性，部分学者从湍流扩散的热力作用方面分析了燃烧稳定特性，例如：将低热值燃气湍流非预混燃烧试验与模拟相结合，使用了不同的气体辐射模型计算高压下轴对称射流扩散火焰中的辐射传热[7-8]；通过数值模拟研究了低热值气体成分火焰的传播速度及发展时间的影响[9-11]，等等。但这些研究体现了单一的可燃成分燃烧热浮升和热辐射的扩散与混合的动力学作用，难以描述低热值燃气多组分、高不可燃组分含量下热力作用对燃烧与燃尽的影响。

此外，为强化低热值燃气燃烧与燃尽，一些学者还从低热值燃气的成分入手，分析了成分变化对燃烧稳定性的影响，例如：研究了沼气中添加H2后的扩散火焰稳定机理，发现H2的添加可以加速燃料质量的扩散，并且随着H2含量和初始压力的增加，火焰稳定性更加明显[12-13]；对燃气轮机燃烧室内湍流扩散火焰稳定性进行了试验研究，当O2与CO2比率低于20%时，燃烧火焰会被吹灭，最高旋流叶片角处火焰稳定性最好[14]，等等。这些研究虽然揭示H2含量对于扩散气流的燃烧具有重要作用，CO2则对其燃烧具有显著的抑制机理。但是，低热值燃气扩散火焰自身温度不高，而且N2的含量很高，其高温空气虽然有利于促进着火，但是其热力作用不同于富可燃成分、高热值燃气的燃烧特性[15]。

上述研究表明，通过合理调整低热值燃气入口的气流流动混合特性和成分，有利于强化低热值燃气着火、燃烧和燃尽，减少CO的生成和排放。但目前有关低热值燃气在不同热力作用下的扩散燃烧的研究较少，有关CO的燃尽性研究则更少，因此本研究基于低热值高炉煤气回收需求量大、CO含量高且更难以燃尽的特性，采用ANSYS软件进行数值模拟，以k-ε双方程湍流模型为基础，结合扩散燃烧火焰特点，对低热值燃气扩散燃烧特性进行研究。这对促进对低热值高炉煤气的回收利用，减少环境污染具有重要的现实意义。

1 高炉煤气扩散燃烧物理模型和数学模型

1.1 物理模型

本研究根据某钢铁企业为回收高炉煤气采用的水冷系统作为研究对象，进行扩散燃烧试验。

高炉煤气的主要组成成分如表1所示，低位发热值为3 813 kJ/Nm3。由表1可知，该高炉煤气中H2、CH4的含量较少，主要的可燃成分是CO。CO的着火温度为650 ℃，因此，要促进高炉煤气充分燃烧和燃尽，通过提高预热空气温度，强化出气混合是极为有利的。回收高炉煤气采用的水冷系统如图1所示。通过高炉煤气扩散气流燃烧试验，测试其温度、组分浓度场和压力，同时借助流场模拟软件，进行自由扩散燃烧气流的数值模拟，对其湍流燃烧气流的混合特性进行研究。

表1 高炉煤气组成成分

图1 高炉煤气扩散燃烧热回收水冷系统

为了确保高炉煤气充分燃烧和燃尽，炉膛内衬有厚度为10 mm的刚玉质炉胆，形成绝热炉膛。炉膛长度为1 000 mm，炉膛内径为200 mm。高炉煤气与助燃用空气通过燃烧器的同轴射流喷口喷入绝热炉膛内进行扩散燃烧。燃烧器由同轴的内、外套管结构形成高炉煤气和助燃用空气的喷口，对应燃气喷口的内管外径为16 mm，厚度为0.5 mm；空气喷口套管内径为20 mm。低热值煤气通过燃烧器内管喷入炉内与由外套管喷入的已预热空气在炉膛内形成扩散混合气流，并着火燃烧。

1.2 数学模型

低热值高炉煤气通过燃烧器以同轴射流的形式直接喷入炉膛内并在炉膛内混合和燃烧，因此炉膛是进行低热值高炉煤气能量化和回收的主要场所。由于低热值煤气着火和燃尽性都较差，因此本研究采用了绝热炉膛来确保炉内燃烧所需的热力学条件，提高CO的燃尽率。据此可以采用以下数学模型对其燃烧混合特性进行模拟研究。

(1)控制方程

1)质量连续性方程

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；x、y、z分别为笛卡尔坐标轴向距离，m；vx、vy、vz为对应坐标轴方向速度，m/s。

2)动量守恒方程

(2)

式中：p为压力，Pa；τxx、τxy、τxz分别是黏性应力τ的分量，Pa；Fx、Fy、Fz分别为作用在微元体上的力，N，例如只有重力且z轴竖向上时，Fx=0，Fy=0,Fz=-ρg。

3)能量守恒方程

(3)

式中：cp为气体定压比热容，J/(kg·K)；T为气体温度，K；k为气体导热系数，W/(m·K)；ST为能量源项，W/m3。

4)组分守恒方程

(4)

