新型火炬燃燒器的研究與設(shè)計

董繼先, 張帥濤

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021 )

0 引言

現(xiàn)如今，石油化學(xué)工業(yè)發(fā)展迅猛，化工、煉油、塑料等石化及后衍生產(chǎn)裝置更呈現(xiàn)出聯(lián)建聯(lián)產(chǎn)、生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大和公用工程集中供應(yīng)的特點.由于這些裝置的相互連帶關(guān)系和規(guī)?；?，在日常運(yùn)行、開停車特別是突發(fā)事故發(fā)生時，裝置將排放出較大量的排放氣或火炬氣.由于火炬氣對環(huán)境有污染或有毒，不能直接向大氣中排放，通常將火炬氣送至火炬中經(jīng)燃燒處理后再向大氣中排放.因此，在石油化工裝置中設(shè)置火炬氣回收系統(tǒng)用于處理各生產(chǎn)裝置的排放氣是很有必要的[1-11].火炬燃燒器是火炬系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞將直接影響火炬系統(tǒng)的性能和火炬系統(tǒng)是否能達(dá)到環(huán)保要求.因此合格的火炬系統(tǒng)必須有合格的火炬燃燒器.

目前，國內(nèi)外在燃燒器的研究方面已取得了一定的成就.在國內(nèi)：例如，中國船舶重工集團(tuán)公司第711研究所設(shè)計了一種蒸汽助燃型火炬燃燒器，該燃燒器包括筒體、環(huán)繞筒體的水蒸汽環(huán)管以及與所述水蒸汽環(huán)管套合的噴嘴、引射水蒸汽至筒體中心處的中心引射管和蒸汽空氣引射管[12]；陜西金黎明石化工程有限公司設(shè)計了一種蒸汽引射預(yù)混式地面燃燒器，該燃燒器包括輸氣筒、燃燒筒、支管、環(huán)管和蒸汽進(jìn)氣管[13].圖1和圖2是這兩種燃燒器的結(jié)構(gòu)圖.

圖1 蒸汽助燃型火炬燃燒器

圖2 蒸汽引射預(yù)混式地面燃燒器

在國外：例如，Marcin Dutka等[14]在他們的研究中指出，隨著電力和工業(yè)部門對燃料柔度和CO2收集辦法需要的增加，導(dǎo)致了對含氫燃料的更高關(guān)注.氫燃燒火焰中高的反應(yīng)速率和燃燒溫度是一種高氮氧化物的來源和傳統(tǒng)干貧預(yù)混低氮氧化物燃燒技術(shù)實施的一個障礙.目前實驗研究調(diào)查NOx排放物，在基于部分預(yù)混鈍體策略的有前景的燃燒器方案之上說明湍流流暢.部分預(yù)混鈍體燃燒器結(jié)構(gòu)可用于燃料和空氣中通過多級燃料噴射在加速空氣流中快速混合，后面是由一個鈍體控制的火焰穩(wěn)定化過程.

Shuguang Ti等[15]關(guān)于新的能夠加深對旋流燃燒器性能理解的研究成果如下：當(dāng)一次空氣噴嘴長度減少時，燃燒器的著火性能和NOx減少量增加.當(dāng)內(nèi)部二次空氣錐形噴嘴長度增加時，燃燒器的著火性能變?nèi)?，NOx減少量增加.當(dāng)外部二次空氣錐形噴嘴長度增加時，燃燒器的著火性能和NOx減少量變強(qiáng).

M.de Joannon等[16]在研究中指出：實驗測試在一個較小尺寸的以一種較強(qiáng)的內(nèi)部回流率為特征的燃燒器內(nèi)完成.內(nèi)部回流率是由一種反應(yīng)堆和進(jìn)給系統(tǒng)的幾何外形所獲得的低壓流體動力模型所導(dǎo)致.這種簡化被設(shè)計用于獨立的不同混合物預(yù)熱溫度和混合物稀釋水平.

雖然國內(nèi)外在燃燒器的研究方面已取得了一定的成就，但并不代表所研制的燃燒器不存在問題.目前，燃燒器存在的問題如下：

(1)國內(nèi)傳統(tǒng)的燃?xì)馊紵鱊Ox排放大多都在300 mg/m3左右，不符合GB13223-2011中規(guī)定的電站鍋爐和工業(yè)鍋爐NOx排放不高于100 mg/m3的要求.

(2)火炬氣體在事故排放時，由于排放量大，會出現(xiàn)不完全燃燒，因此會出現(xiàn)冒黑煙的現(xiàn)象，對環(huán)境大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染.

