基于多場耦合的分解爐重油燃燒NOx生成還原數(shù)值模擬分析

毛?婭，陳?響，陳作炳，江?智

基于多場耦合的分解爐重油燃燒NO生成還原數(shù)值模擬分析

毛?婭，陳?響，陳作炳，江?智

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

在中東富油地區(qū)，重油常作為工業(yè)燃料使用．為了研究重油在水泥生產(chǎn)燃燒過程中NO的生成情況，以6000t/d的TTD型分解爐為研究對象，通過FLUENT的UDF(自定義函數(shù))建立數(shù)學(xué)模型將石灰石分解反應(yīng)、燃料的燃燒反應(yīng)以及NO的生成與還原反應(yīng)耦合在一起．重點(diǎn)研究重油在分解爐內(nèi)NO的生成和還原過程及其內(nèi)部流場、溫度場和組分場分布，分析重油燃燒過程．模擬結(jié)果與實(shí)際工程數(shù)據(jù)對比誤差低于5%，表明所選用的數(shù)學(xué)模型和各反應(yīng)之間的耦合方法能夠比較精確地模擬爐內(nèi)的流場和化學(xué)反應(yīng)，為下一步研究降低重油燃燒產(chǎn)生的NO提供理論基礎(chǔ)．

分解爐；NO；重油；數(shù)值模擬；多相流

重油作為一種燃料，與煤、天然氣等燃料相比，其具有熱值高、灰分低的優(yōu)點(diǎn)[1]．對于石油資源豐富的國家和地區(qū)，水泥生產(chǎn)過程中一般以重油為燃料．重油中的含氮量為0.4％～1.0％，其燃料NO生成量為200×10-6～500×10-6[2]．為了降低對環(huán)境的污染，研究重油燃燒產(chǎn)生NO的機(jī)理是十分必要的．

梁秀俊等[3]研究了煤粉再燃過程，揮發(fā)分中HCN與NH3的反應(yīng)機(jī)理和生成途徑，并總結(jié)了HCN與NH3反應(yīng)過程主要基元反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)．胡芝娟[4]利用模擬實(shí)驗(yàn)研究了水泥工業(yè)分解爐中氮氧化物的轉(zhuǎn)化特性，揭示了煤種、氣氛、溫度和生料對燃料型NO的生成及還原特性的影響規(guī)律．黃來[5]在分析氮氧化物形成機(jī)理的基礎(chǔ)上模擬研究了分解爐內(nèi)的NO生成和轉(zhuǎn)化過程．李秀秀[6]根據(jù)捷里道維奇關(guān)于NO生成理論建立了熱力型NO的生成反應(yīng)模型．呂剛[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了分解爐內(nèi)煤粉燃燒NO生成反應(yīng)的機(jī)理模型，并得到了相關(guān)動力學(xué)參數(shù)．李莉[8]從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的角度，利用氣相動力學(xué)模擬軟件研究了分解爐特殊工況下煤粉過程中揮發(fā)分NO生成的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，并建立了揮發(fā)分生成NO的動力學(xué)模型．孫震東等[9]在充分考慮不同小室里煤粉的燃盡情況，建立了適用于NO排放量分析的超超臨界鍋爐的數(shù)學(xué)模型．Hill等[10]利用數(shù)值模擬軟件建立了根據(jù)氣體與煤粉的混合物處于湍流狀態(tài)下燃燒時氮氧化物的生成模型．Mette等[11]利用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬研究了生物質(zhì)燃燒過程中氮氧化物的生成規(guī)律．

張棟等[12]數(shù)值模擬了重油的燃燒，得到爐膛最高溫度高達(dá)1930K的結(jié)論，并分析了重油燃燒時氣相組分的分布．龔景松等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了乳化重油的燃燒特性并測量了爐膛內(nèi)不同位置的NO分布．丁濤等[14]設(shè)計(jì)了一種燃燒重油的低NO燃燒器，并通過實(shí)驗(yàn)測定了各因素對重油燃燒生成NO的影響．Duan等[15]利用收斂法建立了包含精細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的氫燃料內(nèi)燃機(jī)CFD模擬模型，研究了NO生成機(jī)理．

