基于CFD計算的管式加熱爐燃氣分級低NOx燃燒器研究

李奧金， 邢玉明， 陳 晟

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191)

基于CFD計算的管式加熱爐燃氣分級低NOx燃燒器研究

李奧金， 邢玉明， 陳 晟

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191)

以某石化公司低NOx燃燒器改造項目中管式加熱爐內(nèi)0.7 MW擴散式燃氣燃燒器為研究對象，提出了兩種低NOx改進方案。方案A采用傳統(tǒng)燃料分級供給形式，方案B在采用燃料分級供給的同時還采用了特殊耐火磚結(jié)構(gòu)。應(yīng)用計算流體力學(CFD)軟件Fluent對燃燒器兩種改進方案的燃燒過程和NO排放進行了數(shù)值模擬，獲得燃燒室內(nèi)溫度分布、組分分布、NO生成速率以及火焰形態(tài)等參數(shù)。比較計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，燃燒器方案B的結(jié)構(gòu)能夠合理地組織燃燒區(qū)的流場，改善火焰形態(tài)，提高火焰?zhèn)鳠嵝剩乐咕植繜狳c的形成，使溫度分布更均勻。與方案A相比，方案B的峰值溫度降低了233 K，出口處NO的平均體積分數(shù)降低了19.3 μL/L，抑制NO排放的效果更好。

燃氣分級燃燒器； 氮氧化物； 數(shù)值模擬； 火焰形態(tài)

燃氣燃燒器是在石油煉化過程中的管式加熱爐內(nèi)廣泛使用的加熱設(shè)備。在燃燒反應(yīng)過程中，會生成氮氧化物(90%以上為NO)，也稱為NOx，是造成大氣污染的元兇之一，給人類健康帶來巨大威脅[1]。我國于2015年4月16日發(fā)布的《石油化學工業(yè)污染物排放標準》(GB 31571-2015)中明確規(guī)定：自2017年7月1日起，對重點地區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有企業(yè)，氮氧化物排放限值為100 mg/m3[2]。目前國內(nèi)部分石油化工企業(yè)中，以燃氣為主要燃料的管式加熱爐的氮氧化物排放仍然超過該排放標準，需要對燃燒器進行改進。

低NOx燃燒技術(shù)主要通過實驗方法和計算機數(shù)值仿真進行研究。與實驗研究方法相比，計算機數(shù)值模擬研究的周期短、成本低、計算結(jié)果趨勢與實驗一致，已被相關(guān)研究人員廣泛認可。Chacón等[3]利用計算流體力學(CFD)方法對一臺實驗用2 MW 傳統(tǒng)天然氣燃燒器進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，并在此基礎(chǔ)上提出改進方案，計算結(jié)果表明，氮氧化物排放下降明顯。劉波等[4]以現(xiàn)役空氣分級燃燒器為研究對象，使用Fluent數(shù)值模擬研究了二次風分級比對輻射室內(nèi)燃燒特性以及NO生成速率的影響，發(fā)現(xiàn)當二次空氣比例增加時NO排放體積分數(shù)迅速減少。吳曉磊等[5]使用Fluent研究分析了在役油氣聯(lián)合燃燒器NO排放濃度較高的原因，并進一步數(shù)值模擬研究空氣過剩系數(shù)和主輔噴槍燃氣質(zhì)量分率對燃氣分級燃燒器燃燒性能及NOx生成的影響。

筆者針對國內(nèi)某石化公司低NOx燃燒器改造項目中某管式加熱爐內(nèi)的0.7 MW擴散式圓形燃氣燃燒器，提出兩種低NOx改進方案。方案A采用傳統(tǒng)燃料分級供給形式，方案B在采用燃料分級供給的同時還采用了特殊耐火磚結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件Fluent對兩種燃燒器方案進行數(shù)值模擬。通過對比計算區(qū)域內(nèi)溫度分布、火焰形態(tài)及NO生成速率等參數(shù)，選擇出更優(yōu)方案，并分析兩種方案不同結(jié)構(gòu)對燃燒器性能的影響，對新型低NOx燃燒器開發(fā)起到一定的指導意義。

