徐海波

摘要：利用FLUENT軟件對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燃燒過程加以描述，得到了燃燒單元內(nèi)的流場分布，推測出火焰的基本形狀以及溫度場分布等相關(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

近年來受國際原油價(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)場情況針對燃油鍋爐改成油氣混燒鍋爐后燃燒器的布置位置對于鍋爐內(nèi)的溫度場、流場等參數(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實(shí)際現(xiàn)場應(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]針對燃油的霧化進(jìn)行了研究，對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Seong Cheon Kim和Young Nam Chun[7]對燃油燃燒器進(jìn)行了研究，通過調(diào)整助燃空氣流速、對反應(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程。任君[9]對寶鋼集團(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)度下液霧燃燒過程的數(shù)值模擬。

綜上所述，目前國內(nèi)外油-氣聯(lián)合燃燒器的研究都是針對單獨(dú)燒油或氣的情況，以及對配風(fēng)方式和燃燒器布置的研究，對油-氣聯(lián)合燃燒器燃料油入口噴射角度研究的報(bào)道鮮見。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，通過對其液態(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，對燃燒單元內(nèi)速度、溫度場、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。過程空氣系數(shù)取1.2。

4 模擬結(jié)果及討論

4.1 流場及速度曲線 如圖3所示為燃燒單元內(nèi)部的流場。燃料在與氧氣發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過燃燒道出口進(jìn)入爐膛，通過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，當(dāng)液體燃料入口角度為30°時(shí)的回流面積最大，這對于燃燒單元內(nèi)的換熱有利。

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圖3 燃燒單元流場

4.2 CO質(zhì)量分布 CO作為烴類燃料燃燒過程中的中間產(chǎn)物，我們可以用CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布來表征爐膛內(nèi)的火焰形狀。對于燃油燃燒器而言，要求火焰長度較短。一方面火焰長度過長容易造成燃油碰壁，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、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)，火焰高度又開始提高，說明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，這些都對燃料的燃燒起到了積極的作用，使燃燒過程變短，利于增加火焰的剛度和使?fàn)t膛內(nèi)的溫度場的分布更合理，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，另一方面還助長了氮氧化物的生成，會(huì)對環(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，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)對提高燃燒器燃燒效果的改進(jìn)最為明顯。

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