Abstract：A flameless oxidation burner with inclined nozzles is proposed.  Six air nozzles and six fuel nozzles are evenly and alternatively arranged in a circle，and the fuel nozzles are inclined outwards to the burner axis. The velocities，temperatures and nitrogen oxides emissions in the combustion area and its nearby area of the burner are studied by numerical simulation. The burner has low burning temperature and low formation rate of nitrogen oxides due to its strong air entrainment capacity，even mixing of air and fuel and even combustion.

Key words：flameless oxidation burner；low emission of nitrogen oxides；    numerical simulation；  moderate combustion  

1概述

在天然氣燃燒過程中，一方面，希望有更高的燃燒溫度和空氣預熱溫度以節(jié)約能源，另一方面，更高的燃燒溫度將導致N0_x排放的迅速增加。例如，在玻璃融化爐中，空氣預熱溫度高達1 350 ℃，燃燒過程溫度在1 600 ℃以上時，熱力N0_x的生成量迅速上升^[1]。

為了解決能量節(jié)約和N0_x排放的矛盾，如空氣分級燃燒、再燃等降低N0_x的技術已被提出^[2-6]。然而，當預熱空氣溫度很高，同時沒有采用高費用的復雜控制技術，采用這些技術并不能滿足排放要求。采用廢氣再循環(huán)是抑制N0_x排放的有效方法，這只要通過燃燒器的合理設計就能獲得，文獻[7]、[8]提出了幾種類型的燃燒器。Wünning提出了稱為無焰氧化的新燃燒技術^[9]，為能量節(jié)約和N0_x排放矛盾的解決提供了良好的方法。

無焰氧化可通過特殊的流動和溫度條件獲得?；鹧娣€(wěn)定的先決條件是流動和火焰速度問的平衡，這個準則依賴于物種濃度、流動速度、壓力和其他一些參數(shù)。旋流和鈍體常被用來產(chǎn)生流動低速區(qū)，以穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生的火焰。物種濃度也起著重要的作用，廢氣再循環(huán)可以改變混合物中的物種濃度。當再循環(huán)率小于0.4時，碳氫化合物和空氣就可成為可燃混合物。Wünning發(fā)現(xiàn)當爐溫超過800 K時，對于高得多的再循環(huán)率也可形成穩(wěn)定的燃燒，而且在理想條件下，燃燒時幾乎無火焰和聲音發(fā)出，因此稱為無焰氧化，也有文獻稱這種燃燒方式為溫和燃燒^[10]。

最早的無焰氧化燃燒器由位于中心的燃料口和環(huán)繞中心的多個氧化劑口組成。為了進一步降低N0_x的排放，Nakmachi等^[9]互換了燃料口和氧化劑口位置，即燃燒器由位于中心的氧化劑口和環(huán)繞中心布置的燃料口組成。與傳統(tǒng)的在軸線上有單個燃料口的無焰氧化燃燒相比，使用這種燃燒器的內部廢氣再循環(huán)與N0_x排放量降低了一個數(shù)量級^[7,11]，然而，尚未有文獻對這種燃燒器的性能進行過廣泛系統(tǒng)的研究。本文通過數(shù)值模擬詳細研究了燃料口與燃燒器軸心線向外成一定傾角時的燃燒區(qū)域及附近區(qū)域的流動、溫度特性。

2研究的燃燒器結構及參數(shù)

研究的燃燒器在圓周上均勻地交叉布置6個空氣噴口和6個燃料噴口，燃料噴口與燃燒器軸線向外成一定傾角。模擬的爐子尺寸(長×寬×高)為3 m×l m×l m，燃燒器位于l m×l m這一側面的中心。爐溫為1 200 K，空氣預熱溫度為900 K，燃燒器功率為l20 kW。燃燒器燃料口與空氣口的傾斜角度對燃燒區(qū)域的流動、傳熱傳質和化學反應會產(chǎn)生重要影響，傾斜角太小，燃料和空氣在燃燒區(qū)域較集中，燃燒時將產(chǎn)生較高的溫度，對降低N0_x排放不利；傾斜角太大，燃料稀薄，燃燒會不穩(wěn)定。經(jīng)綜合考慮，選用20°的傾斜角。燃燒器的平面結構見圖1，結構參數(shù)見表1。

3控制方程和求解過程

①通用控制方程

與火焰燃燒一樣，天然氣的無焰氧化包含湍流流動，本文采用標準的可壓縮k-ε模型。穩(wěn)態(tài)形式的動量、能量和物種輸運方程可寫成以下通用形式：

式中ρ——密度，kg／m³

    u——速度，m／s

    Ф——通用變量，表示相應的時均變量

    D_Ф——擴散系數(shù)，m²／s

    S_Ф——通用方程源項

②化學反應模型

天然氣的成分主要是甲烷，燃燒時采用單步的Arrhenius方法：

  CH₄+0₂→C0₂+H₂0

對于非預混燃燒，可以采用渦粘模型(EDM)或PDF模擬方法。PDF模擬方法能以非常嚴格的方式考慮中間產(chǎn)物的牛成、離解的影響以及湍流和化學反應問的耦合。但是使用該方法的前提之一是流動必須是不可壓縮和湍流流動。渦粘模型則直接求解物種的輸運方程，得到反應物和產(chǎn)物濃度等參數(shù)。反應速率作為物種輸運方程的源項，通過基于Magnussen和Hjertager ^[12]的研究為基礎的渦粘概念而被計算。即反應速率通過比較由渦粘模型給出的混合速率和由化學動力學為基礎的速率來確定，兩者較小者為決定速率。渦粘模型的缺點是當反應物、產(chǎn)物較多時，其汁算量太大，難以接受。由于天然氣成分單一，反應物和生產(chǎn)物都較少，因此本研究采用渦粘模型，反應速率由以下兩式中的較小者確定：