上述研究中，多數(shù)是研究煤燃燒過程中產(chǎn)生NO的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，或是僅通過實(shí)驗(yàn)研究重油的燃燒特性．對于重油燃燒產(chǎn)生NO的反應(yīng)機(jī)理，尤其在分解爐內(nèi)還存在分解化學(xué)反應(yīng)，目前這方面的文獻(xiàn)較少．本文以一臺大型燃用重油的工業(yè)分解爐為對象，建立了NO的反應(yīng)模型，通過UDF(自定義函數(shù))將石灰石分解反應(yīng)、燃料的燃燒反應(yīng)以及NO的生成與還原反應(yīng)耦合在一起，考慮了化學(xué)反應(yīng)與溫度、組分體積分?jǐn)?shù)間的相互影響，并利用FLUENT軟件重點(diǎn)研究重油在分解爐內(nèi)的燃燒以及NO的反應(yīng)過程.

1?幾何模型和網(wǎng)格劃分

本文以一個6000t/d的分解爐為研究對象．圖1是按實(shí)際尺寸1∶1建立的分解爐幾何模型．高溫窯尾煙氣從分解爐底部縮口進(jìn)入分解爐，其入口截面尺寸為2240mm×2240mm；三次風(fēng)入口1、2對稱布置于縮口上方，其截面尺寸為1800mm×1900mm；三次風(fēng)入口3布置于二級爐體，其直徑為1750mm；生料下料管與分解爐中軸線呈30°，撒料箱1、2對稱布置在三次風(fēng)入口1、2上方，撒料箱3、4對稱布置在二級縮口上方，生料入口的直徑均為650mm；如圖2所示，4個燃燒器以撒料箱1、2對稱布置，與分解爐中軸線呈70°，入口直徑為75mm．

圖1?分解爐幾何模型

圖2?網(wǎng)格劃分

如圖2所示，采用前處理軟件ICEM CFD劃分網(wǎng)格，全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格．以分塊技術(shù)處理三次風(fēng)入口3部分網(wǎng)格并利用interface聯(lián)接其與爐體部分的網(wǎng)格；為了降低網(wǎng)格扭曲率，采用O-block技術(shù)對圓形的進(jìn)出口位置進(jìn)行分割處理．為保證計(jì)算結(jié)果的精確度，對燃燒器部分進(jìn)行局部加密處理以提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量．以出口溫度為依據(jù)，判斷網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響，如表1所示．考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度后，分解爐的整體網(wǎng)格數(shù)量控制在16.34×104，網(wǎng)格總體質(zhì)量達(dá)到了0.2．

表1?網(wǎng)格數(shù)量與出口溫度

Tab.1?Grid number and outlet temperature

2?數(shù)學(xué)模型和邊界條件

2.1?基本數(shù)學(xué)模型

在本文對分解爐的研究中，選擇標(biāo)準(zhǔn)-模型作為氣相湍流模型；選擇離散相模型考慮油滴與氣相的耦合作用，選擇隨機(jī)軌道模型計(jì)算油滴的運(yùn)動軌跡和停留時間；輻射換熱模型選擇P1模型．重油燃燒的過程包括加熱、液滴汽化和燃燒，液滴汽化選擇擴(kuò)散控制模型．

2.1.1?重油燃燒模型

重油蒸氣并非只單純地發(fā)生氣相反應(yīng)，油汽在一定條件下會熱解分解成固體碳黑[1]．因此故本文假設(shè)重油液滴蒸氣熱解的揮發(fā)性物質(zhì)被釋放到氣相中，其余部分變成焦炭[16]，其熱解表達(dá)式如下：

油滴熱解析出揮發(fā)分模型選擇雙競爭速率模型，焦炭燃燒反應(yīng)模型選用動力/擴(kuò)散模型，氣相燃燒反應(yīng)的組分傳輸模型選擇有限速率/渦耗散模型．

2.1.2?分解模型

生料的分解按如下化學(xué)方程式進(jìn)行：

CaCO3顆粒的分解速率計(jì)算如下[17]：

反應(yīng)速率常數(shù)由CO2分壓決定：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，反應(yīng)的指前因子為1.221×108s-1，活化能為1.873×105J/mol．

