火炬燃燒器蒸汽引射結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張杰東 劉迪，3 王雅真，3

（1.中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266071；2.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；3.中石化國家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266071）

0 引言

在火炬不完全燃燒的過程中，會(huì)產(chǎn)生煙塵、CO、VOCs、CO2、H2O等有機(jī)中間體和其他未完全燃燒的產(chǎn)物（包括甲烷和其他碳?xì)浠衔铮焿m是導(dǎo)致PM2.5和PM0.1產(chǎn)生的一大原因，煙塵含有潛在致癌物的多環(huán)芳烴（PAHs），會(huì)導(dǎo)致健康威脅，包括對呼吸道和身心健康發(fā)展的影響；高反應(yīng)性VOCs 可參加大氣光化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重破壞臭氧層，同時(shí)危害人類健康。石化企業(yè)火炬燃燒冒黑煙和VOCs 排放問題已經(jīng)成為石化企業(yè)重要的安全環(huán)保和社會(huì)焦點(diǎn)問題［1-4］。

事故時(shí)火炬的排放量很大，不管是否添加額外的燃料，多數(shù)火炬泄放氣體燃燒時(shí)都會(huì)產(chǎn)生黑煙和VOCs，必須采取強(qiáng)制的方法補(bǔ)充供氧，以防止冒黑煙事故的發(fā)生。國內(nèi)外常用減少火炬黑煙和VOCs的方法有以下3 種：無煙火炬燃燒器、空氣助燃以及蒸汽消煙［5-6］。無煙火炬燃燒器是通過對火炬燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加火炬引風(fēng)量減少黑煙的生成，但目前的火炬燃燒器在大泄放量下仍難以避免冒黑煙；減小空氣助燃是利用風(fēng)機(jī)向火炬燃燒器的燃燒中心區(qū)域提供燃燒所需的空氣，增強(qiáng)火焰剛度，提高燃燒完全程度，達(dá)到消煙作用；蒸汽助燃是目前應(yīng)用較為廣泛的一種助燃方式，通過蒸汽與黑煙發(fā)生水煤氣反應(yīng)進(jìn)行消除黑煙，同時(shí)高速噴射的蒸汽可攜帶部分空氣來促進(jìn)火炬燃燒［7-9］。

蒸汽攜帶空氣能力對火炬燃燒器的無煙燃燒至關(guān)重要。本文基于CFD 數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試的方法，對火炬燃燒器的蒸汽引射結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升其引射空氣能力，從而有效提高火炬燃燒器處理能力和燃燒效率［10-14］。

1 蒸汽引射結(jié)構(gòu)優(yōu)化

典型的蒸汽引射裝置噴嘴為多分支結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，該蒸汽引射裝置共有24 個(gè)蒸汽噴嘴，高壓水蒸汽從噴嘴高速噴出，卷吸周圍的空氣進(jìn)入上部的文丘里結(jié)構(gòu)，影響蒸汽引射性能的主要參數(shù)有：噴嘴與文丘里結(jié)構(gòu)的間距L0、吸入室長度L1、混合室直徑D 和混合室長度L2。

圖1 火炬系統(tǒng)蒸汽引射裝置結(jié)構(gòu)示意

1.1 Fluent 計(jì)算數(shù)學(xué)模型

在建立蒸汽引射裝置內(nèi)流動(dòng)計(jì)算模型時(shí)，研究主要針對的是火炬系統(tǒng)的引射裝置，其工作機(jī)理可等效為無物理化學(xué)反應(yīng)和熱傳導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)和外界是絕熱的，其卷吸周圍空氣的能力取決于流體的質(zhì)量和動(dòng)量交換。流體的基本方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及組分輸運(yùn)方程［15-21］。使用標(biāo)準(zhǔn)k- 湍流模型對上述過程進(jìn)行模擬，其表達(dá)式如式（1）所示：式中，具體變量含義見表1 和表2。

表1 在直角坐標(biāo)系下k- 雙方程模型控制方程組

表2 模型常數(shù)