式中i——組分，CH₄、0₂、H₂O或C0₂

    R——反應速率，mol／(mol·s)

    η——黏度，Pa·s

    M——摩爾質量，kg／mol

    A——經(jīng)驗常數(shù)，為4.0

    ε——湍流耗散率，m²／s³

    κ——湍動能，m²／s²

    ω——組分的質量分數(shù)

     B——經(jīng)驗常數(shù)，為0.5

在燃燒過程中有3種氮氧化物生成：瞬時N0_x、燃料N0_x和熱力N0_x。對于天然氣這種清潔燃料的燃燒，熱力N0_x生成是主要的。熱力N0_x生成有3個主要反應：

采用準穩(wěn)態(tài)和部分平衡假設^[13]，N0_x生成率

式中 m——生成的質量，kg

     t——時間，s

    k₁，k₂，k₃——前向反應速率常數(shù)

    k_-1，k_-2——逆向速率常數(shù)^[11]

③輻射傳熱方程

求解空間任何一點r和任何方向s上的輻射換

式中 I——輻射強度，W／m²

     r——位置矢量

     s——方向矢量

     a——吸收系數(shù)，m^-1

    σ_s——散射系數(shù)，m^-1

    n——折射系數(shù)

    σ——斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，W／(m²·K⁴)，5.671×10^-8 W／(m²·K⁴)

s＇——散射方向矢量

?——相函數(shù)

Ω＇——立體角，sr

④求解過程

數(shù)值求解的精度與網(wǎng)格的類型和密度緊密相關。本研究中燃料口和空氣口的尺寸與整個爐膛的尺寸相比很小，由于在燃燒器內同時進行著流動、傳熱和化學反應，因此在此附近區(qū)域的熱力參數(shù)變化激烈，此區(qū)域的網(wǎng)格必須有更小的尺寸以適應參量的劇烈變化。圖2為主流方向某個面上燃燒器附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分。

對通用方程的離散采用二階混合差分格式，速度和壓力的耦合使用著名的SIMPLEC方法^[14]。輻射方程采用DTM方法求解，在通用方程迭代l0次后，該方程迭代1次，以節(jié)省計算時間。

4結果與討論

①速度分布

圖3顯示了該燃燒器在流動方向上的速度變化。圖中2表示沿燃燒器軸心線方向，即燃料和空氣從燃燒器中噴出的主流動方向，z=0為燃燒器表面。由圖3可知，在z=100 mm之前，燃燒器的燃料射流和空氣射流能保持相對獨立的結構，然而沿流動方向繼續(xù)向前，燃料射流被卷吸進入空氣射流之中，同時空氣射流核心的最大速度也從z=10 mm處的100 m／s降低到z=400 mm處的25 m／s，弱射流被周圍的強射流卷吸的結果可南文獻[11]的分析解所證實。當射流卷吸附近的氣流時，較高的速度朝空氣和燃料射流環(huán)的內側擴展，射流環(huán)內部的氣流速度從z=10 mm(1處的0～1 m／s增加到z=200mm處的4～5 m／s。另一方面，與空氣射流環(huán)內部的氣體流動一樣，射流環(huán)外側的氣流速度也隨流動方向增加。燃料射流環(huán)在z=400 mm左右消失。

②溫度分析

圖4給出了帶噴口角無焰氧化燃燒器溫度沿燃燒器軸線方向的變化情況。從圖4a可看出，燃燒器區(qū)域的最高溫度1 700 K位于空氣射流的某個半徑處，這表示空氣射流卷吸其附近的天然氣和燃燒產(chǎn)物使氧化劑、燃料和產(chǎn)物的比例在該空氣射流半徑處達到最佳的狀態(tài)。燃燒首先在那里發(fā)生，朝空氣射流中心的周圍擴散。當流動進一步向下游推進時，燃燒強度進一步增加，溫度逐漸上升，最高溫度大約出現(xiàn)在z=100 mm處。在z=100mm之后，由于燃料大部分被燃燒，溫度又開始逐漸降低，并且由于混合更充分，溫度也變得更均勻。另外，由于噴嘴沿軸心具有向外的傾角，沿著軸線方向射流問的間隔也變得越大(即從射流整體運動來看，它像一個圓錐擴展運動，因此沿著石方向，即圓錐軸線方向，在圓錐橫截面上的各分射流間隔越來越大)，在空氣射流和燃料射流混合之前，它們更充分地被燃燒產(chǎn)物所稀釋，燃燒區(qū)域更大，因此最高溫度也較低。

5結論

①在射流進入爐膛后，弱燃料射流在沿著軸線方向上會被強空氣射流逐漸卷吸，最后合并在一起形成整體流動。

②由于具有噴口角，無焰氧化燃燒器具有更大的燃燒區(qū)域、更均勻的溫度和較低的燃燒溫度，因而燃燒生成的氮氧化物含量低。

③盡管數(shù)值模擬方法的可靠性已得到廣泛驗證，但從嚴謹性考慮，對本次數(shù)值模擬得出的結論，我們將在日后的實驗中進一步驗證。

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本文作者：李廣民   翟敬波

作者單位：中國地質大學(武漢)經(jīng)濟管理學院 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司