新型低氮燃氣分級燃燒器燃燒特性和NOx排放的CFD研究

吳曉磊，劉波，任政，王元華，徐向榮，李旭燦

（1華東理工大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200237；2湖南吉祥石化科技股份有限公司，湖南 岳陽414000；3中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 211521）

新型低氮燃氣分級燃燒器燃燒特性和NOx排放的CFD研究

吳曉磊1，劉波1，任政2，王元華1，徐向榮3，李旭燦3

（1華東理工大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200237；2湖南吉祥石化科技股份有限公司，湖南 岳陽414000；3中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 211521）

應用CFD軟件Fluent數(shù)值模擬了某二甲苯塔再沸爐在役油氣聯(lián)合燃燒器燃燒和NOx排放特性，分析了其NOx排放濃度較高的原因，提出了新型低NOx燃氣分級燃燒器的改造方案，并數(shù)值模擬了新型燃燒器空氣預熱溫度Tair、過?？諝庀禂?shù)α和主輔噴槍燃氣質(zhì)量分率Rp對輻射室壁面熱通量、出口溫度、火焰高度和爐膛出口NOx排放濃度的影響。針對在役燃燒器的模擬結(jié)果與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)吻合良好，說明所選模型能夠正確模擬爐膛內(nèi)部的流動、輻射、燃燒和NOx生成過程。新型燃燒器模擬結(jié)果表明，增加Tair會增加輻射壁面熱通量，同時也會增加NO的排放；輻射壁面熱通量隨α增加而降低，NOx排放濃度隨α增加而增加；Rp對爐內(nèi)傳熱和NOx排放的影響并不明顯。當Tair= 220℃、α =1.05及Rp= 0.24時，新型燃燒器在模擬范圍內(nèi)達到最佳運行工況，輻射壁熱通量為37.45kW/m2，NOx排放濃度為12.1μL/L。

燃氣分級燃燒器；空氣預熱溫度；過?？諝庀禂?shù)；氮氧化物

管式加熱爐是石油煉化中常用的加熱設備，隨著環(huán)保政策的要求越來越嚴格，管式加熱爐面臨著減少污染物排放，尤其是氮氧化物排放的重要挑戰(zhàn)。燃料分級、空氣分級、低NOx旋流燃燒、煙氣循環(huán)、溫和與深度低氧稀釋燃燒（MILD）等低NOx技術已廣泛應用于工業(yè)領域[1]。加熱爐的現(xiàn)場調(diào)節(jié)可對提高燃燒效率和降低氮氧化物排放進行優(yōu)化，雖調(diào)節(jié)范圍有限，但更加簡單經(jīng)濟。國內(nèi)外已經(jīng)進行了一些關于加熱爐工況參數(shù)的研究，Habib等[2]通過數(shù)值模擬研究了燃氣鍋爐過?？諝庀禂?shù)、空氣預熱溫度對爐膛溫度和NO排放的影響；Mafra等[3]研究了當量比對液化石油氣旋流燃燒NO排放的影響；Zabetta等[4]則研究了燃氣分級和空氣分級降低NO排放的效果。這些研究成果對于加熱爐工況調(diào)節(jié)具有指導意義，但對于具體類型的燃燒器和加熱爐，仍然需要針對性的研究。

本文的研究對象為某芳烴廠二甲苯塔再沸爐，應用計算流體力學（CFD）軟件Fluent，首先對在役燃燒器運行狀況進行了模擬，分析了其NOx排放較高的原因，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，以驗證所選數(shù)學模型正確；其次，通過正交實驗設計，研究了某新型低NOx燃氣分級燃燒器，空氣預熱溫度、過?？諝庀禂?shù)和主燃氣噴槍質(zhì)量分率（Rp為主燃氣噴槍質(zhì)量流量與總?cè)細赓|(zhì)量流量的比值）對輻射室內(nèi)速度、溫度、組分濃度、火焰高度和NOx排放的影響，并基于燃燒和污染物排放得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

該二甲苯塔再沸爐設計工藝熱負荷76.34MW，輻射段爐內(nèi)高20370mm，爐內(nèi)徑φ9976mm，16臺燃燒器均布在爐底φ5350mm的圓周上。在役燃燒器為油氣聯(lián)合燃燒器，現(xiàn)只燒燃料氣，如圖1(a)所示；擬更換的新型高效低NOx燃氣燃燒器如圖1(b)所示。在役燃燒器由1支油氣聯(lián)合主噴槍和6支燃氣分級噴槍組成，空氣被分為一次風和二次風分別供給一次燃燒區(qū)和二次燃燒區(qū)。新型燃燒器由1支主燃氣噴槍和4支分級燃氣噴槍組成，主、輔燃氣噴槍、風道、火道同軸布置。燃料是由體積分數(shù)44.2%CH4、16.4%H2、12%C2H6、9.9%C3H8、3.2%n-C4H10、7.3%i-C4H10和7.1%N2組成的混合氣。