1 燃氣分級低NOx燃燒器幾何模型與網(wǎng)格劃分

以管式加熱爐內(nèi)單臺0.7 MW擴散式圓形燃氣燃燒器作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場的尺寸設(shè)計了兩種燃氣分級低NOx燃燒器方案，并對其燃燒過程和NO排放進行數(shù)值模擬。燃燒器的燃料氣體組分如表1所示。

表1 燃氣分級低NOx燃燒器燃氣組分Table 1 Volume composition of fuel gas for the fuel staged low-NOx burner φ/%

方案A采用傳統(tǒng)燃氣分級的形式，如圖1所示。該燃燒器由1支布置在中心的一次燃氣槍和均布在圓周方向上的6支二次燃氣槍組成。一次、二次燃氣槍和風道同軸布置，一次燃氣量占總?cè)細饬康?5%。一次燃氣噴槍上均布6個噴孔，噴射方向呈90°的夾角。每個二次燃氣噴槍上開有1個噴孔，噴射方向呈40°夾角。

圖1 燃氣分級低NOx燃燒器方案A示意Fig.1 Schematic diagram of the fuel staged low-NOxburner model “A”1—Secondary fuel gun; 2—Refractory brick; 3—Pilot;4—Primary fuel gun; 5—Flame holder

方案B根據(jù)Join Zink公司專利[6]的低NOx策略進行設(shè)計，如圖2所示。該方案同樣采用燃氣分級的形式，由均布在圓周方向上的6支燃氣槍組成，氣槍和風道同軸布置。其中3支間隔布置的燃氣槍同時帶有一次和二次燃氣噴孔，另外3支槍只有二次燃氣噴孔，一次燃氣量占總?cè)細饬康?5%。一次燃氣沿水平方向噴出，穿過耐火磚上的通道進入燃燒區(qū)，二次燃氣沿著平行于耐火磚的斜臺的角度噴入燃燒區(qū)。

圖2 燃氣分級低NOx燃燒器方案B示意Fig.2 Schematic diagram of the fuel staged low-NOxburner model “B”1—Refractory brick; 2—Fuel gun provides both primary fuel and secondary fuel; 3—Pilot; 4—Secondary fuel gun

方案B的最大特點在于耐火磚的特別結(jié)構(gòu)，如圖3所示。耐火磚內(nèi)部為圓柱形的火道，外側(cè)圓周上具有6條放置燃氣槍管的通道。耐火磚高于加熱爐內(nèi)襯的部分為向中心傾斜的斜臺，并被沿圓周均布的6面磚壁隔開，相鄰的斜臺傾斜角度和高度都不同，相隔的斜臺尺寸相同，斜臺與豎直方向的夾角分別為16°和25°。其中3塊傾斜角度較大的斜臺有與一次燃氣噴孔配合的通道。

考慮模擬單臺燃燒器燃燒的情況，對兩種方案分別建立高6 m、直徑2 m的計算模型，頂部為直徑1 m的圓臺形出口，燃燒器位于計算模型底部中心位置，如圖4所示，并使用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分。由于燃燒器結(jié)構(gòu)比較復雜，采用混合網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分。對噴嘴、耐火磚等結(jié)構(gòu)復雜的區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并進行加密處理。爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，為保證計算精度和準確性采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求，并進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。燃氣分級低NOx燃燒器方案B網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖3 燃氣分級低NOx燃燒器方案B的耐火磚結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of the refractory brick of the fuel staged low-NOx burner model “B”

圖4 燃氣分級低NOx燃燒器計算模型幾何示意Fig.4 Geometric diagram of the fuel staged low-NOxburner for numerical calculation modeling

圖5 燃氣分級低NOx燃燒器方案B網(wǎng)格示意Fig.5 Mesh generation of the fuel staged low-NOx burner model “B”(a) Detail of mesh generation; (b) Ensemble of mesh generation

2 燃氣分級低NOx燃燒器數(shù)學模型及邊界條件

2.1 數(shù)學模型

在對燃燒過程進行數(shù)值模擬時，使用有限體積法離散微分方程，采用三維穩(wěn)態(tài)算法，基于壓力求解。對湍流流動采用標準k-ε兩方程湍流模型[7]，燃燒過程使用適合多組分擴散燃燒的混合分數(shù)概率密度PDF燃燒模型。輻射模型采用適用于大尺度輻射計算且計算量較小的P-1輻射模型。

