高温空气燃烧炉中燃料温度对NOx排放影响的CFD研究

高温空气燃烧炉中燃料温度对NOx排放影响的CFD研究

Abbas Khoshhal, Masoud Rahimi, Ammar Abdulaziz Alsairafi

摘要

对燃料温度对NOx形成的影响做了数值研究。为了这个目的，在一个配有高温空气燃烧系统（HiTAC）的实验炉中做了NOx排放的CFD模拟的研究。预测的结果和测量值的比较显示出良好的一致性，这暗示了采用的燃烧和NOx形成的模型对于预测HiTAC炉中的流动、燃烧、传热和NOx的排放等特性是合适的。此外，预测的结果表明增加燃料温度会导致较高的流体速度、更好的燃料与燃烧空气的喷射混合、更小的火焰和低NOx排放。

关键字：CFD NOx排放HiTAC 燃料温度火焰模拟

1.引言

在一个越来越关注可持续性和环境的社会，能源效率的改善是必不可少的。在工业燃烧系统中，改善能源效率通常是一个减小污染物排放的最划算的方法。在这个体系中，Tanaka 和Hasegawa【1】提出的高温空气燃烧（HiTAC）技术在燃烧产生的污染物的缓解发挥重大作用，同时满足热效率的需要。HiTAC技术，也叫中度和激烈低氧稀释（MILD）燃烧【2】，或无焰氧化（FLOX）【3】。HiTAC过程尝试控制污染物的形成，特别是NOx的排放，在燃烧应用降低燃气在燃烧器高温区域的停留时间，或者是避免这些区域的高氧气浓度。在HiTAC的技术中，燃料与高度稀释和加热的空气混合来创建一个具有降低的峰值温度的分布反应区域。这些火焰有诸如均匀温度场、产生更好品质的产物、更高的辐射通量和低NOx 排放等显著的特点，

公布的HiTAC火焰性质的实验工作研究集中于小型实验室规模的在高温预热和贫氧空气中具有单一气体射流燃烧的炉子【4-7】。例如，Prasad等人研究了燃料喷射稀释对燃烧稳定性和火焰结构的影响【8】。结果得到，使用被氮气高度稀释的低温空气和同轴的燃料喷嘴，可以增加火焰上升距离。

尽管HiTAC技术的概念已经被广泛的研究，这一制度的数学建模很少受到关注。HiTAC 技术和燃烧过程的数值模拟是一个涉及了湍流、燃烧、辐射以及NOx模拟的三维的问题。由于计算机硬件和软件方面取得的进展以及计算速度的增加，计算流体动力学（CFD）模拟技术在许多过程中对于理解复杂的流体力学是一个强大和有效的工具。CFD模型建立在基本的物理原理上，并且因此可以预测燃烧室内和在具体操作条件下的流体的流动和传热。此外，诸如燃烧、湍流和NOx形成的子模型可以在燃烧室的模拟中被用到【9-13】。Khoshhal 等人对一个工业锅炉内的NOx排放、HiTAC和传热进行了CFD模拟。测量值与CFD的预测结果显示出良好的一致性，这意味着采用的燃烧和NOx形成的模型对于正确地预测HRSG 锅炉的特性是合适的。

燃烧过程中的NOx主要是氧化空气中的氮（热力型NOx）、氧化燃料中的氮（快速型NOx）以及经由N2O形成N2（N2O-中间机理）。文献中的研究表明，通过N2O-中间机理形成的NOx是在HiTAC中的主要原因之一，并且在这种条件下，大约90%的NOx形成基于这个机理【15，16】。

在HiTAC条件下的NOx形成是非常复杂的，并且受诸如流动、平均热量和质量传递、混合过程以及化学反应等物理和化学现象的影响。有关NOx形成的如此复杂现象的完整信息通过实验获得非常困难。因此，有必要进行一个先进的数值研究与实验相结合来获得NOx 形成的有用的信息。Mancini等人报道了再无焰氧化（MILD）模式下对一个大规模的燃烧器的NOx排放的预测。他们对比实验数据比较了三个简单的燃烧模型的性能。他们报道与NOx排放的合理的一致性和一些测量温度的差异。他们认为一些流动的不稳定性导致流场预测的缺陷，并且因此温度存在差异。

