D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.12.022 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 夏德宏薛根山尚迎春 北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京100083 摘要在分析了工业中几种低氧燃烧方式的基础上，将收缩一扩张结构用于燃烧器空气通道，开发出了烟气自循环式低氧 燃烧器，同时借助FLUENT软件对燃烧器进行了大量数值模拟研究·结果表明：喉部的负压是烟气卷吸的驱动力，烟气卷吸 量随喉部面积的缩小而急剧增多：随着烟气卷吸量的增多，炉膛中氧含量越来越低，火焰高温区向燃烧器偏移，火焰逐渐变 短.最后，将烟气自循环式低氧燃烧器用于熔化保温炉进行了实践，取得了预期的效果 关键词低氧燃烧：燃烧器：烟气卷吸：数值模拟 分类号TF066.1:TP391.9 Numerical simulation of a low oxygen burner with self-circulation of flue gas XIA De-hong.XUE Gen-shan,SHA NG Ying"chun Department of Thermal Engineering.School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the analysis of some kinds of low oxygen combustion.a low oxygen burner with self-circulation of flue gas was developed with contracted/dilated air channels.The Fluent software was used for numerical simulation of the burner.The results show that the negative pressure at the throat is the driving force of fume entrainment,and the volume of fume entrainment increases dramatically with the decrease of throat area.Because of the increase of fume entrainment,the oxygen concentration in the furnace decreases,the high-temperature zone of the flame moves to the burner,and the length of the flame also becomes short.At last,the low oxygen burner with self-circulation of flue gas was applied to a melting holding furnace.and the anticipated effect was achieved. KEY WORDS low oxygen combustion:burner:gas entrainment:numerical simulation 低氧燃烧是高温空气燃烧技术的核心内容之 往只是和射流边界上的部分空气进行混合，实际大 一，具有火焰体积成倍扩大、火焰温度场分布均匀、 部分燃烧区域氧浓度依然很高，并不能很好地实现 低NO.排放等显著优点[四.由燃烧理论可知，当采 低氧燃烧，④烟气再循环，即利用炉外排烟来稀 用较高温度的助燃空气时，稳定燃烧所需的氧浓度 释空气中氧浓度，由于风机不能承受高温，导致 较低)，因此实现低氧燃烧的前提是必须先将助燃 蓄热体用量增多和管路复杂，只适合在小型炉窑上 空气预热到较高的温度， 利用，为了能更好地实现低氧燃烧技术，最好能开 工业中为实现低氧燃烧，常用的措施有：①低 发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧 空气过剩系数，燃烧区域的氧浓度依旧很高，而且潜 含量的燃烧器 力有限[，②二次供风，避免了高温区集中，NOx 的排放浓度显著降低可]，但整个炉膛中氧浓度和 1烟气自循环式低氧燃烧器的开发 常规燃烧差不多，并且这种燃烧器体积庞大，成本较 为了克服以上一些低氧燃烧技术的缺点，本文 高，③高速射流采用高速烧嘴，使炉内大量燃烧产 考虑采用烧嘴砖来组织炉内烟气的回流，使助燃空 物回流，稀释燃烧区的氧浓度，在保证高的喷出速 气在烧嘴砖中就和烟气充分混合，为此提出将收 度时极难兼顾烟气的顺利排出，而且卷吸的烟气往 缩扩张结构用于燃烧器的空气通道，开发出了烟 收稿日期：2009-02-25 作者简介：夏德宏(I963-）,男，教授，Emal:xia@me.ustb-edu-cn
烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 夏德宏 薛根山 尚迎春 北京科技大学机械工程学院热能工程系北京100083 摘 要 在分析了工业中几种低氧燃烧方式的基础上将收缩－扩张结构用于燃烧器空气通道开发出了烟气自循环式低氧 燃烧器同时借助 FLUENT 软件对燃烧器进行了大量数值模拟研究．结果表明：喉部的负压是烟气卷吸的驱动力烟气卷吸 量随喉部面积的缩小而急剧增多；随着烟气卷吸量的增多炉膛中氧含量越来越低火焰高温区向燃烧器偏移火焰逐渐变 短．最后将烟气自循环式低氧燃烧器用于熔化保温炉进行了实践取得了预期的效果． 关键词 低氧燃烧；燃烧器；烟气卷吸；数值模拟 分类号 TF066∙1；TP391∙9 Numerical simulation of a low oxygen burner with self-circulation of flue gas XIA De-hongXUE Gen-shanSHA NG Y ing-chun Department of Thermal EngineeringSchool of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Based on the analysis of some kinds of low oxygen combustiona low oxygen burner with self-circulation of flue gas was developed with contracted／dilated air channels．T he Fluent software was used for numerical simulation of the burner．T he results show that the negative pressure at the throat is the driving force of fume entrainmentand the volume of fume entrainment increases dramatically with the decrease of throat area．Because of the increase of fume entrainmentthe oxygen concentration in the furnace decreasesthe high-temperature zone of the flame moves to the burnerand the length of the flame also becomes short．At lastthe low oxygen burner with self-circulation of flue gas was applied to a melting holding furnaceand the anticipated effect was achieved． KEY WORDS low oxygen combustion；burner；gas entrainment；numerical simulation 收稿日期：2009-02-25 作者简介：夏德宏（1963－） 男教授E-mail：xia＠me．ustb．edu．cn 低氧燃烧是高温空气燃烧技术的核心内容之 一具有火焰体积成倍扩大、火焰温度场分布均匀、 低 NOx 排放等显著优点［1］．由燃烧理论可知当采 用较高温度的助燃空气时稳定燃烧所需的氧浓度 较低［2］因此实现低氧燃烧的前提是必须先将助燃 空气预热到较高的温度． 工业中为实现低氧燃烧常用的措施有：① 低 空气过剩系数燃烧区域的氧浓度依旧很高而且潜 力有限［3］．② 二次供风避免了高温区集中NOx 的排放浓度显著降低［4－5］但整个炉膛中氧浓度和 常规燃烧差不多并且这种燃烧器体积庞大成本较 高．③ 高速射流采用高速烧嘴使炉内大量燃烧产 物回流稀释燃烧区的氧浓度．在保证高的喷出速 度时极难兼顾烟气的顺利排出而且卷吸的烟气往 往只是和射流边界上的部分空气进行混合实际大 部分燃烧区域氧浓度依然很高并不能很好地实现 低氧燃烧［6］．④ 烟气再循环即利用炉外排烟来稀 释空气中氧浓度［7］由于风机不能承受高温导致 蓄热体用量增多和管路复杂只适合在小型炉窑上 利用．为了能更好地实现低氧燃烧技术最好能开 发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧 含量的燃烧器． 1 烟气自循环式低氧燃烧器的开发 为了克服以上一些低氧燃烧技术的缺点本文 考虑采用烧嘴砖来组织炉内烟气的回流使助燃空 气在烧嘴砖中就和烟气充分混合为此提出将收 缩－扩张结构用于燃烧器的空气通道开发出了烟 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．022
