高温低氧空气燃烧技术hac的研究现状与展望

高温低氧空气燃烧技术hac的研究现状与展望

1低氧空气燃烧技术随着经济和社会的发展，全球资源和生态环境变得越来越严重。分布于全世界各地的大大小小的工业窑炉,面临着节能和降低排放污染的重要课题。节约能源是可持续发展的一个基础,降低有害气体如氮氧化物和硫氧化物以及二氧化碳的排放,是缓解地球生态环境进一步恶化的一个必然途径。高温低氧空气燃烧技术,(HighTemperatureAirCombustion,简称为HTAC),最早是由日本学者田中良一等在20世纪80年代末提出的一种全新型的高效低污染燃烧技术。20世纪90年代以来,在工业化国家的钢铁、冶金、机械、建材等工业部门的各种工业燃烧炉中,HTAC技术的应用呈现迅猛发展的势头,到1995年底统计,国际上已有800台窑炉采用了这项技术。受到了国际工业界和科学界的广泛关注。2低氧燃烧技术在传统的工业炉中,利用高温废气预热炉内的空气或燃料的方法有换热器和蓄热器两类。近几十年来,蓄热式燃烧技术有了很大进展。高温低氧炉的头一步,必须是一个高效的蓄热炉。实现极限热回收和燃烧空气的高温预热。由此,提高了燃烧温度。扩大了稳定燃烧边界。加速了燃料蒸发、裂解、自燃过程。空气预热温度越高,炉内温度场分布愈均匀。由于提高了反应和燃烧的速度,扩大了宽热值范围燃料可适应性。所以,高温低氧燃烧炉首先是一个高温空气燃烧炉,并随着进排气换热效率的提高,进排气切换对炉内温度控制波动影响的减小,而渐进地进入高温低氧燃烧工况。高温低氧燃烧炉的另一特点是实现了超低NO燃烧技术。为降低高温燃烧产生的高NO的产生。有效的方法之一是降低燃烧空间中氧的浓度,创造贫氧燃烧条件。当高温预热气体进入燃烧炉时,将抽引燃烧室内的烟气形成贫氧气流。实际上是在燃烧室内燃气的复燃技术,从而降低了NO的生成。即高温低氧燃烧可以改变高温空气燃烧炉的大风烧大火而实现小风烧大火,从而降低了NO的排放。由于由高温空气燃烧而逐步发展高温低氧燃烧实现了热效率的充分利用。因而使燃烧炉内的节能率大大提高,不但节省了能源,而且使燃烧炉内燃烧产生的CO2大大降低。由此可在大范围内降低了CO2的排放。3高氧燃烧技术的重要部件和影响因素3.1蓄热器的压损采用堇青石材料的蜂窝状蓄热器。蜂窝状蓄热器比表面积大,压损低,阻塞问题较少,但强度和寿命还有待时间的考验。堇青石材料作为蓄热器还是比较先进的。3.2更换阀四通切换阀,切换烟气与空气,可实现自动控制。要求切换阀有一定耐压、抗冲击能力。3.3低氧燃料燃烧燃料的设计采用了热物理所自行研制的贫氧燃烧器,这样除了用高温预热气抽吸燃烧室内烟气形成贫氧气流,燃烧器本身造成的射流和回流,也可以造成低氧的混气。中间的喷嘴供给燃料后,形成低氧燃烧,保障了低NO生成与排放。为确保燃料在低氧浓度下燃烧,必须对燃烧器喷口的形状和尺寸、燃料供给通道、喷口位置等参数进行优化设计。这主要是靠数值模拟和实验来确定。4u3000计算方法因为一般的高温低氧燃烧炉,都可以看作一轴对称射流火炬的燃烧模式,炉内燃烧室,可近似假设为一个有气体流动环型燃烧室。因此,高温低氧燃烧的数值模拟可用常规的计算模型来进行。(1)采用k-ε模型描述高温低氧燃烧炉的湍流流动,在柱坐标下,二维时均方程组可写成以下通用形式:∂∂x(ρuφ)+1γ∂∂x(ρvrφ)=∂∂x(ΓΦ∂φ∂x)+1γ∂∂γ(γΓΦ∂φ∂x)+SΦ∂∂x(ρuφ)+1γ∂∂x(ρvrφ)=∂∂x(ΓΦ∂φ∂x)+1γ∂∂γ(γΓΦ∂φ∂x)+SΦ其中:Φ是通用变数;ΓΦ是输运系数;SΦ是源项。其具体物理量含义如下:方程ΦΓΦSΦ连续方程100轴向动量方程μμe-∂Ρ∂x+∂∂x(μe∂u∂x)+1r∂∂r(rμe∂v∂x)轴向动量方程μμe−∂P∂x+∂∂x(μe∂u∂x)+1r∂∂r(rμe∂v∂x)径向动量方程vμe-∂Ρ∂r+∂∂x(μe∂u∂r)+1r∂∂r(rμe∂v∂r)-2μevr2径向动量方程vμe−∂P∂r+∂∂x(μe∂u∂r)+1r∂∂r(rμe∂v∂r)−2μevr2湍动能kμeσkGΚ-ρεkμeσkGK−ρε湍动能耗散率εμeσεεk(C1GΚ-C2ρε)εμeσεεk(C1GK−C2ρε)能量方程hμeσhqR组分方程YSμeσYWS其中∶μe=μΤ+μ‚μΤ=Cμρk2/εGΚ=μΤ[2(∂u∂x)2+2(∂v∂y)2+(∂u∂y+∂v∂x)2](2)采用EBU-Arrhenius模型描述湍流燃烧。