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

圖3為火炬燃燒器的模型圖.模型基本假設(shè)分析：忽略火炬燃燒器的火炬氣噴管、蒸汽噴管和預(yù)混室的壁面厚度，去掉火炬氣噴管和蒸汽噴管與外界連接用的法蘭，去掉火炬氣噴管與預(yù)混室連接時用的筋板，去掉蒸汽噴管與火炬氣噴管連接時用的筋板，只考慮由火炬氣噴管、蒸汽噴管和預(yù)混室的內(nèi)腔形成的模型，并用此模型模擬火炬氣與空氣的混合和燃燒過程.

圖3 火炬燃燒器的模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

(1)

1.2.2 動量守恒方程

(2)

式(2)中：P為靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力.

1.2.3 能量守恒方程

(3)

式(3)中：Cp為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散項.

1.2.4 組分方程

(4)

式(4)中：u、v、w為流體在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流體的密度；f、D分別是流體的組分份額、湍流擴(kuò)散系數(shù).

1.2.5 湍流模型和燃燒模型

湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)K-w模型.該模型包含了低雷諾數(shù)影響、可壓縮性影響和剪切流擴(kuò)散，適用于尾跡流動計算、混合層計算、射流計算，以及受到壁面限制的流動計算和自由剪切流計算.燃燒模型選用通用有限速度模型.

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

1.3.1 網(wǎng)格劃分

圖4為對火炬燃燒器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格圖，該模型的網(wǎng)格劃分采用的是四面體網(wǎng)格.

圖4 火炬燃燒器模型的網(wǎng)格圖

1.3.2 邊界條件

火炬氣入口和蒸汽入口采用質(zhì)量流入口邊界(Mass-Flow Inlet)，空氣入口采用壓力入口邊界(Pressure Inlet)，混合氣體出口和蒸汽出口采用壓力出口邊界(Pressure Outlet)，其余采用壁面邊界(Wall).

1.4 求解所需物性參數(shù)

火炬氣的比熱：1 440 J/Kg·K ；火炬氣的溫度：56 ℃ ；火炬氣的質(zhì)量流量：0.277 78 Kg/s ； 水蒸氣的比熱：2 034 J/Kg·K ；水蒸氣的溫度：100 ℃；水蒸氣的質(zhì)量流量：0.011 75 Kg/s ； 氮氣比熱：1 040 J/Kg·K；氮氣溫度：20 ℃；氧氣比熱：1 007 J/Kg·K；氧氣溫度：20 ℃.

2 對現(xiàn)有火炬燃燒器的數(shù)值模擬

圖5和圖6為現(xiàn)有火炬燃燒器的三維實體圖和剖面圖.由圖6可以看出，該燃燒器的工作過程為：火炬氣由火炬氣入口進(jìn)入，壓縮空氣由空氣入口進(jìn)入，然后火炬氣和壓縮空氣在預(yù)混室混合形成混合氣體并由混合氣出口噴出進(jìn)行燃燒.圖7和圖8為對該現(xiàn)有火炬燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬的溫度云圖和火炬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖.

圖5 現(xiàn)有火炬燃燒器的三維實體圖

由圖8可看出，火炬氣在混合氣體出口處分布不均勻，在出口的中心處濃度較大，這樣導(dǎo)致在出口的中心處空氣的含量較少，從而使火炬氣在出口的中心處不能完全燃燒，易形成黑煙，對環(huán)境造成較大污染.

圖6 現(xiàn)有火炬燃燒器的剖面圖

圖7 現(xiàn)有火炬燃燒器的溫度云圖

圖8 現(xiàn)有火炬燃燒器的火炬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

燃料燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要包括熱力型、燃料型和快速型3種.煤燃燒主要以燃料型NOx為主，而氣體燃料中的氮含量很少，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的NOx主要為熱力型和快速型.熱力型NOx是指在高溫環(huán)境下空氣中的氮被氧化成NOx，控制燃燒溫度是控制燃燒過程中熱力型NOx的關(guān)鍵；快速型NOx指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)(CH)等反應(yīng)生成NOx，當(dāng)爐膛溫度較高時，產(chǎn)生的快速型NOx很少，可以忽略，但當(dāng)溫度較低時，可在富燃料還原區(qū)，快速型NOx占主導(dǎo)地位，即控制爐膛溫度和燃料與助燃空氣在爐膛中均勻的混合燃燒是控制燃燒過程中快速型NOx的關(guān)鍵[17].

