多入口多孔介质燃烧器的数值模拟

1、多入口多孔介质燃烧器的数值模拟 多孔介质燃烧器； 超焓； 非预混燃烧； 当量比； 数值模 拟 Numerical Simulation of Methane/air Combustion in a Multinozzle Porous Media Burner SHU Wenjing， GUO Xueyan (School of Energy and Power Engineering ， University of Shanghai for Science and Technology ， Shanghai 200093， China ) Numerical investigation on

2、 combustion characteristics of methane and air in a multinozzle porous mediumcombustor with nonpremixed combustion model has been conductedparison between porous medium combustion and tradition combustion has been madeto investigate “exces s enthalpy combustion ”.When combustion in porous mediumwas

3、conducted ，effects of equivalence ratio on the combustion temperature and emissions of CO and CO2 were explored.The results showed that combustion in porous medium could realize the “excess enthalpy combustion ”.The maximum combustion temperature was obviously higher than that of tradition combustio

4、n.And it increased with the rising of equivalent ratio.However， there existed an optimum equivalence ratio of 0.6 in this study.Beyond this value ， the maximum combustion temperature kept constant.The multinozzle porous medium burner could reduce the production of CO and CO2. Keywords： porous medium

5、 burner ； excess enthalpy combustion ； nonpremixed combustion ； equivalent ratio； numerical simulation 多孔介质燃烧是一种新型燃烧技术 . 相对于传统自由空间燃 烧，该技术拓宽了火焰稳定性极限，降低了污染物排放，辐射输 出更高， 并通过多孔介质蓄热能力预热新鲜燃料， 实现了“超焓 燃烧”. 凌忠钱等 1 通过实验研究了多孔介质燃烧中的“超焓 燃烧”，验证了“超焓”现象 .Kotani 等2 较早使用泡沫多孔 介质进行燃烧实验，并提出利用双层多孔介质驻定火焰 . 文献 3-4 介绍了燃烧的一些理

6、论背景和当量比、多孔介质材料、热 负荷、进口速度等参数对火焰温度、燃烧稳定性、污染物排放等 的影响 . 史瑞俊等 5 、姜海等 6 也对多孔介质燃烧进行了分析， 发现多孔介质燃烧具有燃烧稳定、 污染物排放低的特点 . 近年来， 双层多孔介质燃烧器受到了广泛的关注，Hsu等7、Khanna等 8 利用部分氧化锆泡沫材料进行双层多孔介质研究， Zhou 等 9、Gao等10利用氧化铝小球堆积床进行双层多孔介质研究. 以上有关双层多孔介质研究均表明： 上、下孔隙率不同的双层多 孔介质燃烧器，其火焰极易稳定在两层多孔介质交界面处 .Gao 等11 实验研究了上、 下游采用不同多孔材料时对多孔介质燃烧

7、的影响，介绍了不同多孔材料燃烧的优缺点 . 多入口燃烧器主要 用于工业锅炉 . 王俊等 12 研究了多股流入口燃烧器，得出了多 股流多喷口燃气燃烧器与大气式燃气灶相比， 热效率高， 节能效 果显著. 徐琼辉等 13 利用数值方法研究了多股流喷口数量和排 列方式对火焰结构和温度分布的影响 .Mi 等14 数值模拟了进口 直径对平行多入口燃烧器燃烧的影响 . 本文以甲烷 / 空气作为燃料，在多入口燃烧器基础上加入多 孔介质， 并与自由空间燃烧特性进行对比， 分析“超焓燃烧”现 象对燃烧温度和CO CO2排放特性的影响，详细探究在多孔介质 燃烧基础上不同当量比对燃烧温度和相应状态下的CO和CO2排

8、放特性的影响 . 1 数值模拟 1.1 基本假设和物理模型为了简化计算，本文假设： 二维稳态湍流模型，忽略气体辐射，多孔介质内部的固 体辐射传热采用有效导热近似，气体和固体间视为热平衡； 多孔介质视为惰性，各向同性，没有催化作用； 非?A混燃烧模型中加入燃烧化学反应机理文件 GRI3.0. 本文模拟时采用多入口燃烧器模型，燃烧器内径为 61 mm， 长度为80 mm燃烧器几何尺寸如图1所示.图1中模型显示的燃 烧器有三个氧气进口和三个燃料进口，相关物性参数如表 1 所 示. 1.2 数值方法 本文模拟时采用 FLUENT 6.3软件中的压力基 (pressurebased )求解器，压力-速度