当采用液化石油气时,可近似用甲烷进行计算,其燃烧反应:CH4+2O2→CO2+2H2OCH4的气相反应速度率:WCΗ4=-min[WCΗ4⋅Arr‚WCΗ4⋅EBΟ]WCΗ4Arr=ACΗ4ρ2YCΗ4YΟ2exp(-ECΗ4RΤ)WCΗ4EBΟ=CΖBUρεΚmin[YCΗ4YΟ2BCΗ4]根据化学反应方程式:WΗ2Ο=3616[WCΗ4]WCΟ2=4418[WCΗ4]WΟ2=6416[WCΗ4](3)NO2生成计算模型,用扩展的Zeldovich机理描述反应中热力型NO的生成,考虑下列三对反应:Ν2+ΟΚ1⇔Κ-1Ν+ΝΟΟ2+ΝΚ2⇔Κ-2ΝΟ+ΟΝ+ΟΗΚ3⇔Κ-3ΝΟ+W其中:由Arrhenius定律,K=Bexp(-E/RT)(4)辐射传热的计算模型采用热流法:微元体界面上复杂的半球空间热辐射,简化为垂直的界面均匀辐射热流法。由于是轴对称二维空间,采用热流法中四热流模型:QR=2Ka(qx+qr-2Eb)式中:QR—辐射换热率;Ka—气体吸收系数。辐射热流控制方程组可写成一般的表达式:∂∂x(aρuφ)+1r∂∂r(aρvrφ)=∂∂x(Τ∅x∂Φ∂x)+1r∂∂r(rΓΦ∂Φ∂r)+SΦ其中:Φ、ΓΦx、ΓΦr、SΦ各物理含义如下:方程aΦΓΦxΓΦrSΦ轴向Οqx1ag+SgΟ-ag(qr-Ζb)径向ΟqyΟ1∂g+Sg+1r-ag(qr-Ζb)轴向与径部辐射热流qx、qr的控制方程:ddx[1ka+ksdqxdx]=ka(qx-Ζb)1rddx[1r(ka+ks)+1dqrdr]=ka(qr-Ζb)根据Stephen-Boltzmann定律:Eb=σ0T4其中:σ0—Boltzmann常数;T—气体温度。辐射换热率QR的计算要和能量方程联立,迭代求解。(5)模型常数给出了计算中k-ε数学模拟的模型常数;化学反应动力学常数;比热随温度变化的常数。(6)控制方程组的边界条件①入口,②出口,③轴对称,④壁面条件,⑤壁面函数,⑥辐射热流控制方程组的边界条件。(7)控制方程组的数值解法气体控制方程组和辐射控制方程组具有相同形式,即对流项=扩散项+源项。采用有限迎风差分格式,对源项作线化处理,在控制体内,得变量在结点P处差分方程一般形式。apΦp=azΦz+awφw+αNφN+asφs+aTφT+b其中:b=SCΔV,ΔV=ΔxΔy为控制单元体体积;ap=aE+aW+aH+aS+aT-SpΔV+(FE-FW+Fn-FS);SC和Sp是源项;Sφ为负斜率线化处理后的相应项,Sφ=SC+SPφP方程中的系数分别为:aE=De+[|-Fe,0|]aw=DW+[|FW,0|]aw=DN+[|-Fn,0|]as=Ds+[|-Fs,0|]其中∶De=Γe(δx)e‚Fe=ρueDW=Γw(δx)w‚Fw=ρuwDn=Γn(δx)n‚Fn=ρunDs=Γs(δx)s‚FS=ρus式中:Δx为控制体x方向长度;Τ˙v＜˙v=e.w.n.s＞,为控制面上扩散系数;δX˙V(˙v=e.w)δy˙v(˙v=n.s)为网格诸点间距离。对气相控制方程组的差分方程采用P-V修正的SIMPLEC算法,求解过程为:(1)估计压力场P,设初值U,V,K,ε,μ。(2)计算各差分方程的系数和源项。(3)用TDMA求解轴向和径向的动量方程。得到速度U,V。(4)用TDMA求解压力修正方程,得到P*,修正压力场P=P*+P1。(5)修正速度场Ue=U*e+de(P1p-P1Ζ)Ve=V*e=dn(P1Ρ-P1n)(6)用TDMA求位于标量节点上的值为Y,K,ε,h。(7)重复2～7步,直致所需精度。对辐射热流求解qx、qR差分方程用TDMA迭代求解Φ˙V-1=Ρ˙V-1φ˙V+Q˙V-1第一步用系数递推公式依次求出Ρr‚Q˙V(˙v=1‚2‚⋯‚Ν)第二步用变量递推公式依次求出Q˙v(˙v=Ν‚Ν-1‚⋯‚2‚1)由于各变量的耦合性,对各变量与辐射热流的耦合性条件需迭代进行。