由于氮氧化物濃度相對較低，且對燃燒過程的影響很小，所以其相關(guān)反應(yīng)和組分并不包含在燃燒模型中，而是包含在作為后處理的氮氧化物生成模型當中。氮氧化物的組分輸運方程通過給定的流場和燃燒結(jié)果來解，因此準確的燃燒模擬結(jié)果是氮氧化物預(yù)測的前提。一般燃燒過程中氮氧化物的排放主要是NO，針對本文模擬的混合燃料氣有熱力型NO和快速型NO兩種生成途徑[8]。熱力型NO通過空氣中的氮氣被氧氣氧化形成，由于該反應(yīng)需要打破N2很強的三價鍵，故在高溫情況下(溫度高于1800 K)，熱力型NO的反應(yīng)速率顯得重要，且其生成量隨溫度升高呈指數(shù)式增加?？焖傩蚇O主要通過氮氣與碳氫粒子團在火焰的富燃料區(qū)快速反應(yīng)產(chǎn)生。與熱力型NO相比，快速型NO的生成量較少，故生成NO的反應(yīng)速率受溫度與氧濃度的影響較大[9]。

2.2 邊界條件

燃料氣采用壓力入口，設(shè)計壓力為80 kPa，溫度300 K。助燃空氣采用速度入口，設(shè)計空氣過剩系數(shù)為1.10，空氣不經(jīng)過預(yù)熱，溫度300 K。爐膛壁面設(shè)置為溫度1000 K、輻射發(fā)射率0.8的定溫壁面，其余壁面均簡化設(shè)置為絕熱條件。

3 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案計算結(jié)果與分析

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

不同的網(wǎng)格尺度必然會影響模擬計算的合理性和準確性，同時對計算時間也有很大影響。所以有必要通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證確定合適的網(wǎng)格量，從而保證準確的計算結(jié)果以及合理的計算時間。由于對兩種燃燒器進行數(shù)值模擬的計算區(qū)域尺寸相同，故所需網(wǎng)格量也大致相同。筆者針對燃氣分級低NOx燃燒器方案B的模型劃分了151×104、223×104、278×104的3種不同網(wǎng)格量，選取爐膛中心軸線溫度分布檢驗網(wǎng)格量對計算結(jié)果的影響。計算結(jié)果由圖6所示，從軸向距離為1 m處開始，溫度受到網(wǎng)格尺寸的影響，其中151×104網(wǎng)格量的計算偏差較大。隨著網(wǎng)格數(shù)量的進一步增加，溫度變化曲線趨于一致，網(wǎng)格尺寸的影響變小，計算結(jié)果相近。因此，對計算模型劃分223×104的網(wǎng)格量能夠保證計算精度和準確性，同時節(jié)省計算時間。

圖6 燃氣分級低NOx燃燒器方案B網(wǎng)格量對爐膛中心線溫度分布的影響Fig.6 Effect of grid size on the temperature along axis of the fuel staged low-NOx burner model “B”

3.2 兩種方案計算結(jié)果對比及分析

兩種低NOx燃燒器方案的計算結(jié)果如表2所示。表中數(shù)據(jù)顯示兩種燃燒器在爐膛出口處CH4體積分數(shù)為零，方案B出口處CO平均體積分數(shù)比方案A稍高，但均處在很低的水平，說明燃料燃燒基本完全，火焰燃燒狀況穩(wěn)定。在NO排放方面，方案B的燃燒效果更佳，該方案爐膛內(nèi)最高溫度為1894 K，比方案A最高溫度低233 K；該方案出口NO的平均體積分數(shù)為16.3 μL/L，比方案A出口NO的平均體積分數(shù)低19.3 μL/L，說明方案B的燃燒方式更有效地抑制了NO的排放。

表2 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案計算結(jié)果對比Table 2 Result comparison of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models

3.3 兩種方案爐內(nèi)溫度分布與火焰形態(tài)