本次燃燒器燃燒的火炬氣是丙烯，所以不存在燃料型NOx.由圖7可看出，在混和氣體出口處燃燒溫度很高，易形成較多熱力型NOx.所以該燃燒器在燃燒時會造成NOx污染.

由上述分析可知，該燃燒器存在冒黑煙和NOx排放量較高的問題，需對該燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).

3 新型燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬

3.1 新型燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

原始數(shù)據(jù)[18]為：火炬氣C3H6的處理量：1 t/h ；火炬氣壓力：92.536 KPa；火炬氣C3H6的溫度：56 ℃；火炬氣C3H6的相對分子質(zhì)量：42；火炬氣的絕熱指數(shù)：1.113.

3.1.1 火炬氣噴管的最初尺寸：

根據(jù)API RP521標(biāo)準(zhǔn)，火炬氣噴管的直徑的計算公式如式(5)所示.

(5)

式(5)中：W-火炬氣處理量，Kg/s；Ma-馬赫數(shù)；P-火炬氣壓力，KPa；T-火炬氣的溫度，K；D-火炬氣噴管的初始直徑，m；M-火炬氣相對分子質(zhì)量；K-火炬氣絕熱指數(shù).

馬赫數(shù)Ma是火炬氣出口流速與聲波在火炬氣中的傳播速度之比.當(dāng)馬赫數(shù)小于0.2時，火炬氣能穩(wěn)定燃燒.當(dāng)燃燒器沒有穩(wěn)焰圈時，若馬赫數(shù)超過0.2，火炬氣燃燒時的火焰開始出現(xiàn)不穩(wěn)定.若馬赫數(shù)為0.5，火炬氣火焰有脫火的危險.當(dāng)燃燒器有穩(wěn)焰圈時，馬赫數(shù)在0.5以下時，火焰均具有一定的穩(wěn)定性.一般情況下，為使火焰保持穩(wěn)定，馬赫數(shù)取0.2～0.4.本次設(shè)計中馬赫數(shù)取為0.2.

因此，可知火炬氣噴管的初始直徑為：

火炬氣噴管的長度取為200 mm.

3.1.2 燃燒器預(yù)混室的尺寸

火炬氣的燃燒分為擴(kuò)散燃燒、部分預(yù)混合燃燒和完全預(yù)混合燃燒.本次設(shè)計的燃燒器采用部分預(yù)混合燃燒.燃燒器預(yù)混室的直徑預(yù)先取為200 mm，長度預(yù)先取為400 mm.

3.1.3 蒸汽噴管的計算

一般情況下，消煙蒸汽量的多少由無煙處理量和火炬氣組分決定.消煙蒸汽量的多少和烴類相對分子質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，烴類相對分子質(zhì)量越高，水蒸汽與二氧化碳之比就越低，火炬燃燒時冒煙的可能性就越大.API RP537標(biāo)準(zhǔn)中提到，通常情況下，消煙蒸汽量計算公式以美國G.R.肯特的文獻(xiàn)《實用火炬設(shè)計》為參考，該計算公式是以水蒸汽和二氧化碳的重量比約為0.7為依據(jù)推導(dǎo)出來的，計算公式為：

Ws=Wx×(0.68-10.8/M)

(6)

式(6)中：Ws-消煙蒸汽量，Kg/s;W-火炬氣處理量，Kg/s；M-火炬氣相對分子質(zhì)量.

則Ws=(1 000/3 600)×(0.68-10.8/42)=0.117 5 Kg/s.

水蒸汽有中壓和高壓，中壓蒸汽壓力為10～40 Kgf/cm2，流速為20～40 m/s，高壓蒸汽壓力為40～120 Kgf/cm2，流速為40～60 m/s.本次設(shè)計采用中壓水蒸汽，其壓力為30 Kgf/cm2，流速為30 m/s.查飽和蒸汽溫度密度壓力對照表，可知水蒸汽密度為p=1.627 Kg/m3，則水蒸汽體積流量為：V=WS/P=0.117 5/1.627=0.072 2m3/s.

蒸汽噴管的直徑為：

為了確保較好的消煙效果，用10根圍繞預(yù)混室的蒸汽噴管代替單根中央蒸汽噴管，取圍繞預(yù)混室的蒸汽噴管直徑D=10 mm，且每根蒸汽噴管中的蒸汽流量為0.011 75 Kg/s.

3.2 新型燃燒器的數(shù)值模擬

前面設(shè)計的燃燒器的結(jié)構(gòu)所依據(jù)的計算方法都是由標(biāo)準(zhǔn)API RP521所得，所計算的結(jié)果都是一些經(jīng)驗值，不能準(zhǔn)確反映燃燒結(jié)果，因此需用Fluent對燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并對燃燒器的初始尺寸進(jìn)行修改，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果.