其中CO2分壓計(jì)算如下：

2.1.3?NO生成和還原模型

熱力型NO一般在溫度達(dá)到1500℃后才能生成，而分解爐內(nèi)溫度主要分布在800～1200℃，快速型NO生成量一般只占總NO生成量的5%，可以忽略不計(jì)，所以分解爐只需考慮燃料型和窯尾煙氣中的NO．爐內(nèi)燃料燃燒時，產(chǎn)生CO可以還原窯尾煙氣引入的NO．故分解爐內(nèi)NO等體積分?jǐn)?shù)分布取決于燃料型NO的生成和窯尾煙氣NO的還原．

研究表明，重油中的氮大多以雜環(huán)的形式存在，燃料型NO的轉(zhuǎn)化程度取決于局部燃燒特性和含氮化合物的初始體積分?jǐn)?shù)．當(dāng)重油液滴被加熱至汽化時，含氮的燃料化合物釋放到氣相．本文研究重油的燃料型NO基于以下假設(shè)：重油中的N熱解之后馬上與氣體中的C、H元素生成中間組分HCN，雖然會生成NH3等中間組分，但重油中的N元素全部以HCN的形式釋放；燃料N進(jìn)入氣相的釋放率與揮發(fā)率呈一定比例．反應(yīng)路徑如圖3所示：

圖3?燃料型NOx反應(yīng)路徑

從圖3可知，燃料型NO生成反應(yīng)為：

中間產(chǎn)物HCN一定程度上會還原部分NO：

分解爐內(nèi)CO還原NO的反應(yīng)為：

反應(yīng)(6)的反應(yīng)速率表達(dá)如下：

反應(yīng)(7)的反應(yīng)速率為：

反應(yīng)(8)的反應(yīng)速率為：

2.2?數(shù)學(xué)模型耦合

圖4?模型耦合示意

重油液滴從主相吸收能量完成氣化和裂解過程，揮發(fā)分和焦炭燃燒產(chǎn)物進(jìn)入主項(xiàng)并反饋焦炭燃燒產(chǎn)生的能量，揮發(fā)分的反應(yīng)在主相的組分輸運(yùn)方程中完成．組分輸運(yùn)模型的具體形式為：

關(guān)于HCN、NO、CO的源項(xiàng)可以表達(dá)如下：

總之，HCN由燃燒反應(yīng)速率和式(9)、(10)確定的反應(yīng)速率決定；NO由式(9)、(10)、(11)確定的反應(yīng)速率決定；CO由燃燒反應(yīng)速率和式(11)確定的反應(yīng)速率決定．

2.3?邊界條件及數(shù)值解法

準(zhǔn)確的邊界條件能夠得到更接近實(shí)際的模擬結(jié)果，本文的邊界條件來自分解爐實(shí)際運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)．已知窯尾煙氣的總量為569638m3/h，三次風(fēng)的總量為650377m3/h，其中三次風(fēng)入口3的風(fēng)量占總?cè)物L(fēng)量的30%，生料的投產(chǎn)量為408t/h，燃料用量為10.5t/h，所用重油的熱值為4.19×104kJ/kg，各進(jìn)出口的邊界條件在表2中已列出．表3列出了重油元素分析的結(jié)果．為了減少計(jì)算的復(fù)雜性，使用平均直徑來表示顆粒大小，油滴和石灰石顆粒的直徑分別為40μm和39.9μm，顆粒粒徑分布見表4，平均粒徑為39.9mm；另外假設(shè)燃料和石灰石顆粒的大小在反應(yīng)過程中不會改變．油滴、CaCO3和CaO粒子的密度分別為960kg/m3、2600kg/m3和3320kg/m3．窯尾煙氣組分見表5，因煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)較低，對流場影響較小，故忽略其體積分?jǐn)?shù)．

表2?分解爐邊界條件

Tab.2?Boundary conditions of calciner

表3?重油燃料元素分析

Tab.3?Elemental analysis of heavy oil fuel

在流動過程中流體黏性層輸運(yùn)性質(zhì)的變化會減弱湍流作用和增強(qiáng)層流作用．因此，除了設(shè)置必要的進(jìn)口和出口邊界條件外，還要考慮這種變化產(chǎn)生的影響．FLUENT主要提供了2種方法解決該影響，分別是細(xì)化網(wǎng)格技術(shù)和壁面函數(shù)．由于細(xì)化網(wǎng)格可能引起網(wǎng)格質(zhì)量下降，故本文選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)解決黏性層輸運(yùn)性質(zhì)變化對流場產(chǎn)生的影響．壁面粗糙度采用FLUENT的默認(rèn)值．