表中Gk為湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)：

模型中各通用常數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取值見表2。

1.2 仿真模型建立

由于外圍空間較大，考慮到蒸汽引射裝置結(jié)構(gòu)的幾何對稱性，為了減少計(jì)算量，計(jì)算區(qū)域選擇如圖2 所示的1/4 結(jié)構(gòu)，即圓周角為90°的區(qū)域。計(jì)算區(qū)域圓周方向的2 個(gè)邊界設(shè)置為對稱邊界條件。為了同時(shí)兼顧計(jì)算結(jié)果精度及計(jì)算工作量且考慮到蒸汽引射裝置本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且噴嘴結(jié)構(gòu)附近的網(wǎng)格較密，外圍流場的網(wǎng)格較疏。圖2 為蒸汽引射裝置計(jì)算網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 蒸汽引射裝置計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算采用組分輸運(yùn)模型，考慮到氣體的可壓縮性，選擇密度基求解器。在計(jì)算區(qū)域有3 個(gè)流體進(jìn)出邊界，這3 個(gè)邊界的邊界條件設(shè)置如下：蒸汽入口使用壓力進(jìn)口邊界條件，設(shè)置壓力值為0.3 MPa，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、蒸汽設(shè)置為可壓縮流體。空氣進(jìn)口采用壓力進(jìn)口，壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，混合氣體在外圍流場的出口采用壓力出口條件，壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖3為CFD 模擬得到的火炬系統(tǒng)蒸汽引射裝置的速度云圖。由圖3 可以看出，蒸汽在噴口處高速噴出并產(chǎn)生擁塞效應(yīng)，在噴嘴出口處蒸汽的速度在700 m/s 左右。隨著離開噴口處的距離的增加，流速迅速減弱，主要由于蒸汽和周圍空氣碰撞剪切動(dòng)能減弱。圖4 為蒸汽引射裝置的壓力云圖，由圖4 可以看出，蒸汽在文丘里管內(nèi)部形成負(fù)壓。圖5 為蒸汽引射裝置的速度矢量圖，由圖5 可以看出在壓力場的作用下，噴嘴周圍的大量的空氣被卷吸入管道。

圖3 蒸汽引射裝置速度云圖

圖4 蒸汽引射裝置壓力云圖

圖5 蒸汽引射裝置速度矢量

1.3 結(jié)果分析

引射系數(shù)是衡量火炬燃燒器蒸汽引射裝置性能的重要指標(biāo)，引射系數(shù)是引射流體質(zhì)量流量與工作流體質(zhì)量流量之比，即

式中，M1、Mh分別為低壓流體和高壓流體的質(zhì)量流量。

1.3.1 噴嘴與文丘里結(jié)構(gòu)的間距L0對引射系數(shù)的影響

間距L0是影響配風(fēng)效果的一個(gè)重要因素。在研究間距對配風(fēng)性能的影響時(shí)，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值不變，通過上下移動(dòng)上部管道改變它的大小，考察不同間距對配風(fēng)性能的影響。

市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是不斷延續(xù)和前進(jìn)的過程，是動(dòng)態(tài)變化的過程，煙草企業(yè)應(yīng)認(rèn)識到市場的這一特性，把開發(fā)工作與市場的特性結(jié)合在一起，建設(shè)“學(xué)習(xí)型”組織，保持市場開發(fā)部門的不斷發(fā)展。如今，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)改變著社會(huì)的運(yùn)行方式，農(nóng)村地區(qū)同樣深受影響，企業(yè)應(yīng)通過培訓(xùn)、講座、舉辦專題報(bào)告會(huì)等方式來加強(qiáng)基層工作人員的學(xué)習(xí)教育，緊跟時(shí)代發(fā)展步伐［2］。

圖6給出了引射系數(shù)與間距之間的關(guān)系曲線，由圖中可以看出，間距從25 mm 增加到45 mm 的過程中，引射系數(shù)從8.33 增至8.84；繼續(xù)移動(dòng)噴嘴的位置，兩者間距從45 mm 增加到50 mm 的過程中，引射系數(shù)保持穩(wěn)定；繼續(xù)移動(dòng)噴嘴位置使兩者間距增大，引射系數(shù)減小，當(dāng)兩者間距達(dá)到60 mm 時(shí)，引射系數(shù)下降到8.7?；鹁嫦到y(tǒng)的蒸汽引射裝置存在最優(yōu)的間距L0使得引射系數(shù)最大。