第12期 夏德宏等：烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 ,1617. 气自循环式低氧燃烧器，如图1所示 k方程： ak +G一e. E方程： 式中，k为湍流脉动动能；e为湍流动能耗散率；Gk 1一煤气通道；2一空气通道；3一烧嘴砖；4一炉墙：5一煤气喷头 为湍流动能产生项；、。分别为k和e的湍流普朗 图1烟气自循环式低氧燃烧器原理图 Fig.1 Schematic diagram of a low oxygen burner with self-circula- 克常量，04=1.0，=1.3；c1、c2和cm为常数，c1= tion of flue gas 1.44,c2=1.92;4=cm%2/e,其中c=0.09. (2)燃烧模型一PDF模型.守恒标量的PDF 由伯努力方程可知，在位势能不变的情况下，动 模型仅适用于扩散燃烧问题，该方法假定了反应是 能和压力能互相转化，所以空气经过缩放通道的喉 受混合速率控制，即反应已达到化学平衡状态，每个 部时压力能向动能转化，在此形成负压区，由于喉 单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合 部有一个侧通道与炉膛连通，因此当助燃空气通过 强度所控制，该方法通过求解混合物分数及其方差 缩放通道喉部时能卷吸大量的烟气，这样可使喷嘴 的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组 喷出的压缩气体与其诱导的气流充分混合，保证助 分和能量的输运方程， 燃空气在燃烧之前就被稀释到较低的氧含量， (③)辐射换热模型一P一1模型.PH辐射模 2燃烧过程数值模拟 型是PV模型中最简单的类型，其出发点是把辐射 强度展开为正交的球谐函数， 2.1物理模型及网格划分 对于控制方程的离散采用有限体积法，该方法 物理模型如图2所示，选取炉膛大小为 使用三种不同的空间离散格式，即幂律格式、二阶迎 2000mm×2000mm×5000mm,燃烧器居中布置， 风格式和QUICK格式，压力和速度的耦合方式采 燃烧器对面为烟气出口.使用GAMBIT软件对上 用SIMPLE算法，该算法的初始的压力场和速度场 述模型进行网格划分，对于规则的炉膛采用结构化 是协调的，并且对压力场作欠松弛处理，迭代计算时 的六面体网格，以加快数值模拟计算的速度和精度， 比较容易得到收敛解. 对于不太规则的燃烧器，采用非结构化的网格，在网 2.3边界条件及计算工况 格导入FLUENT后需要光顺网格并交换单元面， 燃烧器空气和煤气进口都采用第1类边界条 以此改善网格的质量 件，即给定速度与温度：炉膛出口边界采用压力出口 条件；固体壁面设为绝热边界，没有热通量和质量通 燃烧器 量，壁面无滑移条件假定，壁面上速度为零 炉护膛中心线 本文模拟采用的计算工况如下：燃料为发生炉 煤气，热值为5500kJm-3,预热到300℃，空气预热 烟气出口 到700℃，煤气和空气的流量分别为100m3h-1和 1850m3h1.在不改变边界条件和计算工况的前 提下，本文模拟了四个喉部面积不同的燃烧器，其具 图2物理模型 体的计算参数如表1所示 Fig.2 Physical model 表1四个燃烧器的喉部面积 2.2数学模型及方程离散 Table 1 Throat area of four burners 本文模拟采用的数学模型如下 燃烧器 喉部面积/cm2 比例 (1)流动模型一双方程模型.双方程模型需 170 1 要求解湍动能及其耗散率方程，湍动能输运方程是 F 137 0.81 106 0.62 通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物 0 76 0.45 理推理、数学上模拟相似原形方程得到的]，该模 型假设流动为完全湍流，分子黏性的影响可以忽略 本文对四个不同喉部面积的燃烧器分别进行了
