張瑞安 恩科 韓益帆 劉棟

同濟(jì)大學(xué)熱能與環(huán)境工程研究所

前言

燃?xì)獠缓剂螻，燃?xì)馊紵齆Ox主要是熱力氧化氮，降低燃燒溫度就可以降低NOx的排放。燃油燃燒與燃煤燃燒相似，燃油也含有燃料N，除熱力氧化氮外，燃油與燃煤燃燒的NOx排放主要是燃料NOx，因此，燃油無(wú)焰燃燒是降低燃油NOx排放的潛在技術(shù)之一。劉若晨等[1]對(duì)氧煤無(wú)焰燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，在爐膛熱負(fù)荷為300kW/m3，一二次風(fēng)動(dòng)量比大于10時(shí)，爐膛內(nèi)的煙氣內(nèi)循環(huán)速率大于4，氧煤燃燒處于無(wú)焰燃燒狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)對(duì)爐膛內(nèi)介觀參數(shù)如：湍流積分平均尺度、湍流脈動(dòng)速度、層流火焰厚度、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏?shù)的計(jì)算，表明此時(shí)爐膛溫度梯度最大的區(qū)域的湍流Reynolds數(shù)遠(yuǎn)大于1、Damkohler數(shù)小于1和Karlovitz數(shù)大于1，即氧煤無(wú)焰燃燒為分布式燃燒模式。Torresi等[2]對(duì)一種空氣動(dòng)力學(xué)分級(jí)配風(fēng)的雙旋流燃燒器在煙氣空氣混合溫度為673K，O2的濃度為12.59%時(shí)的燃油燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算采用了簡(jiǎn)化PDF的局部瞬時(shí)平衡模型，實(shí)驗(yàn)得到了燃油的無(wú)焰燃燒，模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合良好。崔運(yùn)靜等[3]認(rèn)為液體燃料的霧化角影響燃料與空氣混合、燃燒性能、火焰形狀等，是燃燒室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，增大霧化角將會(huì)分散霧滴，并且減少初次霧化后液滴的碰撞黏結(jié)，加強(qiáng)了對(duì)周?chē)鷼怏w的卷吸摻混，但是霧化角過(guò)大反而會(huì)使霧滴噴到噴嘴邊壁上，液滴未蒸發(fā)時(shí)發(fā)生碰壁，會(huì)影響噴霧質(zhì)量。射流動(dòng)量比、旋流數(shù)以及燃油霧化質(zhì)量都會(huì)影響燃油無(wú)焰燃燒的形成。

而當(dāng)這些參數(shù)共同作用于目標(biāo)值時(shí)，好的計(jì)算方法應(yīng)該既能節(jié)約計(jì)算資源，又能帶來(lái)有效的目標(biāo)值。陳奕婷等[4]采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)文丘里供料器中不同結(jié)構(gòu)組合和不同稀相運(yùn)輸工況對(duì)壓降的影響程度進(jìn)行分析，取得了最優(yōu)解水平組合參數(shù)并加以印證。所以正交試驗(yàn)方法提供了一種多因素多水平作用時(shí)的解決辦法。

本文根據(jù)無(wú)焰燃燒的理論設(shè)計(jì)了雙旋流燃燒器，基于前期的研究設(shè)計(jì)了內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑、軸向分速度、內(nèi)旋流數(shù)、外旋流數(shù)和霧化角5個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平數(shù)，從而形成5因素4水平的16組正交試驗(yàn)。運(yùn)用正交試驗(yàn)手段研究這5個(gè)因素對(duì)爐膛燃燒因子的影響及顯著性水平，從而找到爐膛的燃燒因子最小時(shí)對(duì)應(yīng)的5個(gè)因素的最優(yōu)解組合并加以驗(yàn)證，旨在為工業(yè)鍋爐降低NOx排放提供理論支持。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

以4t/h燃油（柴油）鍋爐為研究對(duì)象，爐膛尺寸為Φ950mm×3205mm，燃燒器布置在爐膛前墻，燃油噴嘴位于爐膛中心，燃料為0號(hào)輕柴油，其油質(zhì)分析如表1所示；燃油采用壓力霧化，將爐膛出口的煙氣通過(guò)煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)與常溫空氣混合作為氧化劑，氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.22%O2，9.03%CO2，5.03%H2O，73.72%N2，混合溫度為312K,鍋爐燃燒系統(tǒng)如圖1所示，其雙旋流配風(fēng)器進(jìn)口截面如圖2所示。

