液體燃料噴射角對(duì)油氣聯(lián)合燃燒器性能影響研究

徐海波

摘要：利用FLUENT軟件對(duì)某石化煉油廠在用油-氣聯(lián)合燃燒器的燃料油入口噴射角度改進(jìn)效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，提出了4種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，采用k-ε模型、P-1輻射模型、DPM離散相模型、污染物排放模型等對(duì)燃燒過(guò)程加以描述，得到了燃燒單元內(nèi)的流場(chǎng)分布，推測(cè)出火焰的基本形狀以及溫度場(chǎng)分布等相關(guān)信息。模擬結(jié)果表明，調(diào)整燃料油的入口噴射角度為30°時(shí)能夠強(qiáng)化燃料與助燃空氣的混合效果，有效地降低火焰高度，減小燃燒爐內(nèi)的局部高溫區(qū)，降低氮氧化物排放量，提高燃料油與燃料氣的利用率。

關(guān)鍵詞：油-氣聯(lián)合燃燒器 管式加熱爐 燃料油 噴射入口角度 數(shù)值模擬

1 概述

近年來(lái)受國(guó)際原油價(jià)格的上漲，渣油價(jià)格也隨之提升，許多企業(yè)考慮到經(jīng)濟(jì)因素在原有燃油鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，把燃油燃燒器改成油-氣聯(lián)合燃燒器，Marek

■arlej[1]、王斌[2]等人根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況針對(duì)燃油鍋爐改成油氣混燒鍋爐后燃燒器的布置位置對(duì)于鍋爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查，很多石油煉化工廠中實(shí)際燒的渣油和燃料氣由于產(chǎn)量不穩(wěn)定，也經(jīng)常會(huì)把油-氣聯(lián)合燃燒器的氣相噴孔或液相噴孔關(guān)閉一個(gè)單獨(dú)使用氣噴孔或油噴孔進(jìn)行工作，關(guān)于這方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-5]也做了大量的研究工作，這些研究主要是針對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的某一臺(tái)油-氣聯(lián)合燃燒器在應(yīng)用中單獨(dú)燒氣的情況為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出新的噴嘴結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了火焰的形狀，減少了NOx的排放。

如何提高加熱爐燃燒效率是多年來(lái)一直熱門的課題。提高燃燒效率即改進(jìn)燃燒效果，最直接有效的方法便是強(qiáng)化初始階段燃料與助燃空氣的混合效果。Sushenko[6]針對(duì)燃油的霧化進(jìn)行了研究，對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Seong Cheon Kim和Young Nam Chun[7]對(duì)燃油燃燒器進(jìn)行了研究，通過(guò)調(diào)整助燃空氣流速、對(duì)反應(yīng)物施加一定頻率和振幅的外部振蕩，從而增進(jìn)了燃料與空氣的混合，縮短了燃料在高溫燃燒區(qū)的停留時(shí)間，最終達(dá)到降低NOx排放的目的。周桂娟[8]主要研究燃油燃燒器出口液霧燃燒的氣液兩相湍流流動(dòng)、液霧擴(kuò)散和蒸發(fā)、氣相燃燒和傳熱、氣體和液霧以及燃燒裝置之間輻射傳熱等過(guò)程。任君[9]對(duì)寶鋼集團(tuán)熱力分廠在用的旋流燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。張財(cái)紅[10]結(jié)合柱狀燃燒室內(nèi)液霧的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了不同旋流強(qiáng)度下液霧燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外油-氣聯(lián)合燃燒器的研究都是針對(duì)單獨(dú)燒油或氣的情況，以及對(duì)配風(fēng)方式和燃燒器布置的研究，對(duì)油-氣聯(lián)合燃燒器燃料油入口噴射角度研究的報(bào)道鮮見(jiàn)。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選用一臺(tái)在役的油-氣聯(lián)合燃燒器，通過(guò)對(duì)其液態(tài)燃料入口噴射角度改進(jìn)后的運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)燃燒單元內(nèi)速度、溫度場(chǎng)、火焰形狀等信息的分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性，對(duì)于工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