9、耦合选择SIMPLE算法， 湍流模拟采用标准湍流模型，燃烧模型采用非预混燃烧模型 . 流 动和组分传递的控制方程分别为： 质量守恒方程 (Op g) t+ (p gug) x=0 (1) 式中：为多孔介质孔隙率；p g、ug分别为多孔介质中气 体密度和平均流速； t 为时间， x 为 x 方向坐标 . 组分传递方程 t (p Yi ) + SymbolQC ? ( p vYi)=- SymbolQC ?ji+R i+Si ( 2) 式中： Ri 、 j i 、 Yi 分别为组分 i 的单位体积的质量生成 率、摩尔扩散通量和质量分数； p 为密度； v 为速度； Si 为动 量方程源项 . 动量

10、守恒方程 SymbolQC ? ( p gu f u_) =- SymbolQC P+ SymbolQC ?( u SymbolQC uf) -R ( 3) 式中：R为多孔介质阻力项；P为压力项；uf为速度. 非预混燃烧模型中的化学平衡模型假设层流流动中反应物 和产物达到化学平衡， 其热力学参数均与混合物体积分数和质量 分数相关 . 化学反应平衡模型引入富油燃烧极限( rich flammability limit，RFL) ，当混合物体积分数小于富油极限 时采用化学平衡计算各组分浓度； 当混合物体积分数大于富油极 限时不采用化学平衡计算 . 密度平均混合分数方程为 t (p f )+ Sym

11、bolQC ?(p vff ) = SymbolQC ?卩 t 彷 t SymbolQC f+Sm+Suser ( 4) 式中： f、 Sm、Suser 分别为平均混合物体积分数、气相 反应的质量传递和用户自定义源项；卩t为时间平均流体黏度 1.3 多孔介质区域阻力系数 对于各项均匀的多孔介质，动量方程源项Sa可定义为 Sa=- ia v i+C212 pv v i (5) 式中：a为堆积床多孔介质的穿透性；C2为多孔介质的惯 性阻力系数；v i为速度；卩为多孔介质的动力黏度. 对于堆积床体，穿透性和内部阻力系数可按照 Ergun15 的 半经验公式计算，即 PL=150y tDP? (1-

12、e) 2 3?Z+1.75 p DP? (1- ) 3?V2 (6) 式中：L为燃烧器的长度；DP为小球的直径；e为多孔介 质的孔隙率；P为多孔介质中压力降； g为多孔介质中过渡 流的流化速度 . 通过式(6)可得到黏性阻力系数1/a和惯性阻力系数C2的 计算式分别为 1a=150(1-e)2D2Pe3 (7) C2=3.5(1-e)DPe3e (8) 2结果与讨论 2.1 多孔介质中“超焓燃烧”分析 所谓“超焓” 是指在原有混合气具有的焓基础上再添加一 部分焓之后的状态，是采用多孔介质取代自由空间， 利用其相对 于气体而言更强大的蓄热功能实现热反馈， 即将燃烧产生的热量 及尾气中的余热用于加

13、热反应区上游的预混合气， 从而使燃烧反 应大大增强 . 在忽略对外热损失的情况下，火焰温度可超过与未 经预热的混合气状态相应的绝热火焰温度，故又称“超绝热燃 烧” .多孔介质的存在可拓宽混合气的燃烧极限，明显改善燃烧 室的换热性能，强化介质对新鲜混合气的预热 . 多孔介质中混合 气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高 . 本文对多孔燃烧和自由空间燃烧进行数值模拟和对比， 温度 云图如图 2所示， 图中温度云图的标度范围一致，易于比较 . 从图中可知：自 由空间燃烧中，气体刚进入燃烧器后就立即混合并迅速发生燃烧 反应；而多孔介质燃烧中，气体刚进入燃烧器后，由于多孔介质 的存在，气体混合并不是很充分，