式中：cs为组分物质的量浓度，kmol/m3；Ds为组分的扩散系数，m2/s；Ss为单位时间内系统内化学反应单位体积产生的组分的质量，kg/s。

(2)辐射模型

本文研究的燃烧主要是以辐射换热为主，其换热平衡方程式如下：

(5)

式中：G为入射辐射，kJ/kg；α为吸收系数，m2/s；σs为散射系数，m2/s；C为各相位的线性相位函数系数。

(3)湍流模型

低热值燃气热值低，在相同功率条件下，入口燃气流量更大，速度更高，气流进入到炉膛内部后都将形成剧烈的湍流流动，其中标准κ-ε湍流模型能够满足燃烧反应的使用，并且效果比较好，计算精度较高，所以采用标准κ-ε湍流模型进行计算，一般方程式如下：

(6)

式中：φ为入湍动能(κ,m2/s2)或湍流耗散率(ε,m2/s3)；Γφ为对应量湍流扩散系数，m2/s；Sφ为对应量源项，kg/(m·s3)或kg/(m·s4)；J为对应坐标轴，J=1,2,3。

(4)燃烧模型

低热值高炉煤气的燃烧是多组分、多步反应过程，根据前述同轴射流强湍流的特点，一般采用涡耗散模型(简称ED模型)。其中，反应 中物质 的产生速率 由下面两个表达式中比较小的一个给出。

(7)

(8)

2 高炉煤气扩散燃烧特性分析

2.1 数值模拟结果验证

依据前述数学模型，通过对水冷系统绝热炉膛的网格化处理后，本研究选择二阶迎风格式压力求解器对各个方程进行求解。

因为二阶迎风格式可以获取泰勒展开式的第二项，精度更高，能够有利于方程求解收敛。本数值模拟采用残差参数的绝对收敛准则，当能量方程小于10-6并且其他方程小于10-4时，则认为求解方程是收敛的。图2所示为300 K的空气与低质燃气在回转型炉膛内扩散燃烧试验测得的炉膛中轴线处烟气温度[16]与数值模拟收敛后得到的轴向温度变化曲线对比图。图示表明，两者的轴向温度均先迅速上升后逐渐下降。但两者燃气中氢含量不同，并且初始温度和入口直径不同，使得燃烧热值和温度峰值存在差异性，但轴向温度变化趋势是相同的，所以认为模拟结果是正确可靠的。

图2 炉膛轴向烟气温度分布

2.2 高炉煤气的可燃性分析

图3所示是在不同空气预热温度下的高炉煤气炉内扩散燃烧时的烟气温度分布等值线图。图示结果表明，高炉煤气与预热空气在炉内扩散燃烧形成的同轴扩散气流的温度分布随着空气预热温度的升高，烟气高温区域明显缩小，并不断向高炉煤气喷口等速核心区聚集。

烟气温度随着空气预热温度的升高沿轴向下降得更快。这说明，更高的空气预热温度能够有效地促进化学反应活性较差的CO参与燃烧反应，同时CO化学反应速度也得到有效提高。图3还表明，随着空气预热温度的升高，燃烧器出口区域烟气的温度也发生显著的变化。较低的预热温度下，高炉煤气的着火明显延迟，这使得靠近燃烧器喷口处的气流温度较低，并导致与后期高温气流之间因温差的作用形成回流。空气预热温度越低，这种作用越明显。当空气预热温度升高到450 K时，这种回流作用则已经显著减弱。这是因为较高的空气预热温度对着火和燃烧反应速率都有较大的促进作用，使得燃烧器出口处主气流的温度上升迅速，即会产生较大的温度梯度，减弱了后期气流的回流效应。由此可见，提高空气预热温度能够有效促进高炉煤气中CO的燃烧。

图3 不同预热空气温度下的炉内烟气温度分布图

图4为高炉煤气炉内扩散燃烧时的各处烟气焓值分布情况，其中图4(a)为烟气在轴向的焓值分布情况。由图4(a)可知，轴向烟气的焓值均沿着烟气流动方向开始迅速增加，然后体现出不同的变化趋势。空气温度为300 K时，轴向烟气的焓值进一步增大，并在0.35 m处达到最大之后开始下降；空气温度为400 K时的烟气则沿流动方向平缓变化；其他更高的空气预热温度下，烟气焓值则开始减少，并随着空气温度升高烟气焓值下降得更加迅速。这表明在炉膛中心轴线上，空气预热温度提高后，有利于可燃成分尤其是CO在更优的混合条件下进行燃烧；空气不预热或较低的预热温度，则难以在同样混合条件下使得CO充分燃烧，而只能通过尾部燃烧的方式来促进CO的更进一步燃尽。

图4 不同空气预热温度下的炉内烟气热焓分布

图4(b)为不同空气预热温度的热力作用下高炉煤气扩散气流炉内燃烧烟气在不同断面处的焓值极小值分布情况。由该图示可知，在距离燃烧器气流出口0.1 m的断面处，烟气焓值极小值随空气预热温度的升高而增大，但变化趋势很平缓。而到了x=0.2 m的断面处，烟气焓值极小值已经随空气预热温度的升高而降低了，但在预热温度达到450 K以上时的烟气焓值极小值有所增加。