管式加熱爐的爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器對稱布置，因此，本文通過設置對稱面只對1/8區(qū)域（2個燃燒器）進行建模，不僅減少計算量，還考慮火焰之間的相互影響。通過GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格，采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理結(jié)構(gòu)復雜的燃燒器，由于噴嘴和火道等區(qū)域各參數(shù)的梯度較大，故而進行局部加密[5]。爐膛內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，采用六面體網(wǎng)格。在役油氣聯(lián)合燃燒器和新型低NOx燃燒器網(wǎng)格劃分如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃燒器網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學模型和邊界條件

2.1 數(shù)學模型的設定

采用標準k-ε雙方程模型處理湍流運動[6]，選用概率密度函數(shù)PDF模型簡化燃燒過程，該模型適用于擴散燃燒的數(shù)值模擬[7]，并采用離散坐標DO模型處理輻射過程，DO模型適用于從小尺度到大尺度的輻射計算，且可計算非灰度輻射和散射效應。固體壁面設置無滑移邊界，近壁區(qū)應用標準壁面函數(shù)。采用數(shù)值模擬進行三維穩(wěn)態(tài)計算，采用SIMPLE算法處理速度與壓力的耦合關系，動量、能量、組分等方程采用二階迎風格式進行離散。

一般地，管式加熱爐NOx排放中主要是NO，所以只考慮NO模型。NO的生成有3種機理：熱力型NO、快速型NO和燃料型NO[8]。熱力型NO通過空氣中的氮氣氧化形成，燃燒溫度、反應區(qū)氧含量和停留時間三因素對熱力型NO形成具有重要影響。在溫度低于1800K時，熱力型機理影響很小，但當溫度高于1800K時，熱力型NO的生成量隨溫度升高呈指數(shù)增加[9]。快速型NO主要通過氮氣與碳氫粒子團在火焰前鋒面的快速反應產(chǎn)生，而燃料型NO則主要依靠氧化燃料中的含氮化合物形成。由于煉廠干氣中無含氮化合物，在選擇NO模型時忽略燃料型NO的生成。因此，本文只對熱力型NO和快速型NO進行模擬。由于燃燒過程產(chǎn)生的NO與其他煙氣組分相比濃度很小，不會對燃燒過程產(chǎn)生影響，本文采用后處理的方法計算NO的生成。

2.2 邊界條件的設定

本文對新型低NOx燃氣分級燃燒器空氣預熱溫度（Tair= 220℃，250℃，280℃)、過?？諝庀禂?shù)（α= 1.05，1.1，1.15）、主噴槍燃氣質(zhì)量分率（Rp= 0.24，0.28，0.32）進行了三因素三水平的正交試驗設計，共9種工況。

燃料氣進口采用質(zhì)量入口邊界條件，不同燃氣質(zhì)量分級下，主、輔燃氣噴槍質(zhì)量流量見表1。助燃空氣進口采用速度入口條件，不同空氣預熱溫度和過剩空氣系數(shù)下，空氣入口速度見表2。爐膛出口采用壓力（-60Pa）出口條件。設定爐膛壁面為定溫，其他表面默認為絕熱壁面。

表1 不同燃氣質(zhì)量分級比下主、輔噴槍質(zhì)量流量

表2 不同空氣預熱溫度和過剩空氣系數(shù)下空氣入口速度

3 計算結(jié)果與分析

3.1 在役燃燒器運行分析與模型驗證

二甲苯塔再沸爐的設計參數(shù)為，空氣預熱280℃，過空系數(shù)1.15，主噴槍燃氣質(zhì)量分率0.33，輻射段出口溫度1031K，輻射段出口濕煙氣氧含量2.5%（體積分數(shù)）。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，輻射段出口溫度1040K，輻射段出口氧含量2.73%，與設計數(shù)據(jù)吻合。再沸爐滿負荷運行時，距爐內(nèi)壁800mm，高1235mm處溫度在958K附近波動，數(shù)值模擬結(jié)果為954K。對流段出口NOx實測濃度為230mg/m3，模擬結(jié)果為238mg/m3。綜上，模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合較好，采用標準k-ε雙方程模型、PDF燃燒模型、DO輻射模型以SIMPLE數(shù)值計算方法模擬該二甲苯塔再沸爐的湍流非預混燃燒完全合理。