表1 0號(hào)輕柴油的油質(zhì)分析/%

圖1 燃油鍋爐燃燒系統(tǒng)示意圖

圖2 雙旋流式燃油燃燒器進(jìn)口截面示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

燃油鍋爐爐膛（燃燒室）具有對(duì)稱性，可以取爐膛的四分之一為計(jì)算模型，采用結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格。取爐膛的長(zhǎng)度為X軸，高度和寬度分別為Y軸和Z軸，坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于爐膛入口截面的中心。計(jì)算劃分了17套網(wǎng)格，根據(jù)作者文獻(xiàn)[5-6]關(guān)于燃燒模擬收斂性以及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的研究結(jié)果，對(duì)應(yīng)爐膛網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)大于700萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)目無(wú)關(guān)，所有網(wǎng)格的扭曲度均在0～0.4之間，網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比均在5：1之間，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

1.3 計(jì)算方法

主要模型設(shè)置如表2所示。氧化劑入口的邊界條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，爐膛出口為壓力出口，爐膛壁面按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壁面溫度設(shè)為423K，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法。

表2 主要模型設(shè)置

本文穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂判定依據(jù)為：（1）能量方程殘差達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)，其余各項(xiàng)殘差達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)；或（2）當(dāng)爐膛內(nèi)部最高溫度、爐膛出口平均溫度和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等隨迭代步數(shù)變化100步，其相對(duì)值的變化都小于10-2[6]。

2 正交試驗(yàn)計(jì)算工況

2.1 正交試驗(yàn)法簡(jiǎn)介

在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，我們經(jīng)常遇到一個(gè)問(wèn)題受多個(gè)因素影響的情況，此時(shí)我們需要知道哪些因素重要，哪些因素不重要；每個(gè)因素取哪個(gè)水平好；每個(gè)因素依什么樣的水平組合起來(lái)會(huì)得到最優(yōu)解。此時(shí)最簡(jiǎn)單的方法是進(jìn)行全面試驗(yàn)，即把每個(gè)因素的水平所有可能的組合都做一遍，該方法可以分析各因素的效應(yīng)、交互作用，也可選出最優(yōu)水平組合，但全面試驗(yàn)所包含的水平組合數(shù)較多、工作量大，在有些情況下無(wú)法完成，比如試驗(yàn)因素有5個(gè)、每個(gè)因素的水平數(shù)有4個(gè)的全面試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)次數(shù)為45即1024次。

利用正交性原理與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出有代表性和典型性的試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，應(yīng)用“正交表”科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，將使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單且易于解決。正交試驗(yàn)雖不可能像全面試驗(yàn)?zāi)菢訉?duì)各因素效應(yīng)、交互作用——分析，甚至當(dāng)交互作用存在時(shí)有可能出現(xiàn)交互作用的混雜，但正交試驗(yàn)可以運(yùn)用極差分析法、方差分析法和顯著性水平檢測(cè)尋求到最優(yōu)水平組合[7]。

2.2 無(wú)焰燃燒的正交模擬

雙旋流燃燒器的五個(gè)因素，即內(nèi)旋流葉片直徑、氧化劑的軸向分速度、內(nèi)旋流數(shù)、外旋流數(shù)和霧化角等的四水平如表3所示。定義燃燒因子θ：

其中，Tmax為爐膛最高溫度，Tavg為爐膛體平均溫度。燃燒因子θ越小，溫度場(chǎng)分布越均勻，燃燒穩(wěn)定性越好。

根據(jù)L16(45)正交表的各工況的燃燒因子θ的數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。

表3 雙旋流燃燒器的因素及水平

表4 正交模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 極差分析

數(shù)值計(jì)算的極差如表4所示，可以看出極差的大小關(guān)系為RC＞RA＞RB＞RD＞RE，即影響燃燒因子的最主要因素是內(nèi)旋流數(shù)；影響燃燒因子的次要因素是內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑；影響燃燒因子的最次要因素是軸向分速度、外旋流數(shù)和霧化角。這是因?yàn)閮?nèi)旋流數(shù)與內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑(燃油噴射位置和氧化劑氣流間距)在燃料與氧化劑的混合過(guò)程中起決定性作用，內(nèi)徑越小，通過(guò)高速氧化劑的卷吸作用，以及內(nèi)旋流的攪拌混合作用，燃料與氧化劑混合更快，燃料在到達(dá)爐膛中心之前更早接觸氧化劑，燃燒更完全，燃燒因子越小。軸向分速度在爐膛動(dòng)力場(chǎng)中起到卷吸程度大小以及點(diǎn)火熄火極限作用，是影響爐膛燃燒因子的次要因素。射流的外旋流數(shù)和霧化角對(duì)流場(chǎng)的影響相對(duì)較小，對(duì)爐膛燃燒因子的影響作用不大。

