助燃空气O2浓度对熔铝炉内温度分布及NOx生成量影响

董龙标 刘慧敏 朱光羽 李 旺 刘效洲

(1 中山市智明节能环保科技有限公司，2 广州高澜节能技术股份有限公司，3 广东工业大学)

面对日益严重的环境污染和能源短缺等问题，人们期望通过新型的燃烧方式来实现节能减排。烟气再循环技术是指将燃烧过程中产生的烟气与助燃空气混合，形成低氧空气后再参与燃烧过程的一种节能技术[1]。该技术可以在炉膛内形成高温低氧的燃烧环境，在确保稳定燃烧的同时有效降低NOx生成量，提高燃烧设备的热效率。因此，在工业燃烧器[2]、锅炉[3]、燃气轮机[4]和内燃机[5]等领域广泛应用。

对于熔铝炉这类大型热工设备，一方面由于热工设备尺寸大、结构复杂、燃烧过程影响因素众多，无法准确、快速地提供热态实验操作参数；另一方面，热态实验工况较多，现场热态实验的时间和资金成本巨大。随着计算机技术和商业软件的不断发展，CFD技术逐渐出现在研究人员的视野中。CFD技术可以在无需做热态实验的情况下快速模拟实际燃烧工况，帮助研究人员解决复杂的流动、燃烧等问题。因此，文章研究利用数值计算软件，模拟天然气在熔铝炉内燃烧过程，分析了助燃空气O2浓度对炉内温度分布及NOx生成量的影响，为实际工程设计提供一定的参考依据。

1 熔铝炉的数值模拟工况确定

1.1 网格划分

熔铝炉的烟气再循环系统主要包括回流管、混合室和扩散段。为了方便模拟，燃烧系统简化为长5.5 m、宽4 m、高2 m的长方体，位于中间的管道是燃气喷管，后部为炉膛及烟道部分，如图1所示。

图1 燃烧系统简化模型

三维几何模型建立完成后，利用ANSYS Meshing软件对几何模型进行了网格划分。为了分析局部流动特性，在局部速度较大的区域进行网格加密化处理，精确捕捉网格加密处的流动特性，从而获得更精确的计算结果。

1.2 模型建立

文章以采用天然气为燃料的熔铝炉作为模拟对象。助燃空气经过热交换器后被加热成为高温空气，通过空气喷嘴喷出，射流速度极大，使得尾部产生负压。负压产生的抽吸力将尾部排烟管排出的烟气抽入回流管道，与助燃空气进行混合后再进入炉膛助燃。

天然气在熔铝炉内燃烧属于扩散燃烧，因此采用基于概率密度函数(PDF)的燃烧模型、标准两级湍流模型模拟炉膛内流动和传热特性；DO模型适用于半透明介质和灰体辐射，并且能够考虑粒子的影响，更适合熔铝炉的燃烧工况，因此辐射模型方面采用离散辐射(DO)模型；NOx的生成机理有热力型、燃料型和快速型。快速型NOx生成量较少，燃料型NOx与燃料本身的含氮量关联较大，由于炉燃料为天然气，其氮元素含量较少，所以NOx的生成只考虑了热力型NOx，其生成机理采用扩展的Zeldovich模型。

边界条件方面，空气和燃料入口条件设定为速度型入口，燃烧室出口条件设定为压力出口。炉膛壁面的边界条件定义为无滑移壁面。温度限制条件为：燃烧器壁和炉膛壁面设置为绝热条件，即q=0 W/m2，炉膛底部区域定义为铝材质，用于模拟铝熔炼过程的温度变化。

1.3 模拟工况

影响NOx生成量的主要因素是助燃空气温度及 O2含量。根据以往的设计经验，助燃空气的O2含量分别设置为 21%、18%和15%。在低氧情况下，为保证燃料能够稳定燃烧，助燃空气温度取为1 273 K。燃料为甲烷，体积流量为380 m3/h，燃料喷口管径为 80 mm，燃料入口温度为300 K，流速为20.99 m/s，空气系数为1.05。

在不同O2浓度下，通过计算可以得出助燃空气进口速度，如表1所示。

表1 不同O2浓度下的空气入口速度 m/s

2 数值模拟结果及分析

2.1 温度场分析

为方便分析温度场，取熔铝炉出口处的截面为研究对象。当助燃空气温度为1 273 K时，O2浓度分别为21%、18%、15%工况下，随着助燃空气中的O2含量不断下降，炉内整体温度逐渐下降，最高温度显著下降，高温区域面积也相应减小，说明降低O2含量能有效地降低炉膛平均温度。定义炉内温差：T=Tmax-Tave(即最高温度和平均温度之间的差异)，炉膛内具体温差分析见表2。

表2 炉内温差 K

从表2可以看出，随着O2浓度降低，炉内温差呈下降趋势。需要指出的是，烟气再循环率和O2浓度有紧密的关系，随着烟气再循环率增加，O2浓度呈下降趋势。助燃空气中的O2浓度约为21%，而烟气中的O2浓度约为6%(蓄热式燃烧方式的燃烧效率较高)。可以推算，当烟气再循环率达到40%时，即40%的烟气被掺入助燃空气中，助燃空气中的O2浓度为：21%×60%+6%×40%=15%。由于助燃空气温度一般被预热到1 000 ℃(1 273 K)，根据现场运行经验，在此温度下，当O2浓度低于15%时燃烧不稳定。考虑到实际应用中烟气再循环率不宜过大(最大不超过40%)，因此推荐助燃空气中O2浓度不低于15%。

2.2 NOx浓度场分析

同样选取熔铝炉出口截面，当助燃空气温度为1 273 K时，O2浓度分别为21%、18%、15%工况下，炉膛内NOx浓度随助燃空气中O2浓度的下降而急剧下降。为细化分析，炉膛内的NOx浓度具体分析见表3。

表3 NOx生成量 10-6

热力型NOx的产生量与燃烧温度、空气系数以及炉膛停留时间等因素密切相关。为确保熔铝炉内的燃烧工况稳定，必须保证助燃空气温度足够高；同时高温助燃空气形成的高速射流可以卷吸炉膛内大量的高温烟气，使氧气均匀分布在炉膛内，形成高温低氧的弥散燃烧环境，有效消除了局部高温区的存在。从而使火焰温度场的分布更加均匀，进一步降低了NOx生成量。所以采用较高的助燃空气温度和较低的助燃空气的氧浓度(通过烟气再循环实现)是实现低NOx排放的必要条件。而且NOx生成量对应的预热空气温度和O2浓度有一个最佳临界值：当助燃空气为1 273 K时，其O2含量为15%时，NOx生成量最小，为520×10-6。

3 结论

应用高温烟气再循环技术，采用数值模拟方法，研究了助燃空气中O2浓度对熔铝炉内温度分布及NOx生成量的影响，得出：

(1)随着烟气再循环率的增加，助燃空气中的O2含量逐渐降低，炉内温差也相应减小，炉膛温度均匀性得到改善。但是考虑到实际应用中烟气再循环率不宜过大(最大不超过40%)，因为烟气再循环率过大导致燃烧不稳定，因此推荐助燃空气中O2浓度不低于15%。

(2)随着助燃空气中O2浓度的下降，NOx排放量呈递减趋势。

(3)该熔铝炉的最佳运行参数为：预热空气温度为1 273 K，助燃空气的O2含量为15%。此时NOx生成量最小，为520×10-6。