14、因此在燃烧器上半部分区域燃 烧缓慢，但在中、下游区域反应明显加快，温度迅速升高，且明 显高于自由空间燃烧温度 .为了更进一步分析多孔介质燃烧的 “超焓燃烧”现象，图 3给出了燃烧器轴向中心处温度分布， 图 中进口当量比均为 0.6 ，且进口速度都相同 . 从图中可以看出， 多孔介质燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度， 多孔介质燃烧最 高温度（ 2 100 K 左右）比自由空间燃烧最高温度（ 1 800 K 左 右）高出 300 K 左右，实现了“超焓燃烧” .自由空间燃烧中燃 烧器进口处温度 高于多孔介质燃烧，在火焰向下游传播过程中燃烧温度上升 梯度大，但是在燃烧器中、下游，燃烧温度明显比多孔介

15、质燃烧 的低. 因为多孔介质的存在， 进口处气体燃烧速率低于自由空间燃 烧速率，因此在燃烧器上半部分温度上升慢 . 但燃烧一段时间后， 热量在多孔介质聚集并通过固体骨架的导热、 辐射等方式对新鲜 气体进行预热， 使得气体在向下游传播过程中温度上升较快， 燃 烧温度达到“超焓燃烧”温度 . 2.2 当量比对燃烧温度的影响 温度特性是观察火焰 燃烧特性的主要方面， 它直接反映燃烧器内的燃烧状况， 对传热 机理分析、 火焰面特性研究和燃烧产物生成控制都具有指导作用 进口当量比控制的是进口燃料和氧气的体积流量比例， 这对燃烧 温度有至关重要的影响 . 因此，本文考察了不同当量比时燃烧器 内燃烧温度分布

16、以及轴向中心处温度分布， 分别如图 4、5 所示 . 本文将燃烧器平均分为两部分， 上半部分称为预热区域， 下半部 分称为燃烧区域 . 从图 5可以看出， 燃烧器内的燃烧温度逐渐升高， 最后趋于 平稳，燃烧反应进行到下游区域燃烧基本完成， 因此温度趋于平 稳.在当量比为0.6时，温度达到最高，为 2 000 K左右.燃烧温 度高是因为气体在多孔介质燃烧过程产生大量热量， 通过导热和 辐射对预混区域的气体进行预热， 使得燃料燃烧得更完全， 且火 焰基本稳定在燃烧器的中、上游 . 从图 5 可以看出，当量比对燃 烧温度 影响很大 . 燃烧温度没有燃烧区域的高是因为燃烧器下游区 域进行燃烧反应时 产

17、生的大量的烟气带来了大量的热量，且反应产生的CO在 该区域会继续燃烧产生热量 .从图 4 可以看出，若当量比过大则 燃烧不完全， 若当量比过小， 过量空气的存在使得预混气体的空 截面流速增加，火焰稳定燃烧的难度增大，燃烧质量不佳，从而 降低了多孔介质中的温度 . 因此，预混燃气在多孔介质中燃烧存 在一个较佳的当量比 . 当量比为 0.2 时，燃烧温度很低，最高为 1 000 K 左右，此时燃烧属于富氧燃烧；随着当量比增大，燃烧 温度逐渐升高；当量比为 0.6 左右时，燃烧温度达到最高，此时 燃料和氧气燃烧反应充分；随着当量比继续增大，当量比大于 1 时属于富油燃烧，燃料燃烧不完全，燃烧温度不会

18、继续上升. 因 此，在本文的模拟条件下，当量比为 0.6 时为最佳当量比，燃料 燃烧反应充分 . 2.3 污染物排放特性 多孔介质燃烧因为其“超焓燃烧”特性，燃烧产生的CO会 减少.图 6 为自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线. 在燃烧器预热区域 CO2质量浓度迅速上升，而 CO在一段时间后 才慢慢生成， 且在燃烧器下游区域生成较多， 然后逐渐趋于平缓 或下降 . 这说明燃烧反应开始后，火焰随着燃烧反应的进行向下 游移动，燃烧不完全，产生 CO但燃烧器下游的多孔介质有蓄 热功能， 可回收大量的高温烟气余热， 在火焰面下游区域形成高 温多孔介质区域，进一步降低了 co的排放. 量比为0.2时，污染物生成量均很低，特别是 CO此时燃 烧属于富氧燃烧，燃料燃烧充分，CO生成量很少；随着当量比 增大，CO和CO2生成量均增多；特别是当量比为 0.8时，CO生 成量最大，此时燃料过余，燃烧反应不充分，CO质量浓度增大； 在最佳当量比（0.6 ）