图4(c)为不同空气预热温度的热力作用下高炉煤气扩散气流炉内燃烧烟气在不同断面处的焓值极大值分布情况。由该图示可知，在x=0.2 m以前的各截面处，烟气焓值极大值都随空气预热温度的升高而不断增加，而且在距离燃烧器气流出口0.1～0.2 m的范围内，该极大值均迅速增加。但在距离燃烧器出口0.3 m及更远的区域，烟气焓值的极大值则已经开始随空气预热温度的升高而下降了。由此可见，空气预热温度不仅可以改变高炉煤气的着火和燃烧速率，而且还能改变扩散燃烧反应的主区间范围。即空气预热温度升高后，高炉煤气的大量可燃成分将更多地聚集在距离燃烧器气流出口0.1～0.2 m的范围内得以燃烧。这有利于缩短低热值难以着火的高炉煤气的燃烧行程，有利于燃烧装置结构的优化及高炉煤气的回收利用。

2.3 高炉煤气的燃尽性分析

图5为不同空气预热温度下高炉煤气炉内扩散燃烧时的可燃成分轴向转化率。由图示可知，高炉煤气中的三种可燃成分的轴向燃烧转化率开始都迅速增大，然后逐渐趋缓或趋平。

图5(a)所示的H2在不同预热温度下燃烧时的轴向转化率中，其前期轴向燃烧转化率受空气预热温度的影响不大，对应转化率曲线基本上重叠在一起。到了后期，不同空气预热工况下的转化率曲线也都已经趋于平整，说明可燃成分H2的燃烧在轴向已经处于化学反应的平衡状态。该图也表明，随着预热温度的升高，处于平衡态的H2的转化率要更低。

图5(b)和(c)的可燃成分转化率也随着空气预热温度而降低。这也与高温下各成分的活性更大而导致转化率降低有关。图5(b)所示的CH4燃烧转化率随着空气预热温度的升高在距离燃烧器气流出口0.2 m处，开始出现不同的变化趋势。空气温度为300 K时的高炉煤气气流的CH4转化率进一步快速，直到x=0.26 m的位置处，转化率的变化趋势趋缓但始终保持增加，直到炉膛出口已经接近100%。这说明此时轴向的CH4已基本反应完全。其他空气预热温度下的CH4转化率则在x=0.35 m处出现转折，并成水平不变的状态。这说明预热温度对CH4的燃尽性影响较大。

图5(c)所示的CO燃烧转化率在x=0.3 m以前的炉内燃烧区域与CH4较为类似。在x=0.35 m以后的炉内燃烧区段，其转化率则与H2的转化率较为一致，基本上为水平直线。但H2转化率的平直段出现的位置在更靠近燃烧器气流出口的x=0.3 m处。由此可见，在空气预热作用下，高炉煤气中的可燃成分在轴向的燃尽性能都有所下降，其中CH4的燃尽性能下降最为显著。这主要是由于在等功率的换热条件下，空气的预热增加了入炉热量的投入，并导致燃料消耗量减小。但CH4的燃尽率下降的更大，则说明此时热力条件更有利于促进更高浓度的CO燃尽。

图5 不同空气预热温度下可燃成分轴向燃烧转化率

3 结论

本研究基于低热值高炉煤气回收需求量大，CO含量高且更难以燃尽的特性，采用ANSYS软件进行数值模拟，以κ-ε双方程湍流模型为基础，结合扩散燃烧火焰特点，研究了空气预热温度的热力作用对低热值高炉煤气扩散燃烧特性影响。数值模拟结果与试验结果一致，较好地反映了炉内高炉煤气扩散燃烧的特点。具体结论如下。

(1)更高的空气预热温度能够有效地促进化学反应活性较差的CO参与燃烧反应，同时CO化学反应速度也得到有效提高，对着火和燃烧反应速率都有较大的促进作用，有效促进了高炉煤气中的CO的燃烧。

(2)空气预热温度不仅可以改变高炉煤气的着火和燃烧速率，而且还能改变扩散燃烧反应的主区间范围。即空气预热温度升高后，高炉煤气的大量可燃成分将更多地聚集在距离燃烧器气流出口0.1～0.2 m的范围内得以燃烧。这有利于缩短低热值难以着火的高炉煤气的燃烧行程，有利于燃烧装置结构的优化及高炉煤气的回收利用。

(3)在空气预热作用下，高炉煤气中的可燃成分在轴向的燃尽性能都有所下降，其中CH4的燃尽性能下降最为显著。CO燃烧转化率在x=0.3 m以前的炉内燃烧区域与CH4较为类似，在x=0.4 m以后的炉内燃烧区段，其转化率则与H2的转化率较为一致，基本上为平直没有变化，但H2转化率的平直段出现的位置在更靠近燃烧器气流出口的x=0.3 m处。