圖7為兩種方案中心截面上的溫度分布，由圖7可知，方案A溫度值在1800 K以上的區(qū)域面積較大，呈細長狀，并且在一次燃氣燃燒區(qū)以及在計算區(qū)域內(nèi)高度約0.8 m處出現(xiàn)了高于2000 K的局部熱點。反觀方案B在一次燃氣燃燒區(qū)并未產(chǎn)生高溫熱點。方案B在燃燒時不僅溫度峰值較低，而且溫度梯度1225 K至1841 K之間的區(qū)域更廣，同時1800 K 以上的高溫區(qū)的面積較小，說明其溫度分布均勻性更好。

圖7 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案中心截面上的溫度分布示意圖Fig.7 Temperature distribution on the center plane of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

燃氣的分級供入使一次燃燒區(qū)空氣過剩系數(shù)較高，過量的空氣有助于吸收燃燒所產(chǎn)生的熱量，但同時也加快了擴散式燃燒反應(yīng)的速率。由于方案A的一次燃氣供入后直接與空氣接觸進行反應(yīng)，使其一次燃氣燃燒區(qū)局部溫度仍然較高。與之相比，當方案B的一次燃氣從耐火磚外側(cè)的噴孔噴出時，沒有直接與空氣接觸，而是吸卷了耐火磚外側(cè)爐膛內(nèi)的煙氣，與之邊混合邊穿過耐火磚斜臺上的通道，然后接觸到助燃空氣并開始燃燒。從爐膛內(nèi)吸卷的煙氣稀釋了一次燃燒區(qū)內(nèi)混合氣體中氧氣和燃氣的組分，使得燃燒反應(yīng)的速率被降低了，故燃燒溫度低于1841 K。

在方案A計算區(qū)域內(nèi)高度約0.8 m處的高溫區(qū)，是其二次燃氣燃燒所形成火焰匯聚的地方，當火焰的表面互相接觸、融合在一起時，由于散熱表面積的減少，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的能量不易傳遞出去。同時該處的氧氣濃度仍然較高，提高了燃燒反應(yīng)速率，從而形成局部的高溫區(qū)。方案B耐火磚的特殊結(jié)構(gòu)更合理地組織燃燒區(qū)的流場形式，阻礙火焰的匯聚，將二次燃氣燃燒形成的火焰分割開，大大增加了火焰的散熱表面，同時延緩了二次燃氣與中心風道內(nèi)助燃空氣的接觸，降低了燃燒反應(yīng)速率。圖8 展示了方案A和方案B在計算區(qū)域內(nèi)高度0.8 m 處沿徑向方向的溫度分布曲線。從圖8看出，方案A的火焰熱量集中在中心處，溫度達到2100 K，而方案B的火焰溫度分布則很均勻，不超過1800 K。

圖8 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案在計算區(qū)域內(nèi)高度0.8 m處沿徑向的溫度分布Fig.8 Temperature distribution along the radial direction at 0.8 m height in the numerical calculation modeling of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models

CO是燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物，可以用它來近似表征燃燒過程中火焰的形態(tài)[10]，現(xiàn)取CO的體積分數(shù)為0.6%的等值面近似作為方案A和方案B的火焰鋒面，圖9展示了兩種方案火焰鋒面上的溫度分布。由圖9可知，方案A的火焰比較集中，呈細長形，且火焰高度高于方案B。當方案A的各個噴嘴噴出的燃氣所形成火焰聚集到中心處時，燃燒產(chǎn)生的熱量也隨之匯聚，且不易發(fā)散，使火焰表面較大面積上的溫度超過了1841 K。方案B有效地降低了火焰表面溫度，其噴出的燃氣所形成火焰上游的表面溫度較低，未超過1533 K，直到火焰下游熱量才漸漸匯聚起來，使溫度有所上升。這是由于其耐火磚結(jié)構(gòu)對燃燒區(qū)流場的引導作用，使燃燒時形成的火焰被分隔開，同時具有更多內(nèi)外起伏，呈折疊狀的部分，極大地增加了火焰表面積與體積之比，因此燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠很快地向四周傳遞，阻止熱點的形成。

圖9 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案的火焰形態(tài)示意圖Fig.9 Flame shape of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