2 計(jì)算模型和邊界條件確定

2.1 計(jì)算模型 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分在FLUENT前置軟件gambit中進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立如圖1（a）所示燃燒單元整體模型，模型總高度17m，燃燒單元部分直徑4m，頂部設(shè)置成圓臺(tái)形出口，直徑2m。燃燒器底部中心突出的部分頂端均勻分布著直徑為4mm的燃料油入口，突出部分根部周圍分布著如圖1（b）所示的24個(gè)方形燃料氣入孔，助燃空氣分別從燃燒道底部和側(cè)面兩次供入。

本文通過(guò)模擬改進(jìn)液體燃料噴射入口角度與原工況下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比較，在入口截面積大小不變的情況下，分別把燃料油入射口與豎直方向的夾角α設(shè)置成20°、25°、30°、35°、40°，其中25°出口是在用燃燒器的參數(shù)。如圖2燃燒器部分采用Tet/Hybird網(wǎng)格，燃燒單元選擇Hex/Wedge網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整個(gè)模型劃分約200萬(wàn)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量能滿足精度要求。

2.2 邊界條件 燃料和助燃空氣入口為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，加熱爐整體在負(fù)壓下運(yùn)行，爐膛、火道壁面設(shè)為定溫壁面，溫度800K，其他壁面簡(jiǎn)化為絕熱壁面。

3 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算條件

3.1 數(shù)學(xué)模型的設(shè)定 基于物理模型的復(fù)雜性，為燃燒器選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型?？紤]到湍流流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)之間的耦合，采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型（PDF模型）。輻射模型采用能夠符合要求并且計(jì)算量較小的P-1輻射模型。采用污染物模型監(jiān)測(cè)NOx的排放量。將燃料氣視為連續(xù)相，液滴顆粒作為離散相，采用DPM噴射模型。在計(jì)算過(guò)程中考慮連續(xù)相與離散相的相互影響，跟蹤計(jì)算顆粒沿軌道的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量的得到與損失，這些量在計(jì)算連續(xù)相的時(shí)候?qū)⒈蛔鳛樵?xiàng)。交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到二者均收斂為止，這樣就實(shí)現(xiàn)了雙向耦合計(jì)算。

3.2 計(jì)算條件 氣體燃料成分為：C3H8占49.6%，C4H10占50.4%，液體燃料以柴油代替渣油，柴油是一種混合物，含有多種成分，主要以烷烴為主，其中正庚烷的含量約為12%，盡管正庚烷的物理性質(zhì)與柴油有一定的區(qū)別，但它們的燃燒特性十分相似。過(guò)程空氣系數(shù)取1.2。

4 模擬結(jié)果及討論

4.1 流場(chǎng)及速度曲線 如圖3所示為燃燒單元內(nèi)部的流場(chǎng)。燃料在與氧氣發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)燃燒道出口進(jìn)入爐膛，通過(guò)輻射與周圍布置的管道進(jìn)行換熱，在接近7米左右會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，拉動(dòng)高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)部產(chǎn)生回流，回流的面積和對(duì)稱性會(huì)隨著液體燃料噴射入口角度的變化產(chǎn)生一些差異，這主要是由于隨著角度的變化爐膛入口的高溫?zé)煔馑俣葧?huì)發(fā)生變化，速度慢的煙氣抗干擾的能力較差導(dǎo)致煙氣回流穩(wěn)定性下降。回流面積的大小會(huì)直接影響燃燒單元內(nèi)的溫度分布狀況。顯而易見(jiàn)，當(dāng)液體燃料入口角度為30°時(shí)的回流面積最大，這對(duì)于燃燒單元內(nèi)的換熱有利。

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圖3 燃燒單元流場(chǎng)

4.2 CO質(zhì)量分布 CO作為烴類燃料燃燒過(guò)程中的中間產(chǎn)物，我們可以用CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布來(lái)表征爐膛內(nèi)的火焰形狀。對(duì)于燃油燃燒器而言，要求火焰長(zhǎng)度較短。一方面火焰長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)容易造成燃油碰壁，產(chǎn)生嚴(yán)重的冒煙和燃燒不完全現(xiàn)象；另一方面，短火焰具有高溫區(qū)域窄、火力集中、火焰溫度高的優(yōu)勢(shì)、其燃燒效率高。