3.2.1 火炬氣噴管和預(yù)混室結(jié)構(gòu)尺寸的確定

(1)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=200 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.044 3 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖9所示.

圖9 火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=200 mm時的速度云圖

(2)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=400 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=1.264 2 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖10所示.

圖10 火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=400 mm時的速度云圖

(3)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=200 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.746 8 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖11所示.

圖11 火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=200 mm時的速度云圖

(4)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=400 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=4.664 4 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖12所示.

圖12 火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=400 mm時的速度云圖

(5)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=250 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.239 4Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖13所示.

圖13 火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=250 mm時的速度云圖

(6)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=300 mm、火炬氣處理量w=1t/h時，引射的空氣量為：q=0.324 7 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖14所示.

圖14 火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=300 mm時的速度云圖

(7)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=350 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.455 2 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖15所示.

圖15 火炬氣噴管直徑d=68 mm、預(yù)混室直徑D=350 mm時的速度云圖

(8)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=250 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.524 8 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖16所示.

圖16 火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=250 mm時的速度云圖

(9)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=300 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.639 5 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖17所示.

圖17 火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=300 mm時的速度云圖

(10)當(dāng)火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=350 mm、火炬氣處理量w=1 t/h時，引射的空氣量為：q=0.767 9 Kg/s,用Fluent模擬的速度云圖如圖18所示.

圖18 火炬氣噴管直徑d=38 mm、預(yù)混室直徑D=350 mm時的速度云圖

由上述10組數(shù)據(jù)對比可知，火炬氣噴管直徑d=38 mm，預(yù)混室直徑D=400 mm時，引射的空氣量最大，且由上面10個速度云圖可知火炬氣噴管直徑d=38 mm，預(yù)混室直徑D=400 mm時，火炬氣與空氣混合的越均勻，越有利于火炬氣的燃燒，因此取燃燒器的火炬氣噴管直徑d=38 mm，預(yù)混室直徑D=400 mm.

3.2.2 新型燃燒器對NOx含量的控制

圖19和圖20分別是溫度云圖和火炬氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖.將圖19與圖7對比發(fā)現(xiàn)，圖19的高溫區(qū)域的溫度較圖7的高溫區(qū)域的溫度低很多，其次圖19的高溫區(qū)域較小，所以新型燃燒器在燃燒火炬氣時生成的熱力型NOx很少.由火炬氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖圖20可以看出，火炬氣在空氣中分布較為均勻，則不易形成快速型NOx，所以該燃燒器在燃燒火炬氣時生成的NOx的量很少，對環(huán)境的污染也很小.

圖19 溫度云圖

圖20 火炬氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

3.2.3 新型燃燒器對火炬氣燃燒時產(chǎn)生黑煙的控制

由于黑煙對環(huán)境污染較大，因此應(yīng)對火炬氣燃燒時產(chǎn)生的黑煙進(jìn)行控制.本次設(shè)計對黑煙的控制方法是蒸汽消煙.蒸汽消煙原理：噴放的蒸汽在高溫下與烴類分解出的游離碳發(fā)生水煤氣反應(yīng)，促進(jìn)完全燃燒，實現(xiàn)無煙燃燒.其反應(yīng)方程式如下：

C + H2O↑→CO↑+H2↑

2CO↑+O2↑→2CO2↑

2H2↑+O2↑→2H2O↑

將圖20與圖8比較發(fā)現(xiàn)，圖20中火炬氣燃燒過程較圖8多了個蒸汽消煙，即使火炬氣在燃燒時有游離碳析出，也會與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)，且圖20中火炬氣燃燒時較圖8中的火炬氣分布均勻，所以圖20中的火炬氣燃燒時不會產(chǎn)生黑煙，從而達(dá)到消煙的目的.

火炬燃燒器的三維圖如圖21所示.

圖21 火炬燃燒器的三維圖

4 結(jié)論

火炬氣燃燒時生成NOx和冒黑煙是一個普遍現(xiàn)象[19]，只有準(zhǔn)確把握其產(chǎn)生原因才有可能獲得合理的治理措施.本文通過合理設(shè)計燃燒器結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火炬氣噴管直徑為38 mm，預(yù)混室直徑為400 mm，并輔以蒸汽消煙裝置時，可控制NOx排放量超標(biāo)和冒黑煙問題，為保護(hù)環(huán)境提供了一種措施，也為燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種新思路.