气自循环式低氧燃烧器如图1所示． 1—煤气通道；2—空气通道；3—烧嘴砖；4—炉墙；5—煤气喷头 图1 烟气自循环式低氧燃烧器原理图 Fig．1 Schematic diagram of a low oxygen burner with self-circulation of flue gas 由伯努力方程可知在位势能不变的情况下动 能和压力能互相转化所以空气经过缩放通道的喉 部时压力能向动能转化在此形成负压区．由于喉 部有一个侧通道与炉膛连通因此当助燃空气通过 缩放通道喉部时能卷吸大量的烟气这样可使喷嘴 喷出的压缩气体与其诱导的气流充分混合保证助 燃空气在燃烧之前就被稀释到较低的氧含量． 2 燃烧过程数值模拟 2∙1 物理模型及网格划分 物 理 模 型 如 图 2 所 示选 取 炉 膛 大 小 为 2000mm×2000mm×5000mm燃烧器居中布置 燃烧器对面为烟气出口．使用 GAMBIT 软件对上 述模型进行网格划分对于规则的炉膛采用结构化 的六面体网格以加快数值模拟计算的速度和精度 对于不太规则的燃烧器采用非结构化的网格在网 格导入 FLUENT 后需要光顺网格并交换单元面 以此改善网格的质量． 图2 物理模型 Fig．2 Physical model 2∙2 数学模型及方程离散 本文模拟采用的数学模型如下． （1） 流动模型———双方程模型．双方程模型需 要求解湍动能及其耗散率方程湍动能输运方程是 通过精确的方程推导得到但耗散率方程是通过物 理推理、数学上模拟相似原形方程得到的［8］．该模 型假设流动为完全湍流分子黏性的影响可以忽略． k 方程： ρ Dk D t ＝ ∂ ∂xj μ＋ μt σk ∂k ∂xj ＋ Gk－ρε． ε方程： ρ Dε D t ＝ ∂ ∂xj μ＋ μt σε ∂ε ∂xj ＋c1 ε k Gk－c2ρ ε2 k ． 式中k 为湍流脉动动能；ε为湍流动能耗散率；Gk 为湍流动能产生项；σk、σε分别为 k 和ε的湍流普朗 克常量σk＝1∙0σε＝1∙3；c1、c2 和 cμ 为常数c1＝ 1∙44c2＝1∙92；μt＝cμρk 2／ε其中 cμ＝0∙09． （2） 燃烧模型———PDF 模型．守恒标量的 PDF 模型仅适用于扩散燃烧问题该方法假定了反应是 受混合速率控制即反应已达到化学平衡状态每个 单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合 强度所控制．该方法通过求解混合物分数及其方差 的输运方程获得组分和温度场而不是直接求解组 分和能量的输运方程． （3） 辐射换热模型———P－1模型．P－l 辐射模 型是 P－N 模型中最简单的类型其出发点是把辐射 强度展开为正交的球谐函数． 对于控制方程的离散采用有限体积法该方法 使用三种不同的空间离散格式即幂律格式、二阶迎 风格式和 QUICK 格式．压力和速度的耦合方式采 用 SIMPLE 算法该算法的初始的压力场和速度场 是协调的并且对压力场作欠松弛处理迭代计算时 比较容易得到收敛解［9］． 2∙3 边界条件及计算工况 燃烧器空气和煤气进口都采用第1类边界条 件即给定速度与温度；炉膛出口边界采用压力出口 条件；固体壁面设为绝热边界没有热通量和质量通 量壁面无滑移条件假定壁面上速度为零． 本文模拟采用的计算工况如下：燃料为发生炉 煤气热值为5500kJ·m －3预热到300℃空气预热 到700℃煤气和空气的流量分别为100m 3·h －1和 1850m 3·h －1．在不改变边界条件和计算工况的前 提下本文模拟了四个喉部面积不同的燃烧器其具 体的计算参数如表1所示． 表1 四个燃烧器的喉部面积 Table1 Throat area of four burners 燃烧器 喉部面积／cm 2 比例 A 170 1 B 137 0∙81 C 106 0∙62 D 76 0∙45 本文对四个不同喉部面积的燃烧器分别进行了 第12期 夏德宏等： 烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 ·1617·
,1618 北京科技大学学报 第31卷 模拟计算，着重分析了氧含量、压力变化和温度分布 提高炉膛温度和燃烧稳定性等多方面的作用 几方面的燃烧特性， 2200 3燃烧状况对比分析 1800 ￥1400 3.1氧含量及压力的变化 则1000 本文通过FLUENT可以计算整个计算区域的 平均氧含量，四个燃烧器的卷吸量和平均氧含量如 600 表2所示.由表2中数据可以看出，随着喉部面积 209000 0100020003000 的缩小，烟气的卷吸量越来越大，炉膛中氧的平均体 距炉墙距离mm 积分数从4.14%降到1.67%.