圖6 引射系數(shù)隨噴嘴出口位置變化曲線

原因分析：低壓氣體是通過高壓氣體的剪切作用被引射到混合室的，間距越小，即噴嘴出口位置越接近上部管道，缺少足夠的距離夾帶低壓氣體，因此引射系數(shù)并不高；間距增大時(shí)，即噴嘴出口位置遠(yuǎn)離上部管道時(shí)，高壓氣體在進(jìn)入混合室之前有足夠的距離來夾帶低壓氣體，因此低壓氣體流量隨著增大，引射系數(shù)增加；間距繼續(xù)增加，沿程摩擦損失增大，高壓氣體能量降低，引射系數(shù)減小。

1.3.2 混合室直徑D 對配風(fēng)效果的影響

在研究混合室直徑D 對配風(fēng)效果的影響時(shí)，噴嘴間距取優(yōu)化后的45 mm，并保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值不變，僅改變混合室直徑D，考察混合室直徑D 對引射系數(shù)的影響。

圖7給出了引射系數(shù)與混合室直徑之間的關(guān)系曲線，由圖可以看出當(dāng)混合室直徑D偏離最優(yōu)值時(shí)，引射系數(shù)急劇下降?；旌鲜抑睆紻 從180 mm 增加到220 mm 的過程中，引射系數(shù)從9.4 增加到9.7，繼續(xù)增大混合室直徑D，引射系數(shù)急劇下降?；旌鲜抑睆紻 增加到300 mm 左右時(shí)，引射系數(shù)變化減緩，此時(shí)引射系數(shù)為8.4 左右。

圖7 引射系數(shù)隨混合室直徑變化曲線

原因分析：混合室直徑D偏小時(shí)，混合室內(nèi)氣體的流通面積較小，低壓氣體的卷吸受限，使得引射系數(shù)偏小；混合室直徑D 增大時(shí)，混合室的作用在減弱，引射系數(shù)降低。

1.3.3 吸入室長度L1對配風(fēng)效果的影響

圖8給出了引射系數(shù)與吸入室長度L1之間的關(guān)系曲線。由圖可以看出存在最優(yōu)的吸入室長度L1使得引射系數(shù)最大。吸入室長度L1從25 mm 增加至200 mm 的過程中，引射系數(shù)先增加后減小，吸入室長度L1為175 mm 時(shí)引射系數(shù)達(dá)到最大，其值大約為11.2。

圖8 引射系數(shù)隨吸入室長度變化曲線

原因分析：在入口直徑和混合室直徑固定時(shí)，吸入室長度L1較小意味著吸入室錐角較大，錐角過大不能對低壓氣體起到較好的導(dǎo)流作用。同理，當(dāng)吸入室長度較大時(shí)，吸入室錐角較小，錐角過小亦不能對低壓氣體起到較好的導(dǎo)流作用。因此，存在一個(gè)最優(yōu)的吸入室長度L1，使吸入室的錐角與被卷吸的低壓氣體的流動(dòng)方向一致，對卷吸的低壓氣體起到最好的導(dǎo)流作用，使引射系數(shù)最大。

1.3.4 混合室長度L2對配風(fēng)效果的影響

在研究混合室長度L2對配風(fēng)效果的影響時(shí)，噴嘴間距、混合室直徑和吸入室長度取優(yōu)化后的值，并保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值不變，僅改變混合室長度L2，考察混合室長度L2對引射系數(shù)的影響。

圖9給出了引射系數(shù)與混合室長度L2之間的關(guān)系曲線。由圖可以看出存在最優(yōu)的混合室長度L2使得引射系數(shù)最大?；旌鲜议L度L2從100 mm 增加至1 100 mm的過程中，引射系數(shù)先增加后減小，混合室長度L2為700 mm 時(shí)引射系數(shù)達(dá)到最大，其值大約為16.0。

圖9 引射系數(shù)隨混合室長度變化曲線

原因分析：混合室長度較小時(shí)，混合室作用較弱，高速噴出的工作流體無法在混合室中形成活塞作用，不能再吸入室中形成低壓區(qū)，進(jìn)而對低壓氣體的卷吸作用較弱。當(dāng)混合室長度較長時(shí)，流體在混合室中的沿程摩擦損失增大，阻礙了流體的流動(dòng)。