表4?顆粒粒徑分布

Tab.4?Distribution of particle diameters

表5?窯尾煙氣組分

Tab.5?Components of kiln flue

本文在分解爐的數(shù)值模擬計(jì)算中，將采用壓力基求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用Coupled格式作為離散方程組的壓力速度耦合格式，選用一階迎風(fēng)格式作為求解的離散格式，各變量的收斂殘差設(shè)置均小于10-5．

3?結(jié)果與討論

3.1?溫度場

圖5給出了分解爐內(nèi)兩截面的溫度分布，最高溫度1660K出現(xiàn)在三次風(fēng)進(jìn)口上方靠近壁面的位置．這是由于重油油滴被兩股三級空氣迅速擴(kuò)散到主燃燒區(qū)，并從劇烈燃燒中釋放出大量熱量．與文獻(xiàn)[12]中重油燃燒的溫度高達(dá)1930K比較，這一溫度值是合理的，因?yàn)橐紤]由CaCO3的分解反應(yīng)所吸收的熱量．從窯尾進(jìn)入的煙氣在上升過程中遇到由兩側(cè)通入的三次風(fēng)后形成了兩個渦流區(qū)，生料顆粒下入分解爐后，被卷入渦流區(qū)并進(jìn)行熱交換．所以渦流區(qū)的溫度相對較低．隨后，主氣流裹挾著CaCO3顆粒繼續(xù)上升．通過熱交換，當(dāng)達(dá)到CaCO3分解反應(yīng)條件時，石灰石被分解，并吸收了大量的熱量．從圖中可以看到分解爐內(nèi)溫度分布特點(diǎn)為中間低四周高．這是因?yàn)樵诜纸鉅t的近壁區(qū)域CaCO3顆粒的濃度較低，熱量消耗較少，所以近壁區(qū)域的溫度較高，這有效地避免了爐壁結(jié)皮．生料反應(yīng)速率分布如圖6所示，在渦流區(qū)具有最大的分解率．從溫度云圖和反應(yīng)速率云圖看，反應(yīng)速率高的地方恰是溫度低的地方，這是因?yàn)闇囟仍礁叻磻?yīng)速率越快，因?yàn)榉纸夥磻?yīng)需要吸收大量的能量，所以反應(yīng)劇烈的地方溫度反而會比周圍的低．分解反應(yīng)區(qū)，溫度和反應(yīng)速率存在相關(guān)性.

圖5?分解爐溫度分布

圖6?石灰石分解反應(yīng)速率云圖

3.2?NOx分布

圖7和圖8顯示了分解爐內(nèi)NO的分布狀況，可以看到窯尾煙氣帶入分解爐中的NO很高，高達(dá)540×10-6．在5～10m的范圍內(nèi)，三次風(fēng)開始與煙氣混合，一方面稀釋了從窯尾煙氣引入的NO體積分?jǐn)?shù)，從圖中可以看到這一區(qū)域的NO體積分?jǐn)?shù)降至220×10-6；另一方面，從圖5知混合之后的氣體溫度保持在1150K以上，滿足重油發(fā)生裂解的溫度要求，重油進(jìn)入分解爐后即刻產(chǎn)生大量揮發(fā)性物質(zhì)．從圖9看，在0～9m的范圍內(nèi)，NO的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，這一趨勢正好對應(yīng)窯尾煙氣與三次風(fēng)的混合階段．

在10～25m的范圍內(nèi)，爐體中間發(fā)生著CaCO3的分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的CO2，高體積分?jǐn)?shù)的CO2降低了O2的分壓，使得爐體中間的O2含量十分低．低O2的環(huán)境下，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量還原性氣氛CO．從圖5可知，重油的燃燒區(qū)位于物料箱上方，重油燃燒既產(chǎn)生燃料型NO，又產(chǎn)生CO，而CO又還原NO．從圖7和圖8看到，NO體積分?jǐn)?shù)的最終分布呈現(xiàn)中間低四周高．圖9中，9～15m之間，NO的體積分?jǐn)?shù)有一個短暫的回升過程，說明此時NO的生成反應(yīng)大于還原反應(yīng)．15m之后還原反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢，NO的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢．