在役燃燒器為油氣聯(lián)合燃燒器，為實現(xiàn)燃料油的良好霧化和完全燃燒，采用旋流二次霧化技術。一次風速低、風量少，利于燃料的著火和穩(wěn)定，二次風速高，可以加強空氣與燃料的混合，提高燃燒效率，實現(xiàn)完全燃燒。根據(jù)現(xiàn)場需要，目前只燒燃料氣。主燃氣從油氣槍的燃氣通道經(jīng)噴嘴射出，在火盆內(nèi)與一次風邊混合邊燃燒；在火盆磚上邊緣，一次燃燒區(qū)的未反應物和燃燒產(chǎn)物與二次燃氣和二次風在火道內(nèi)混合燃燒。二次燃燒區(qū)在絕熱的火盆磚內(nèi)進行，在爐內(nèi)形成剛直有力、明亮的火焰，有利于燃氣的完全燃燒，但又容易形成局部高溫，導致熱力型NO大量產(chǎn)生。圖3(a)為在役燃燒器爐內(nèi)溫度分布，由圖可知，溫度大于1800K的局部高溫區(qū)主要出現(xiàn)在火道出口處至2.5m高度處，此區(qū)域內(nèi)NO大量生成，導致NO摩爾分數(shù)濃度較高，如圖3(b)所示。在役燃燒器產(chǎn)生的局部高溫是其NO排放濃度較高的主要原因，采用新型低NOx燃氣分級燃燒器能夠分散火焰體積，降低局部高溫，縮小高溫區(qū)，有效減少NOx排放。

3.2 新型低NOx燃氣分級燃燒器網(wǎng)格無關化驗證

網(wǎng)格無關化驗證是數(shù)值模擬過程中常見的步驟，其可以為網(wǎng)格劃分確定合理的網(wǎng)格尺寸，從而保證計算結(jié)果的正確性。本文劃分了單元數(shù)分別為120×104、178×104、220×104的3種不同尺度的網(wǎng)格，選取爐膛中心軸線溫度分布檢驗網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響。由圖4可知，不同網(wǎng)格尺寸下，溫度變化趨勢一致，表明數(shù)值模擬具有可重復性和穩(wěn)定性。在軸向高度為14m處，爐膛溫度達到最大值。該處數(shù)值受網(wǎng)格尺寸影響較大，但加密到178×104和220×104后，網(wǎng)格尺寸的影響變小，計算結(jié)果相近。因此，在保證計算精度的前提下，選擇178×104的網(wǎng)格模型能節(jié)省計算時間。

圖3 在役燃燒器爐內(nèi)溫度分布和NO濃度分布

圖4 網(wǎng)格大小對爐膛中心線溫度的影響

圖5 新型低NOx燃氣分級燃燒器中心截面流線和速度分布

3.3 新型低NOx燃氣分級燃燒器流線與速度分布

燃料在燃燒器內(nèi)燃燒，放出大量的熱使煙氣溫度升高，并以較高的速度噴入爐膛內(nèi)，通過射流卷吸的作用在輻射室內(nèi)形成較大范圍的回流區(qū)，促進煙氣在爐內(nèi)的循環(huán)，強化對流傳熱，并能穩(wěn)定燃燒，降低燃燒溫度，抑制NOx的生成，如圖5所示。由圖5還可知，燃料氣自主噴槍成90°夾角高速噴出后與空氣迅速混合并燃燒，主燃氣與分級燃氣在分級噴槍下游碰撞并混合，形成劇烈的湍流運動。4支分級噴槍的燃氣在主噴槍正上方形成交叉撞擊，形成的劇烈湍流，強化燃氣與空氣的混合，促進完全燃燒。在本文模擬的9種工況下，爐膛出口處CO、H2和未燃碳氫化合物（unburned hydrocarbon，UHC）濃度均為0，說明該新型燃燒器燃燒完全。

3.4 空氣預熱溫度對新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

由圖6可見，隨著空氣預熱溫度Tair由220℃增加到280℃，平均輻射壁面熱通量增加2.34%，輻射段出口煙氣溫度升高5.9K。這主要是因為，煙氣的輻射能力與溫度的4次方成正比，較高預熱溫度的空氣帶入爐膛更多的顯熱，可以促進燃氣充分燃燒，提高爐膛溫度，同時也導致輻射段出口溫度升高。