以CFD 仿真所得的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，采用線性回歸的方式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對輸入的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型的引射系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，然后再對預(yù)測值較高的幾個(gè)模型進(jìn)行運(yùn)算，取引射系數(shù)最高的模型作為結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)模型，仿真結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 可以看出，模型編號1 的引射系數(shù)最優(yōu)，最優(yōu)引射系數(shù)是16.48，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為間距L0=45 mm、吸入室長度L1=175 mm、混合室直徑D=110 mm 和混合室長度L2=700 mm。

2 基于PDPA 的火炬燃燒器蒸汽引射測試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

粒子動(dòng)態(tài)分析（PDPA）用于測量粒子速度與大小，在流體研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它是一種非接觸式的測量工具，并具有不需標(biāo)定、測量精度高等特點(diǎn)。其基本工作原理是利用多普勒頻移原理測量粒子速度，利用多普勒相位差原理測粒徑大小，還根據(jù)粒子速度和粒徑大小計(jì)算顆粒濃度［22-26］。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

利用PDPA 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖11 所示。其主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用正壓狀態(tài)進(jìn)行，具體流程為：經(jīng)空氣壓縮機(jī)1 壓縮后的空氣進(jìn)入穩(wěn)壓罐2，經(jīng)壓力表3 測壓、流量計(jì)4 計(jì)量后流入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管路，同時(shí)高壓煙霧發(fā)生器6 產(chǎn)生的示蹤粒子由氣體送入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管路，攜帶示蹤粒子的氣體經(jīng)熱線風(fēng)速儀7 測速計(jì)量后進(jìn)入引射器噴管8，由引射器噴管8 噴出的氣體攜帶一定空氣經(jīng)引射器9 后排空。搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖12 所示。

表3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備尺寸

圖11 火炬燃燒器引射裝置流場測試方案

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用PDPA系統(tǒng)對經(jīng)引射器9 放空的氣體流動(dòng)進(jìn)行測量。由激光器13 產(chǎn)生的激光經(jīng)分光器14 分成6 束，經(jīng)處理器處理后進(jìn)入發(fā)射探頭11，經(jīng)發(fā)射探頭11 出來的激光在流場待測點(diǎn)相交形成測量體，示蹤粒子流經(jīng)測量體時(shí)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，折射或者反射的激光由接收探頭11 接收后經(jīng)光纖18 傳遞至光電轉(zhuǎn)換器16 轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理器17 處理后送至計(jì)算機(jī)19 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)需求采用傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理方法，得到流場的速度分布。

高壓氣體經(jīng)過引射器噴管8 高速噴入引射器9中，射流速度很大，因此重力對射流過程的影響可以忽略不計(jì)，所以實(shí)驗(yàn)裝置采用水平放置。

對于引射裝置內(nèi)的流動(dòng)過程，流動(dòng)黏性阻力對流動(dòng)過程起主要作用，因此可采用雷諾相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則，模型引射器和原型引射器的尺寸、流速以及流量之間存在如下關(guān)系：

根據(jù)上述公式，采用相同的空氣介質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，保證流量比例尺與長度比例尺相同，即可保證模型中的流動(dòng)過程與原型中的流動(dòng)過程完全相似，即模型流動(dòng)反應(yīng)的流動(dòng)特性與原型相同。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)力系統(tǒng)的條件，采用長度比例尺2進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，得到的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸如表3 所示。為保證流動(dòng)相似，實(shí)驗(yàn)過程中采用的供氣量為0.335 m3/min。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用Fluent 軟件在文丘里管直徑D=50 mm、錐角=45°、間距為20 mm、工作壓力為0.3 MPa 的情況下對距文丘里管出口10、110、210 和310 mm 截面上水平線速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

對距文丘里管出口10 mm 和110 mm 截面上水平線速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖13 和圖14 所示。

圖13 距離出口10 mm 中心線速度對比

3 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)和仿真測得的速度變化趨勢和數(shù)值大小均一致，CFD 模型及優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

2）通過CFD 仿真優(yōu)化研究，對于典型的火炬燃燒器，當(dāng)間距L0=45 mm、吸入室長度L1=175 mm、混合室直徑D=110 mm 和混合室長度L2=700 mm 時(shí)，最優(yōu)引射系數(shù)是16.48。

3）通過優(yōu)化蒸汽引射結(jié)構(gòu)，可以提升空氣攜帶量，有助于火炬高效燃燒，減少火炬冒黑煙和VOCs排放。