在实际的燃烧器设 图3沿炉膛中心线的温度变化情况 计过程中，可以通过设计合理的喉部面积来控制卷 Fig.3 Temperature change along the furnace's centerline 吸量，获得具有理想氧含量的助燃空气，实现氧含量 可控的低氧燃烧， 3.3火焰长度 图4为C0体积分数分布图，由于发生炉煤气 表2四个燃烧器的卷吸量及炉腔氧含量 中的主要成分为C0,C0燃尽的区域即为火焰的边 Table 2 Fume entrainment and oxygen concentration in the furnace of four burners 缘，因此可以由C0的体积分数分布来确定火焰的 长度.由上文可知，燃烧器A、B、C和D的卷吸量逐 卷吸量占 计算区域氧的 阻力 最低 燃烧器 空气比例/% 平均体积分数/%损失/Pa负压/Pa 渐增多，所以由图4可以看出，随着卷吸的烟气量增 A 18.1 4.14 344 -416 多，火焰长度逐渐变短，而文献的结论是低氧燃烧会 B 21.3 3.34 563 -625 使火焰体积膨胀、火焰加长，出现这种差异的最主 27.1 2.67 1020 -1100 要原因是变压卷吸式的低氧燃烧方式在冲淡氧含量 C D 33.7 1.67 1120 -2290 的同时还预热了空气，助燃空气中氧含量虽然降低， 但由于其温度升高，燃烧速度不但没有降低，反而加 四个燃烧器都在喉部形成了负压，炉膛中的相 快燃料的燃烧，因此随着烟气卷吸量的增多火焰长 对压力为0，通过该燃烧器后四个燃烧器的阻力损 度会逐渐变短 失和喉部负压如表2所示.可以看出：随着喉部面 030 积的变小，最低负压急剧降低，从这点可以看出，烟 025 气的卷吸量和喉部的负压成对应关系，喉部的负压 是烟气卷吸的驱动力；同时燃烧器的阻力损失也显 著增大，在燃烧器的设计过程中需要注意燃烧器的 压力损失要与嘴前空气压力合理配置，否则难以达 0.05 到合理的流动与燃烧 1000 0 10002000 3000 3.2温度的变化 距炉墙距离mm 由图3的沿炉膛中心线的温度变化曲线可以看 图4C0的体积分数沿炉膛中线的变化情况 出，随着卷吸量的增加，燃料能在温度更高和氧含量 Fig.4 CO volume content change along the furnace's centerline 更低的情况下燃烧，燃料进入炉膛后的燃烧速度加 快，火焰的高温区域逐渐靠近燃烧器，整个火焰的高 4烟气自循环式低氧燃烧器的应用 温区域越来越大，有利于整个炉膛的炉温均匀10]. 炉膛中的最高温度随着卷吸量的增大逐渐增大，炉 渐江某轮毂厂已对该烟气自循环式低氧燃烧器 膛中的平均温度也得到大幅度提高·在燃料供给不 进行了应用实践，应用现场布置如图5所示.根据 变的情况下，炉温升高，说明卷吸的烟气起到了高温 厂方的条件，燃料为冷净发生炉煤气，物料需要 余热的直接回收作用，本计算模型由于炉膛较小， 2.52×10kJh的热量，由两个燃烧器提供，保温 因此炉温的变化比较明显；在实际应用中，由于炉膛 区炉温为900℃，提温区为850℃，火焰的长度控制 较大，效果可能没有这么明显，但是从模拟计算的 在1m以内，但要求能灵活调节热负荷和火焰的 结果可以进一步证明烟气再循环起到了节约燃料、 长度
模拟计算着重分析了氧含量、压力变化和温度分布 几方面的燃烧特性． 3 燃烧状况对比分析 3∙1 氧含量及压力的变化 本文通过 FLUENT 可以计算整个计算区域的 平均氧含量．四个燃烧器的卷吸量和平均氧含量如 表2所示．由表2中数据可以看出随着喉部面积 的缩小烟气的卷吸量越来越大炉膛中氧的平均体 积分数从4∙14％降到1∙67％．在实际的燃烧器设 计过程中可以通过设计合理的喉部面积来控制卷 吸量获得具有理想氧含量的助燃空气实现氧含量 可控的低氧燃烧． 表2 四个燃烧器的卷吸量及炉膛氧含量 Table2 Fume entrainment and oxygen concentration in the furnace of four burners 燃烧器 卷吸量占 空气比例／％ 计算区域氧的 平均体积分数／％ 阻力 损失／Pa 最低 负压／Pa A 18∙1 4∙14 344 －416 B 21∙3 3∙34 563 －625 C 27∙1 2∙67 1020 －1100 D 33∙7 1∙67 1120 －2290 四个燃烧器都在喉部形成了负压炉膛中的相 对压力为0通过该燃烧器后四个燃烧器的阻力损 失和喉部负压如表2所示．可以看出：随着喉部面 积的变小最低负压急剧降低从这点可以看出烟 气的卷吸量和喉部的负压成对应关系喉部的负压 是烟气卷吸的驱动力；同时燃烧器的阻力损失也显 著增大在燃烧器的设计过程中需要注意燃烧器的 压力损失要与嘴前空气压力合理配置否则难以达 到合理的流动与燃烧． 