如圖4所示為燃燒單元中心截面上CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。在各種結(jié)構(gòu)下燃料都能順利的燃盡，但CO的分布面積有一定的差異，改進(jìn)前CO要延續(xù)到7.5m左右才能燃盡，當(dāng)減小燃料油入口噴射角度時(shí)，火焰的高度比改進(jìn)前高，燃燒效果惡化，相反增加液體燃料噴射入口角度時(shí)，燃燒效果得到了優(yōu)化，在角度為30°時(shí)，火焰的高度在7m左右，繼續(xù)增大噴射入口角度時(shí)，火焰高度又開(kāi)始提高，說(shuō)明30°為燃料的最佳入射角度。在這一角度時(shí)，液體燃料、氣體燃料、空氣的混合最充分，這些都對(duì)燃料的燃燒起到了積極的作用，使燃燒過(guò)程變短，利于增加火焰的剛度和使?fàn)t膛內(nèi)的溫度場(chǎng)的分布更合理，防止偏燒。

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圖4 燃燒單元內(nèi)火焰形狀

4.3 溫度場(chǎng)分布 鍋爐燃用渣油時(shí)，爐內(nèi)的輻射成分除了CO2、H2O等三原子外，還有大量的液滴油霧和碳黑粒子存在，而這些粒子具有很強(qiáng)的輻射能力。這些油霧和粒子碳黑粒子也會(huì)對(duì)爐膛內(nèi)部的溫度分布有很大的影響。

燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的最終目的是使?fàn)t膛的溫度分布更加合理，如圖5所示為燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的溫度場(chǎng)分布情況。在原始25°的結(jié)構(gòu)下，爐膛內(nèi)部10m位上下存在較大的局部高溫區(qū)，這種情況一方面容易導(dǎo)致加熱爐內(nèi)爐管受熱不均勻產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，另一方面還助長(zhǎng)了氮氧化物的生成，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。當(dāng)減小噴射入口角度為20°時(shí)，局部高溫區(qū)的面積擴(kuò)大，燃燒單元內(nèi)整體燃燒效果惡化。當(dāng)增大燃料入口噴射入口角度以后都能達(dá)到改進(jìn)優(yōu)化爐膛溫度分布的效果，噴射入口角度30°時(shí)，爐膛入口混合煙氣的流速最高，燃料油，燃料氣和空氣的混合程度最優(yōu)，火焰剛度強(qiáng)于其他結(jié)構(gòu)，燃燒效果最理想。

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圖5 燃燒單元內(nèi)溫度場(chǎng)分布

4.4 氮氧化物分布 大多數(shù)NOx形成于火焰溫度達(dá)到峰值1538℃～1760℃的幾秒內(nèi)，也就是說(shuō)，如果能夠減小燃燒單元內(nèi)的高溫面積就能夠有效的控制氮氧化物的生成，與前面的燃燒單元內(nèi)溫度分布相對(duì)應(yīng)，從圖6中可以看出，由于噴射入口角度為30°時(shí)爐膛內(nèi)的高溫區(qū)域面積比較小，所以在燃燒單元出口處的氧化物排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小為0.0278%，而在火焰中心區(qū)域，雖然局部溫度比較高，但是這個(gè)位置氧氣濃度偏低，所以生成的氮氧化物會(huì)較少。

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圖6 燃燒單元NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)改進(jìn)油-氣聯(lián)合燃燒器燃料油的噴射入口角度能夠優(yōu)化燃料與空氣的混合，爐膛入口混合氣的速度有了比較明顯的提高，增加了火焰的剛度，大大降低了爐膛內(nèi)部的局部高溫區(qū)，減少氮氧化物的排放量，在提出的四種改進(jìn)方案中，燃料油入口30°時(shí)對(duì)提高燃燒器燃燒效果的改進(jìn)最為明顯。

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