3.4 兩種方案爐內(nèi)NO生成速率的空間分布

為了直觀描述燃燒時爐膛內(nèi)部氮氧化物的生成情況，筆者展示出兩種方案中心截面上NO生成速率的空間分布，如圖10所示。由圖10可知，方案A在一次燃氣噴入?yún)^(qū)以及二次燃氣匯聚處NO的生成速率很快，這與上文展示的溫度分布的高溫區(qū)重合，驗證了溫度分布對NO生成的重要影響。同時該區(qū)域內(nèi)氧氣的濃度很高，也創(chuàng)造了使NO快速生成的有利條件。盡管火焰內(nèi)部的溫度很高，但其組分都是未反應(yīng)的燃氣而幾乎沒有氧氣，故在火焰中心處沒有NO生成。隨著燃燒反應(yīng)的進行，氧氣濃度快速降低，在火焰中部與空氣的接觸面上仍有少量NO生成，而在火焰下游基本沒有NO生成。

圖10 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案中心截面上的NO生成速率示意圖Fig.10 Production rate of NO on the center plane of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

方案B燃燒時，NO生成的區(qū)域主要位于一次燃氣噴入?yún)^(qū)和爐膛的中心線附近。因為耐火磚的阻礙作用，二次燃氣形成的火焰沒有直接向爐膛中心匯聚，使助燃空氣能夠沿軸線穿過一次燃燒區(qū)繼續(xù)向上方擴散。盡管在一次燃燒區(qū)附近氧氣濃度較高，但由于火焰溫度低于1841 K，故NO生成速率始終較低。雖然在火焰下游溫度有所上升，超過1900 K，但此時混合氣中的氧氣已經(jīng)消耗殆盡，故NO的生成速率并沒有明顯加快。

4 結(jié) 論

(1)針對兩種0.7 MW圓形擴散式燃氣燃燒器的低NOx方案進行了數(shù)值模擬，比較模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案B對抑制NO生成的效果更好，它的峰值溫度比方案A降低了233 K，出口處NO的平均體積分數(shù)降低了19.3 μL/L。

(2)當一次燃氣噴出后，先吸卷爐內(nèi)煙氣再與空氣接觸進行燃燒時，煙氣稀釋了一次燃燒區(qū)內(nèi)混合氣體中氧氣和燃氣的組分，降低了燃燒反應(yīng)速率，使該區(qū)域溫度處于更低水平，抑制了NO的生成。

(3)燃氣分級低NOx燃燒器方案B的耐火磚的特殊結(jié)構(gòu)更合理地組織了燃燒區(qū)的流場形式，避免了火焰的匯聚，使火焰表面呈起伏、折疊狀，火焰的表面積與體積之比大幅度增加，提高火焰內(nèi)部熱量向外傳遞的效率，消除了局部熱點，使溫度分布更均勻，有利于降低NO的生成速率。

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Study on Fuel Staged Low-NOxBurner of Tube Furnace Based on CFD

LI Aojin， XING Yuming， CHEN Sheng

(CollegeofAeronauticScienceandEngineering，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)

Taking the 0.7 MW non-premixed gas burner of tube furnace in the low-NOxreform project of a petrochemical company as the research object, we put forward two different kinds of improved burner models. The model “A” adopted traditional fuel-staged form. The model “B” not only adopted fuel-staged form but also comprised a special refractory brick. Then numerical simulations of the combustion process and NO emission were carried out by using CFD(Computational fluid dynamics) software Fluent. Some related parameters were obtained, such as temperature and component distributions, NO production rate, flame shape and so on.By comparing the results, it turned out that the structure of the burner model “B” organized combustion flow field properly and scientifically, which improved the flame shape and enhanced the heat transfer efficiency of flame. It helps to avoid the formation of local overheated spot and creates a more uniform temperature distribution. Compared with the other one, the maximum temperature of the model“B”decreased by 233 K and average volume fraction of NO at exit decreased by 19.3 μL/L, which means that NO emission was reduced more efficiently.

fuel-staged burner; oxynitride; numerical simulation; flame shape

2016-07-27

中國石油化工股份有限公司天津分公司科技項目(31800000)資助

李奧金，男，碩士，從事燃氣清潔燃燒技術(shù)研究；E-mail：shidalaj@qq.com

邢玉明，男，教授，博士，從事高效低NOx燃燒和相變儲能技術(shù)研究；Tel：010-82316035；E-mail：xym505@126.com

1001-8719(2017)03-0571-07

TK223.23

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.024