3∙2 温度的变化 由图3的沿炉膛中心线的温度变化曲线可以看 出随着卷吸量的增加燃料能在温度更高和氧含量 更低的情况下燃烧燃料进入炉膛后的燃烧速度加 快火焰的高温区域逐渐靠近燃烧器整个火焰的高 温区域越来越大有利于整个炉膛的炉温均匀［10］． 炉膛中的最高温度随着卷吸量的增大逐渐增大炉 膛中的平均温度也得到大幅度提高．在燃料供给不 变的情况下炉温升高说明卷吸的烟气起到了高温 余热的直接回收作用．本计算模型由于炉膛较小 因此炉温的变化比较明显；在实际应用中由于炉膛 较大效果可能没有这么明显．但是从模拟计算的 结果可以进一步证明烟气再循环起到了节约燃料、 提高炉膛温度和燃烧稳定性等多方面的作用． 图3 沿炉膛中心线的温度变化情况 Fig．3 Temperature change along the furnace’s centerline 3∙3 火焰长度 图4为 CO 体积分数分布图．由于发生炉煤气 中的主要成分为 COCO 燃尽的区域即为火焰的边 缘因此可以由 CO 的体积分数分布来确定火焰的 长度．由上文可知燃烧器 A、B、C 和 D 的卷吸量逐 渐增多所以由图4可以看出随着卷吸的烟气量增 多火焰长度逐渐变短而文献的结论是低氧燃烧会 使火焰体积膨胀、火焰加长．出现这种差异的最主 要原因是变压卷吸式的低氧燃烧方式在冲淡氧含量 的同时还预热了空气助燃空气中氧含量虽然降低 但由于其温度升高燃烧速度不但没有降低反而加 快燃料的燃烧因此随着烟气卷吸量的增多火焰长 度会逐渐变短． 图4 CO 的体积分数沿炉膛中线的变化情况 Fig．4 CO volume content change along the furnace’s centerline 4 烟气自循环式低氧燃烧器的应用 浙江某轮毂厂已对该烟气自循环式低氧燃烧器 进行了应用实践．应用现场布置如图5所示．根据 厂方的条件燃料为冷净发生炉煤气物料需要 2∙52×106 kJ·h －1的热量由两个燃烧器提供保温 区炉温为900℃提温区为850℃火焰的长度控制 在1m 以内但要求能灵活调节热负荷和火焰的 长度． ·1618· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 夏德宏等：烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 ,1619 冷空气 气量将空气中氧的体积分数从22%降到17%左右 高温排烟口 热空气 该燃烧器稳定运行一个月后，根据现场实测的数据， 回收 热空气 采用该低氧燃烧器的保温炉和常规燃烧的保温炉的 低氧燃烧器 具体技术指标对比见表3， 由表3可以看出，采用烟气自循环式低氧燃烧 出液口 低氧燃烧器 器的保温炉燃烧条件得到改善，可以采用较小的空 保温区 提温区 气过剩系数以维持稳定的完全燃烧，减少了烟气量， 减少了炉子排烟带走的热损失，炉子燃料消耗量相 应也有所降低，热效率得到提高·同时由于低氧燃 图5应用现场示意图 Fig.5 Schematic of the application site 烧的实现，炉温的均匀性提高，局部高温区减少，氧 含量降低，使得氧化烧损大幅减少，带来了可观的经 由于现场空气的预热温度为500℃，因此为了 济效益，该低氧燃烧器的应用实践证明了其合理 保证燃烧的稳定性，通过控制喉部面积使卷吸的烟 性，值得深入研究并进一步推广· 表3两种燃绕方式下保温炉技术指标对比 Table 3 Comparison of the technical parameters of holding furnaces in two types of combustion 空气 排烟 单位产品热耗/ 改造后燃料 氧化 燃烧方式 热效率/% 过剩系数 温度/℃ (GJ--) 节约率/% 烧损/% 常规燃烧 1.2 230 1.3 61 2.3 低氧燃烧 1.05 200 1.13 0 13 1.5 [5]Wang Z M.The thermal energy engineering law of combustion in 5结论 the state of high temperature and low tense of oxygen and its en 低氧燃烧的实现对于工业炉窑至关重要，目前 larging application.Energy Metall Ind,2003.22(2):24 (王政民·高温低氧燃烧方法的热工规律和扩大应用。冶金能 采用的低氧燃烧技术都有较大的局限性，烟气自循 源，2003,22(2)：24) 环式低氧燃烧器的开发较好地克服了几种传统低氧 [6]Gao G Y,Yang B.Liu W C.et al.Application and predication of 燃烧方式的缺点，科学的分析和巧妙的设计，实现 high temperature air combustion//The Seventh National Indus- 了烟气自循环的低氧燃烧方式，同时，本文通过大 trial Furnoce Academie Symposium.Langhou.2006:329 (高广轶，杨冰，刘文超，等.