当使用中低发热量的燃料时，燃料预热对于维持燃烧的稳定性是非常重要的。另外，在

炉子中，在燃料烧嘴附近通常被烟气和热辐射包围。由于烧嘴没有冷却，燃料温度升高。高达500℃的燃气喷射的温度在一个实验的单火焰炉中被测量【18】。因此，理解燃料温度对NOx 排放的影响，特别是工业应用领域，是很重要的。

在这篇论文中，研究了甲烷燃料与预热和稀释的空气流错流喷出的燃烧。本文是先前工作的后续【19】，这里在一个配有HiTAC 系统的实验炉中使用了一个修改的N 2O 中间物NOx 模型来预测NOx 的形成。这个工作的主要目标是运用CFD 模拟研究燃料温度对NOx 排放的影响。此外，在本研究中，对甲烷燃料喷射的稳定极限也做了实验研究。

2. 实验装置

实验装置包括了一个电炉和一个燃烧室，如图Fig.1所示。这个装置由壁炉砖做的并且隔着两层绝缘砖而完全绝缘。仪器从里向外的传热速率尅忽略不计，因而假设为一绝热系统。电炉长宽高分别为0.25 m ，0.25 m 和0.42 m 。一个10 kW 用作热气体发生器产生高温空气的电加热器由卡萨尔斯洛电热铝丝构成。它是个0.35 m 长。直径0.15 m 圆柱加热器。预热和稀释的空气温度通过放置在热气体发生器和燃烧室之间的流道中心的S-型（高达1600℃）的热电偶测得。

燃烧室安装在热气体发生器的出口侧。燃烧室高0.23 m ，长0.16 m ，宽0.16 m 。燃料通过一个内径为1 mm 的不锈钢喷嘴喷入燃烧室。燃料喷嘴相对于高温稀释燃烧空气是错流放置。甲烷作为燃料从这个喷嘴喷出。使用一个NO 额定范围为0-5000 ppm ，精度±20 ppm 和O 2为0-21%，精度±0.2%的V ARIOPLUS MRU 便携式气体分析仪测定局部排放水平。

为了准备高温稀释燃烧空气。进口空气与氮气混合。空气中氧气的摩尔分率从21%（正常空气）到2%变化。在通过热气体发生器后的混合温度几乎达到了1100℃。实验工作中主要的操作条件归纳如下。

预热空气流量：331.6310m s -⨯

预热空气温度：28,300,500,900,1100 ℃

燃烧空气中氧气的摩尔分数：2,5,10,15,21（%） 燃料流量：53

2.2310m s -⨯

3. 模型介绍

HiTAC 模拟通常涉及湍流流动中传热、传质和化学反应的求解。常见的是使用雷诺-平均控制方程结合一个合适的湍流模型。可以用到额外的方程，例如，对辐射传输或对特殊的燃烧模型。在目前的工作，这些椭圆和立体的方程需要求解来提供燃烧室内反应流的流型、热和污染物特性的预测。使用商业CFD 软件Fluent 6.2【21】一起求解3-D 雷诺-平均奈维-斯托克斯（RANS ）方程和RNG k ε-湍流模型【20】。

在这个工作中使用了离散坐标辐射模型【22】，因为它能适用于范围广泛的光学厚度。考虑到HiTAC 火焰的光学厚度不是很清楚，DO 模型似乎是一个合适的选择。这个模型求解一个整个计算域的许多离散立体角的辐射传热方程。它还采用了加权总和的灰色气体模型（WSGGM ），在那里空间变化的总发射率作为一个气体组成和温度的函数被计算。WSGGM 是一个过简灰色气体模型和完整模型的合理妥协，这考虑到特定的吸收光带。

在模拟湍流燃烧的主要挑战是处理模型中平均反应速率和充分代表性。在这个研究中，使用了一个体积反应为基础的模型，即两步甲烷燃烧的化学动力机理的涡耗散概念（EDC ）

【23】模型。这个模型能预测高温空气燃烧条件【24，25】。

3.1. NOx 形成模型

在这项研究中，使用了N 2O-中间物的NOx 模型。这个模型伴随着出口热力型和快速型NOx 模型来预测燃烧室内NOx 的形成。