由圖7可知，總NO、熱力型NO及快速型NO排放濃度均隨Tair的升高而增加，燃燒過程產(chǎn)生的NO主要是熱力型NO，快速型NO只占總NO的12%左右?？諝忸A熱溫度為220℃時NO排放濃度為280℃時的65.9%，由此可知，降低空氣預熱溫度能大幅降低NO的排放量。選取最小顯示濃度100μL/L的輻射室OH分布表征火焰高度[10-11]，如圖7所示，3種Tair下的火焰高度分別是3.83m、 3.83m和4.07m，說明Tair對火焰高度影響較小。

圖6 空氣預熱溫度對輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖7 空氣預熱溫度對NO排放濃度和火焰高度的影響

3.5 過剩空氣系數(shù)對新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

如圖8所示，當過剩空氣系數(shù)α由1.05增大到1.15時，加熱爐輻射壁面熱通量由37.75kW/m2下降到36.47kW/m2，輻射室出口溫度升高4℃。圖9表明，隨α增加，爐膛出口總NO、熱力型NO和快速型NO的排放濃度均增加，火焰高度升高。這是因為，當α從1.05增加到1.15時，進入爐膛的空氣流量升高，燃燒器喉口噴射速度增加，火焰高度升高，煙氣在爐內(nèi)停留時間縮短，減少了爐膛煙氣的輻射傳熱時間，導致輻射壁面熱通量下降，爐膛出口溫度升高。過?？諝庀禂?shù)增加導致燃燒反應區(qū)氧氣濃度增加，在高溫火焰鋒面處，顯著促進熱力型NO的生成速率。

3.6 主燃氣質(zhì)量分率對新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

圖8 過?？諝庀禂?shù)對輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖9 過?？諝庀禂?shù)對NO排放濃度和火焰高度的影響

如圖10所示，輻射壁面熱通量隨主燃氣質(zhì)量分率Rp由0.24增加到0.32時，僅下降1.4%，說明Rp的改變并未對爐內(nèi)傳熱效果產(chǎn)生明顯的影響。輻射室出口溫度的變化也表明Rp的影響并不明顯。由圖11可知，Rp對爐膛出口NO濃度、熱力型NO排放量、快速型NO排放量以及火焰高度的影響均不明顯。在本文模擬Rp的變化范圍內(nèi)，火焰形貌與爐內(nèi)流場并未發(fā)生明顯的變化；在主燃氣與分級燃氣交叉撞擊區(qū)域內(nèi)，主燃氣因射流卷吸新鮮空氣而速度衰減，在交叉撞擊區(qū)未能對分級燃氣射流產(chǎn)生影響。模擬結(jié)果表明，NO主要生成于主燃氣射流火焰鋒面和分級燃氣射流火焰內(nèi)側(cè)。爐內(nèi)回流區(qū)煙氣被高速射流的分級燃氣卷吸，煙氣中CO2和H2O等惰性氣體稀釋燃氣，抑制分級燃氣燃燒過程中的高溫和NO的產(chǎn)生，因此在分級燃氣射流火焰的外側(cè)沒有大量產(chǎn)生NO。

圖10 主燃氣質(zhì)量分率對輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖11 主燃氣質(zhì)量分率對NO排放濃度和火焰高度的影響

4 優(yōu)化解分析

綜上，基于新型低NOx燃氣分級燃燒器的燃燒和NOx排放特性，空氣預熱溫度220℃、過?？諝庀禂?shù)1.05、主燃氣質(zhì)量分率0.24為模擬范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。該工況的數(shù)值模擬表明，輻射壁熱通量37.45kW/m2，輻射室出口溫度990.9K，爐膛出口可燃物濃度為0，NO排放濃度12.1μL/L。

5 結(jié) 論

（1）針對某二甲苯塔再沸爐在役油氣聯(lián)合燃燒器進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)吻合良好，發(fā)現(xiàn)火道內(nèi)及燃燒器出口上方高溫區(qū)集中是該燃燒器NOx排放濃度較高的原因，提出了新型低NOx燃氣分級燃燒器改造方案。

（2）模擬了新型低NOx燃氣分級燃燒器空氣預熱溫度、過?？諝庀禂?shù)和主噴槍燃氣質(zhì)量分率對輻射壁面熱通量、輻射室出口溫度、NO生成量和火焰高度的的影響，在模擬范圍內(nèi)得到最優(yōu)組合為：Tair= 220℃，α =1.05，Rp= 0.24。

（3）最優(yōu)組合工況模擬結(jié)果表明，輻射壁熱通量37.45kW/m2，NO排放濃度12.1μL/L。

[1] 劉波，吳雨，王元華，等. 低NOx工業(yè)燃氣燃燒技術研究進展[J].化工進展，2013，32（1）：199-204.

