梭式窑吸入式烧嘴的燃烧模拟与研究

李艳

梭式窑吸入式烧嘴的燃烧模拟与研究

一、引言
  众所周知，梭式窑具有结构紧凑,占地面积少,投资少,见效快,烧成制度调节灵活等优点，在陶瓷行业已经得到了普遍推广，因此对梭式窑各方面的研究也越来越广泛。在关于梭式窑的研究中，数值模拟成为主要的研究方法，通过数值模拟可实现不同条件下的工况。 目前国内外对梭式窑烧嘴的研究大多停留在生产经验上，对窑内烟气状况的研究则更少，燃烧产物状况是影响产品质量和生产效益的重要因素，同时也对合理组织炉膛内的燃烧，节能、减少污染以及优化烧嘴结构具有重大的指导意义，因此深入开展梭式窑烧嘴的理论和模拟研究对改进我国窑炉设计和陶瓷烧制理论与技术具有重要的学术意义和工业应用价值。本文在原有工作的基础上，利用CFD商用软件Fluent模拟了常比热容和变比热容条件下产生的不同燃烧结果。
二、吸入式烧嘴的数学模型
1、模拟对象假设
  本文以梭式窑的烧嘴为主要模拟对象，根据要求建立了燃烧实验台的几何模型。现对模型进行如下假设：
①、几何体的尺寸以实际的梭式窑的尺寸为主；
②、窑体在烧成的过程中不会漏入冷空气；
③、烧嘴仅仅包括助燃空气和燃料入口两个部分。
2、几何模型的尺寸
  本模拟以系实验室的燃烧实验台为模型，具体的尺寸结构如：

3、边界类型的选取
  在几何模型建立后，进行网格划分，并对模型进行边界类型选取,供Fluent计算时输入边界条件。本文将烧嘴的燃料进口定为fuelinlet；空气入口定为airinlet；燃料入口的小管定为nozzle；烟气出口为outlet；窑底、四周窑墙为wall；网格离散区为fluid。 通过试验数据整理及热工计算可得到烧嘴速度边界条件：温度为1051℃时，Vf=3.574m/s,Va=0.823m/s。
4、数值模拟的模型选择
  本文模拟的烧成实验室梭式窑所使用的吸入式烧嘴属于全预混式烧嘴（高压喷射式烧嘴），其特征是液化石油气与空气预先在烧嘴内充分混合，然后再进入窑内或燃烧室内燃烧，所以燃烧模拟采用通用有限速度模型中的涡耗散（Eddy-dissipation）燃烧模型。 由于陶瓷烧成过程为强烈的紊流过程，且对于梭式窑来说将其每一刻均视为不可压缩流体，为加快计算收敛速度,计算开始首先选用标准κ-ε两方程模型,待计算收敛后,再改用最终选用的RNGκ-ε湍流模型,通过求解连续性方程、动量方程及RNGκ-ε方程来获得湍流流场分布的各特征量。  

三、 吸入式烧嘴的数值模拟结果和分析
1、常比热容数值模拟
  按上述数学模型在Cp不变的条件下对自吸式烧嘴进行三维数值燃烧模拟。从速度场分布图2中可以看出，速度最大值发生在烧嘴燃料进口处附近，这是由于此时燃料的速度本来很大。气体混合后速度一样，并且变慢了，这说明气体在混合后很均匀，这将有助于燃料与空气的有效燃烧。

由温度分布图3可知，在Vf=3.574m/s,Va=0.823m/s时模拟的燃烧温度和实际测量的燃烧温度基本能够拟合，表明本模拟中所选用的数学模型能够较好地反映燃料和空气的燃烧过程。 通过温度场的分布可以看出火焰的最高温度大约在1340K左右，出现在离烧嘴口大约120mm处范围，断面其余部分温度分层比较均匀，大约都在1240K左右，温差较小。同时可以看出高温区域比较大，没有明显的火焰，这说明预混燃烧是无焰燃烧，燃料和空气在进入窑炉内就已经完全混合均匀，燃烧速度比有焰燃烧快得多，整个燃烧过程很快就在烧嘴出口处结束。由于高温区域比较集中，而且所用的过剩空气量少，所以无焰燃烧温度比有焰燃烧高。实际温度是1324K，所模拟的温度是1340K,与实际的温度相差不大，模型基本正确。
2、变比热容数值模拟
  比热假定不变，对燃烧的求解有很大的影响。尤其是比热对温度和组分的强烈依赖将对火焰温度的预测有很大影响。在采用变比热容的解法时，启动比热对组成成分的变化特征。进行迭代计算残差显著跳升，进行500步迭代，求解大概在275个迭代之后收敛。 由（图4）Cp变化的等温图得出：采用随温度和组分变化的比热后，最高温度已经降低到1310K,说明在实际模拟中采用这种方法的正确性和必要性。由图5等比热容图看出，在进入窑体,温度和燃烧产物比较集中的地方，混合比热较大。相对以前用过的常比热容值，热容的增加显著的降低了温度的峰值。由从（图6）H2O和N2的质量分数等高图可以看出：燃烧在烧嘴出口附近是最剧烈的，燃烧状态是最好的，所以此时H2O的质量分数最高，而N2的含量较低。从燃烧的模拟中可以发现，燃烧在氧气正常的情况下是预混的无焰燃烧，燃烧后的高温分布在窑体里面。（图7）C3H8和O2的质量分数等高图说明C3H8完全燃烧后在窑体里面几乎全部消耗了，在燃料进口附近质量分散最大。O2质量分散在烧嘴里面最大，在窑体里减少了很多，这说明在窑体里面消耗了大量的氧气。氧气还有剩余，燃料充分燃烧，从图中可以清晰的看到燃烧后的物质组分情况。

四、结论
1、比热容的变化对燃烧有重要影响，因此在数值模拟各种燃烧时应对其进行考虑。
2、燃料燃烧时，氮气吸收大量热量,并与空气中的氧发生反应,生成大量的NO2,从而降低了燃料的燃烧效率。


内容来源：《景德镇陶瓷》