(8)计算程序框图(见图1)5高温空气燃烧特性研究1982年,英国HotworkDevelopment公司和BritishGas公司在一玻璃窑炉上合作开发国际上第一套RCB系统(RegenerativeCramicBurnex)蓄热式陶瓷燃烧系统。由于采用了快速切换,接近实现了高温低氧燃烧。美国Arkansas玻璃器皿公司,1986年采用高温低氧燃烧技术对一座玻璃窑炉进行改造,燃料节约达58%,大大减少了工业有害气体的排放。美国Morion钢铁公司在一加热炉上采用高温低氧燃烧技术后,大大提高产量。中国包头钢铁公司,采用高炉煤气高温低氧燃烧技术,也大大节约了能源,达41%左右。高温低氧燃烧技术基础研究方面:Gryung-MinChovMasashiKatsuki“使用高温预热空气先进的低NO燃烧技术”发表于2001年4月2日(EnergyGonversionandManagement)。艾元方、蒋绍坚、彭好义等“高温空气在燃烧和气化中的应用”,发表于《新能源》2000年第12期。刘日新,刘广林“蓄热燃烧技术及其在冶金工业炉中的应用”发表于《工业炉》2000年第2期。蒋绍坚、彭好义,艾元方等“高温低氧气氛中气体燃料的火焰特性”发表于《中南工业大学学报》2000年第31期,“高温空气燃烧新型锅炉及特性分析”发表于《热能动力工程》2000年第15期。GvuptaAshwanikToshiadiHasegawa“高温空气燃烧:火焰特征要求和最优化”发表于《高温空气燃烧论文集》,北京1999年。高温低氧燃烧过程的数值模拟:萧泽强、蒋绍坚、周子民等“高温低氧空气燃烧过程实验研究和数值计算”,是利用英国AEA公司提供的CFX计算流体力学和燃烧分析软件,对高温空气燃烧火焰的特征,全辐射式锅炉内部火焰流股结构及换向瞬间炉膛内热工特性进行了数值模拟和分析。对湍流流动采用k-ε模型,燃烧采用混合模型,并耦合蒙特卡洛辐射传热模型,NOx生成采用Zeldovich模型,并考虑了DeSoete模型描述的NO2生成的快速反应,选用甲烷燃料。计算结果给出了温度场,NOx的浓度场及切换瞬间的速度场分布。李宇红、祁海鹰、苑峻等“预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析”,应用Simplec方法将全湍流k-ε方程与扩散燃烧模型和热力NO生成模型结合,对高温空气燃烧火焰特性进行了数值计算,给出了高温低氧燃烧技术的关键参数,即空气预热温度及氧浓度对燃烧特性和NO浓度排放的影响规律。但计算中没有考虑气体辐射的影响。李伟、祁海鹰、由长福“蜂巢蓄热体传热特性的数值研究”采用商业软件FLUENT5.2,对蜂巢蓄热体的传热特性进行了数值模拟,得到了蓄热体内的温度场和速度场分布。YuanJ,NaruseI.“ModelingofcombustioncharacteristicsandNOxemissioninhighlypreheatedanddilutedaircombustion”应用FLUENT商业软件对高温空气燃烧进行了数值模拟。其中,对湍流燃烧采用PDF模型,对辐射采用区域传热模型,对soot的形成采用二步Tesner模型。计算结果揭示了空气预热温度、氧浓度对燃烧及排放的影响。GuptaAshwaniK,ToshiakiHasegawa.“Hightemperatureaircomblstion:flamecharacteristicschallengesandopportanities”对丙烷高温低氧燃烧进行了数值模拟,对湍流采用k-ε模型,对辐射采用区域换热法,化学反应考虑单步反应,揭示了火焰体积随预热空气温度升高和氧浓度降低而增大。综上所述,在对高温低氧气体燃烧数值模拟中,湍流采用k-ε模型,热力型NO采用Zeldovich机理描述,而燃烧模型的选用则各不相同。由于炉内温度高,而且分布均匀,故计算中应考虑辐射换热的影响。带有蜂窝陶瓷蓄热体的高温低氧燃烧实验炉:(1)进行了实验和改进。测试方法:用热球风速仪测速度场,热电偶测温度场,使用烟气分析仪测烟气及NO的浓度场。(2)对堇菁石材料的蜂窝换热器进