高温空气燃烧技术的研究与应用 量的数值模拟，分析了喉部面积对低氧燃烧的影响 ∥第七届全国工业炉学术年会论文集.兰州，2006：329) 规律，为烟气自循环式低氧燃烧器的设计提供了理 [Peng H Y.Jiang S J.Zbou J M.Development and application of high 论依据， temperature air combustion technology.Ind Heat,004(3)4 (彭好义，蒋绍坚，周子民·高温空气燃烧技术的开发应用、技术 参考文献 优势及其展望.工业加热，2004(3)：4) [1]Li J,Li JS.The experimental study on regenerative heat transfer [8]Wang L J.Li A M.Li J H,et al.Numerical simulation of coupled in high temperature air combustion.J Therm Sci.2004,13(4): heat transfer in Hitac furnace.Chin J Comput Phys.2005,22 366 (1):77 [2]Ishii T.Zang C.Hino Y,et al.The numerical and experimental (王力军，李爱民，李继怀，等.高温空气燃烧炉内耦合传热的 study of non premixed combustion flames in regenerative fur- 数值模拟.计算物理，2005,22(1)：77) naces.J Heat Transfer,2000.122(2):287 [9]Xia D H.Zhang G.Guo L,et al.Flow effect on thermal process [3]Flamme M.Low NO,combustion technologies for high tempera- of magnesium reduction furnace.Unie Sci Technol Beijing. ture applications.Energy Coners Manage,2001,42(15):1919 2006,28(6):566 [4]Li H Y.Wang H.Performance compare analyses of high tempera- (夏德宏，张刚，郭梁，等.金属镁还原炉中烟气流动对传热过 ture air combustion and oxyboosted combustion technology.Ind 程的影响.北京科技大学学报，2006,28(6)：566) Hea,2003(5):9 [10]Gupta K.Thermal characteristics of gaseous fuel flames using (李洪宇，王华.低氧燃烧与富氧燃烧的性能比较分析·工业加 high temperature air.J Eng Gas Turbines Power,2004,126 热，2003(5)：9) (1):9
图5 应用现场示意图 Fig．5 Schematic of the application site 由于现场空气的预热温度为500℃因此为了 保证燃烧的稳定性通过控制喉部面积使卷吸的烟 气量将空气中氧的体积分数从22％降到17％左右． 该燃烧器稳定运行一个月后根据现场实测的数据 采用该低氧燃烧器的保温炉和常规燃烧的保温炉的 具体技术指标对比见表3． 由表3可以看出采用烟气自循环式低氧燃烧 器的保温炉燃烧条件得到改善可以采用较小的空 气过剩系数以维持稳定的完全燃烧减少了烟气量 减少了炉子排烟带走的热损失炉子燃料消耗量相 应也有所降低热效率得到提高．同时由于低氧燃 烧的实现炉温的均匀性提高局部高温区减少氧 含量降低使得氧化烧损大幅减少带来了可观的经 济效益．该低氧燃烧器的应用实践证明了其合理 性值得深入研究并进一步推广． 