數(shù)值計(jì)算的極差分析如圖3所示,可以看出，以爐膛燃燒因子θ最小確定的最優(yōu)水平組合為A1B3C4D4E3，對(duì)于最優(yōu)解進(jìn)行建模計(jì)算，通過(guò)模擬計(jì)算可得此時(shí)的最高溫度為1351K，爐膛內(nèi)平均溫度為1102K，燃燒因子θ為18.43%，這與正交數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果相一致。

圖3極差分析圖

圖4 是最優(yōu)解的爐膛x-y平面的溫度等值線分布圖?？梢钥闯觯藭r(shí)爐膛內(nèi)高溫區(qū)域開(kāi)始往下游移動(dòng)，并且分布較為均勻。

圖4爐膛x-y平面的溫度等值線分布圖

圖5 是最優(yōu)解的爐膛x-y平面的速度等值線分布圖?？梢钥闯?，此時(shí)爐膛前墻壁面速度較低，初步認(rèn)為應(yīng)該在此處產(chǎn)生了外部回流區(qū)。爐膛中部有處位置速度較低，應(yīng)該在此處產(chǎn)生了內(nèi)部回流區(qū)。內(nèi)外回流區(qū)的建立則有利于燃燒產(chǎn)物再混合稀釋反應(yīng)物，并且對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)熱，有利于無(wú)焰燃燒的形成。

圖5 爐膛x-y平面的速度等值線分布圖

圖6爐膛x-y平面的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)等值線分布圖

圖6 是最優(yōu)解的爐膛x-y平面的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)等值線分布圖?？梢钥闯?，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)在爐膛上游明顯大于爐膛下游，說(shuō)明爐膛內(nèi)燃燒區(qū)域從上游向下游移動(dòng)，使整個(gè)爐膛內(nèi)的燃燒主要發(fā)生在爐膛中部，此時(shí)有利于燃燒反應(yīng)將熱量傳遞給爐膛內(nèi)壁，提高爐膛內(nèi)的輻射換熱，也側(cè)面證實(shí)了爐膛的溫度等值線分布的合理性。并且經(jīng)過(guò)計(jì)算得出此時(shí)爐膛出口的氧氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02，說(shuō)明燃料得到充分燃燒。

2.2.2 方差分析

方差分析法可以判斷數(shù)據(jù)的波動(dòng)主要是由試驗(yàn)誤差引起的還是試驗(yàn)條件的改變引起的，結(jié)合F分布可以對(duì)試驗(yàn)因素的顯著性進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬的方差分析如表5所示，可以看出，A內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑、C內(nèi)旋流數(shù)和D外旋流數(shù)的變動(dòng)對(duì)燃燒因子的影響是絕對(duì)的，三者貢獻(xiàn)率總和占據(jù)78.73%。而B(niǎo)軸向分速度和E霧化角對(duì)燃燒因子的影響較小，尤其是E霧化角,其貢獻(xiàn)率只有6%，對(duì)燃燒因子的變動(dòng)幾乎不起作用。

表5 正交試驗(yàn)方差分析表

數(shù)值計(jì)算沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)各列中偏差平方和最小者（因素E的偏差平方和）來(lái)代替誤差平方和的原則，取其一半代替隨機(jī)誤差的偏差平方和，誤差自由度與其相同[8]。對(duì)因素A、B、C、D、E做顯著性水平檢驗(yàn)，若Fj＞Fα，就有（1-α）×100% 的把握說(shuō)明j列對(duì)應(yīng)的因素對(duì)結(jié)果有顯著影響，其中α表示顯著性水平，對(duì)于不同的顯著性水平α，有不同的F分布表，常用的有α=0.01，α=0.05，α=0.1。為了區(qū)別顯著性的程度，當(dāng)Fj＞F0.01（fj，fe） 時(shí)，就有（1-0.01）×100% 即99%的把握說(shuō)第j列對(duì)應(yīng)

