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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·