表3 两种燃烧方式下保温炉技术指标对比 Table3 Comparison of the technical parameters of holding furnaces in two types of combustion 燃烧方式 空气 过剩系数 排烟 温度／℃ 单位产品热耗／ （GJ·t －1） 热效率／％ 改造后燃料 节约率／％ 氧化 烧损／％ 常规燃烧 1∙2 230 1∙3 61 — 2∙3 低氧燃烧 1∙05 200 1∙13 70 13 1∙5 5 结论 低氧燃烧的实现对于工业炉窑至关重要目前 采用的低氧燃烧技术都有较大的局限性烟气自循 环式低氧燃烧器的开发较好地克服了几种传统低氧 燃烧方式的缺点．科学的分析和巧妙的设计实现 了烟气自循环的低氧燃烧方式．同时本文通过大 量的数值模拟分析了喉部面积对低氧燃烧的影响 规律为烟气自循环式低氧燃烧器的设计提供了理 论依据． 参 考 文 献 ［1］ Li JLi J S．The experimental study on regenerative heat transfer in high temperature air combustion．J Therm Sci200413（4）： 366 ［2］ Ishii TZang CHino Yet al．The numerical and experimental study of non-premixed combustion flames in regenerative furnaces．J Heat T ransfer2000122（2）：287 ［3］ Flamme M．Low NO x combustion technologies for high temperature applications．Energy Convers Manage200142（15）：1919 ［4］ Li H YWang H．Performance compare analyses of high temperature air combustion and oxyboosted combustion technology．Ind Heat2003（5）：9 （李洪宇王华．低氧燃烧与富氧燃烧的性能比较分析．工业加 热2003（5）：9） ［5］ Wang Z M．The thermal energy engineering law of combustion in the state of high temperature and low tense of oxygen and its enlarging application．Energy Metall Ind200322（2）：24 （王政民．高温低氧燃烧方法的热工规律和扩大应用．冶金能 源200322（2）：24） ［6］ Gao G YYang BLiu W Cet al．Application and predication of high temperature air combustion∥ The Seventh National Industrial Furnace Academic Symposium．Lanzhou2006：329 （高广轶杨冰刘文超等．高温空气燃烧技术的研究与应用 ∥第七届全国工业炉学术年会论文集．兰州2006：329） ［7］ Peng H YJiang S JZhou J M．Development and application of high temperature air combustion technology．Ind Heat2004（3）：4 （彭好义蒋绍坚周孑民．高温空气燃烧技术的开发应用、技术 优势及其展望．工业加热2004（3）：4） ［8］ Wang L JLi A MLi J Het al．Numerical simulation of coupled heat transfer in Hitac furnace．Chin J Comput Phys200522 （1）：77 （王力军李爱民李继怀等．高温空气燃烧炉内耦合传热的 数值模拟．计算物理200522（1）：77） ［9］ Xia D HZhang GGuo Let al．Flow effect on thermal process of magnesium reduction furnace． J Univ Sci Technol Beijing 200628（6） ：566 （夏德宏张刚郭梁等．金属镁还原炉中烟气流动对传热过 程的影响．北京科技大学学报200628（6）：566） ［10］ Gupta K．Thermal characteristics of gaseous fuel flames using high temperature air． J Eng Gas T urbines Power2004126 （1）：9 第12期 夏德宏等： 烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 ·1619·