圖7?NOx分布

圖8?分解爐橫截面NOx分布

圖9?分解爐高度方向NO體積分?jǐn)?shù)分布曲線

隨著三次風(fēng)入口3風(fēng)量的引入，一方面再次稀釋了NO的體積分?jǐn)?shù)，另一方面也為分解爐提供了充足的O2，使得未燃盡的揮發(fā)分物質(zhì)燃燒充分，余下的中間產(chǎn)物HCN開始朝著NO轉(zhuǎn)變，直至出口的體積分?jǐn)?shù)為255.3×10-6．

3.3?O2分布

觀察O2的分布，如圖10所示，分解爐內(nèi)的氧氣主要來自三次風(fēng)．在5～10m的范圍內(nèi)分解爐的O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，約為18.8%．隨著氣流向上運(yùn)動，燃燒反應(yīng)發(fā)生，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低．在10～25m范圍內(nèi)O2呈中間低周圍高的分布方式．與前文的描述一致．30m處，引入第二股三次風(fēng)后O2的體積分?jǐn)?shù)有所上升，最高達(dá)到7.8%，這股風(fēng)的目的是將殘余的未完全反應(yīng)的燃料燃燒干凈．

圖10?O2分布

3.4?數(shù)據(jù)驗(yàn)證

由于本文的仿真條件來源于行業(yè)應(yīng)用，故將仿真結(jié)果與某水泥廠中控室實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖11和表6所示．最大誤差小于5%，說明該模型模擬所得結(jié)果與原尺寸煅燒爐的測量數(shù)據(jù)吻合較好．

圖11?水泥生產(chǎn)線中控

表6?模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對比

Tab.6 Comparison between simulation results and ac-tual data

4?結(jié)?論

本文利用FLUENT軟件模擬了燃用重油的6000t/d的分解爐，建立了生料分解和NO的化學(xué)反應(yīng)模型，并分析了分解爐內(nèi)部流場的分布．

(1)縱向進(jìn)入窯尾煙氣和橫向進(jìn)入的三次風(fēng)形成渦流區(qū)，卷吸CaCO3顆粒進(jìn)行熱交換，由于主氣流裹挾顆粒在爐體中間運(yùn)動，所以CaCO3的分解主要在爐體中間進(jìn)行，CO2的體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)中間高四周低．因?yàn)榉纸夥磻?yīng)吸收了大量熱量，造成分解爐內(nèi)溫度呈現(xiàn)中間低四周高的分布．

(2)分解爐的主要反應(yīng)區(qū)內(nèi)NO的體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)中間低四周高，最高達(dá)到360×10-6，最低僅有220×10-6，出口的NO體積分?jǐn)?shù)為255.3×10-6．與現(xiàn)場中控室的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比兩者誤差低于5%，說明選用的數(shù)學(xué)模型和各反應(yīng)之間的耦合方法能夠比較精確地模擬爐內(nèi)的流場和化學(xué)反應(yīng)，為下一步研究降低重油燃燒產(chǎn)生的NO提供理論基礎(chǔ)．

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Numerical Simulation Analysis of NOFormation and Reduction of Heavy Oil Combustion in Calciner Based on Multi-Field Coupling

Mao Ya，Chen Xiang，Chen Zuobing，Jiang Zhi

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

In the oil-rich areas of the Middle East，heavy oil is often used as industrial fuel.In order to study the formation of NOduring the combustion process of heavy oil in cement production，a 6000t/d TTD calciner is taken as the research object. A mathematical model is established through compiling User Defined Functions (UDFs) in FLUENT，which couples the calcination reaction of limestone，combustion reaction of fuel，as well as the NOformation and reduction. In particular，the NOformation and reduction together with the distributions of internal flow field，temperature field，and chemical component field are studied，and the combustion of heavy oil is analyzed. The error between simulation results and actual engineering data is less than 5%，which shows that the selected mathematical model and the coupling method for different reactions can accurately simulate the flow field and chemical reaction in the furnace，providing a theoretical basis for further research on reducing the NOproduced by heavy oil combustion.

calciner；NO；heavy oil；numerical simulation；multiphase flow

TK16

A

1006-8740(2021)03-0255-08

10.11715/rskxjs.R202005024

2020-05-22．

武漢理工大學(xué)企業(yè)合作項(xiàng)目(20162h0005).

毛?婭（1975—??），女，博士，副教授.

毛?婭，maoya@whut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：武立有)