[2] Habib M A，Elshafei M，Dajani M. Influence of combustion parameters on NOxproduction in an industrial boiler[J].Computers & Fluids，2008，37（1）：12-23.

[3] Mafra M R, Fassani F L，Zanoelo E F, et al. Influence of swirl number and fuel equivalence ratio on NO emission in an experimental LPG-fired chamber[J].Applied Thermal Engineering，2011，30（8-9）：928-934.

[4] Zabetta E C，Hupa M，Saviharju K. Reducing NOxemissions using fuel staging, air staging, and selective noncatalytic reduction in synergy[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2005，44 （13）：4552-4561.

[5] ?arlej M, Petr P, Hájek J，et al. Computational support in experimental burner design optimization[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（16）：2727-2731.

[6] Lei Y，Ma Y，Ji J，et al. Orthogonal design of a small gas burner[C]//Electrical and Control Engineering (ICECE), 2011 International Conference on.IEEE，2011：3561-3564.

[7] 王娟，毛羽，江華，等. 延遲焦化加熱爐內(nèi)湍流流動和燃燒的數(shù)值模擬研究[J]. 石油學報：石油加工，2004，20（6）：58-62.

[8] Hill S C，Smoot L D. Modeling of nitrogen oxides formation and destruction in combustion systems[J].Progress in Energy and Combustion Science，2000，26（4-6）：417-458.

[9] Stephen R T. Understanding NOxformation in non-premixed flames experiments and modeling[J].Progress in Energy and Combustion Science，1995，21（5）：361-385.

[10] 趙建榮，陳立紅，俞剛，等. OH在火焰中濃度分布圖像及與溫度關系的PLIF和CARS研究[J]. 分析測試學報，2000，19（6）：1-4.

[11] 張婷，郭慶華，龔巖，等. CH4/O2同軸射流擴散火焰輻射發(fā)光特性[J]. 燃燒科學與技術，2012，18（4）：353-358.

CFD study on combustion properties and NOxemission of reboiling furnace for xylene tower

WU Xiaolei1，LIU Bo1，REN Zheng2，WANG Yuanhua1，XU Xiangrong3，LI Xucan3
（1State-Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2Hunan Jixiang Petrochemical Technology Company Limited，Yueyang 414000，Hunan，China；3Yangzi Petrochemical Company Limited，SINOPEC，Nanjing 211521，Jiangsu，China）

By using CFD software Fluent，a numerical simulation was carried out to study the combustion behavior and NOxemission of a xylene tower in gas-oil burner. The problem of high NOxemission was analyzed and a novel low NOxstaged-fuel burner structure was brought up. Based on the new burner structure，orthogonal simulations were conducted to study the influences of operating parameters (including air preheated temperatureTair,excess air factorα,and primary fuel gas mass ratioRp) on the radiation surface heat flux （RSHF），radiation section outlet temperature （RSOT），flame height and volume fraction of NOx. Simulation results of the in-service burners showed good agreement with site running data，suggesting good prediction of the chosen models for the internal flow，radiation，combustion and NOxformation. Simulation results of the new burner showed that higher air preheated temperature could increase the radiative heat flux while also aggravating the NOxemission；excess air factor could enlarge the radiative heat flux and reduce NOxemission；varied primary fuel gas mass ratio made no obvious differences on both radiative heat flux and NOxemission.It was concluded that air preheated temperature of 220℃，excess air ratio of 1.05 and primary gas ratio of 0.24 were the optimal operating conditions，under which radiative heat flux was 37.45kW/m2while NOxemission simulated to be 12.1μL/L.

staged-fuel burner；air preheated temperature；excess air factor；nitrogen oxide

TK 223.23

A

1000-6613（2014）09-2298-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.011

2014-02-02；修改稿日期：2014-05-03。

中國石油化工股份有限公司項目（312016）。

吳曉磊（1991—），男，碩士研究生，從事管式加熱爐高效低NOx燃燒技術研究。E-mail xiaolei1991@gmail.com。聯(lián)系人：王元華，博士，副教授，從事加熱爐燃燒優(yōu)化和余熱回收系統(tǒng)的研究。E-mail jswyuanhua@ecust.edu.cn。