因素的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有高度顯著的影響，記作☆☆☆；F0.01（fj，fe） ＞Fj＞F0.05（fj，fe） 時(shí)，就有95%的把握說(shuō)j列對(duì)應(yīng)因素的改變，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響，記作☆☆；F0.05（fj，fe） ＞Fj＞F0.1（fj，fe） 時(shí)，就有90%的把握說(shuō)j列對(duì)應(yīng)因素的改變，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，記作☆；若F0.1（fj，fe） ＞Fj，則我們就有90%的把握說(shuō)j列對(duì)應(yīng)因素的改變，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響[9]。查F檢驗(yàn)表可得：F0.01(3,3)=29.46，F(xiàn)0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.1(3,3)=5.39。通過(guò)與F值的對(duì)比可以得到A內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑、C內(nèi)旋流數(shù)和D外旋流數(shù)是影響燃燒因子的主要因素，而B(niǎo)軸向分速度和E霧化角對(duì)燃燒因子影響不大。即顯著性分析與方差分析結(jié)果相吻合。

綜上所述，極差分析法與方差分析法在因素B軸向分速度和D外旋流數(shù)的作用大小上體現(xiàn)了不同的權(quán)重，初步分析是試驗(yàn)誤差所致，但是A內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑和C內(nèi)旋流數(shù)在兩種方法上均體現(xiàn)出了絕對(duì)的權(quán)重優(yōu)勢(shì)，故在分析影響爐膛燃燒因子時(shí)因素A內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑和C內(nèi)旋流數(shù)是主要考慮因素，而B(niǎo)軸向分速度和D外旋流數(shù)是次要考慮因素，因素E霧化角作用可以忽略不計(jì)。

3 結(jié)論

（1）內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑和內(nèi)旋流數(shù)是影響燃燒因子的主要因素；軸向分速度和外旋流數(shù)是影響燃燒因子的次要因素；霧化角對(duì)燃燒因子的影響不大。

（2）當(dāng)內(nèi)旋流葉片內(nèi)徑、內(nèi)旋流數(shù)、軸向分速度、外旋流數(shù)和霧化角選取最佳值組合時(shí)，獲得的燃燒因子具有最小值，爐膛燃燒室溫度場(chǎng)分布均勻，燃燒穩(wěn)定性較好，這再次印證了正交試驗(yàn)的優(yōu)越性，對(duì)于降低工業(yè)鍋爐NOx排放具有一定的指導(dǎo)意義。

崇明區(qū)節(jié)能降碳培訓(xùn)暨2018年節(jié)能大會(huì)順利召開(kāi)

日前，崇明區(qū)召開(kāi)節(jié)能降碳培訓(xùn)暨2018年節(jié)能大會(huì)。全區(qū)節(jié)能條線各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、園區(qū)、委辦局、重點(diǎn)用能單位逾60人參加會(huì)議。會(huì)上，崇明區(qū)政府通報(bào)了崇明區(qū)“十三五”前期節(jié)能降碳工作完成情況，并部署下階段節(jié)能降碳重點(diǎn)工作，要求進(jìn)一步強(qiáng)化責(zé)任意識(shí)，努力克服不利因素，確保節(jié)能降碳各項(xiàng)任務(wù)抓出成效。同時(shí)，通報(bào)了崇明區(qū)2018年節(jié)能降碳先進(jìn)單位和崗位能手評(píng)比情況，鼓勵(lì)各單位向先進(jìn)單位學(xué)習(xí)，認(rèn)真落實(shí)各項(xiàng)工作措施和目標(biāo)責(zé)任，確保實(shí)現(xiàn)年度節(jié)能降碳目標(biāo)。會(huì)上，上海市節(jié)能減排中心開(kāi)展了節(jié)能降碳專題培訓(xùn)，解讀上海市和崇明“十三五”節(jié)能降碳重點(diǎn)工作，并對(duì)崇明區(qū)節(jié)能降碳工作面臨的形勢(shì)及后續(xù)工作提出建議：嚴(yán)控能耗總量，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型；落實(shí)相關(guān)重大專項(xiàng)任務(wù)；積極開(kāi)展節(jié)能降碳試點(diǎn)示范。