基于CFD計算的管式加熱爐燃氣分級低NOx燃燒器研究

李奧金， 邢玉明， 陳 晟

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191)

基于CFD計算的管式加熱爐燃氣分級低NOx燃燒器研究

李奧金， 邢玉明， 陳 晟

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191)

以某石化公司低NOx燃燒器改造項目中管式加熱爐內0.7 MW擴散式燃氣燃燒器為研究對象，提出了兩種低NOx改進方案。方案A采用傳統燃料分級供給形式，方案B在采用燃料分級供給的同時還采用了特殊耐火磚結構。應用計算流體力學(CFD)軟件Fluent對燃燒器兩種改進方案的燃燒過程和NO排放進行了數值模擬，獲得燃燒室內溫度分布、組分分布、NO生成速率以及火焰形態等參數。比較計算結果發現，燃燒器方案B的結構能夠合理地組織燃燒區的流場，改善火焰形態，提高火焰傳熱效率，防止局部熱點的形成，使溫度分布更均勻。與方案A相比，方案B的峰值溫度降低了233 K，出口處NO的平均體積分數降低了19.3 μL/L，抑制NO排放的效果更好。

燃氣分級燃燒器； 氮氧化物； 數值模擬； 火焰形態

燃氣燃燒器是在石油煉化過程中的管式加熱爐內廣泛使用的加熱設備。在燃燒反應過程中，會生成氮氧化物(90%以上為NO)，也稱為NOx，是造成大氣污染的元兇之一，給人類健康帶來巨大威脅[1]。我國于2015年4月16日發布的《石油化學工業污染物排放標準》(GB 31571-2015)中明確規定：自2017年7月1日起，對重點地區內的現有企業，氮氧化物排放限值為100 mg/m3[2]。目前國內部分石油化工企業中，以燃氣為主要燃料的管式加熱爐的氮氧化物排放仍然超過該排放標準，需要對燃燒器進行改進。

低NOx燃燒技術主要通過實驗方法和計算機數值仿真進行研究。與實驗研究方法相比，計算機數值模擬研究的周期短、成本低、計算結果趨勢與實驗一致，已被相關研究人員廣泛認可。Chacón等[3]利用計算流體力學(CFD)方法對一臺實驗用2 MW 傳統天然氣燃燒器進行數值模擬，計算結果與實驗數據吻合較好，并在此基礎上提出改進方案，計算結果表明，氮氧化物排放下降明顯。劉波等[4]以現役空氣分級燃燒器為研究對象，使用Fluent數值模擬研究了二次風分級比對輻射室內燃燒特性以及NO生成速率的影響，發現當二次空氣比例增加時NO排放體積分數迅速減少。吳曉磊等[5]使用Fluent研究分析了在役油氣聯合燃燒器NO排放濃度較高的原因，并進一步數值模擬研究空氣過剩系數和主輔噴槍燃氣質量分率對燃氣分級燃燒器燃燒性能及NOx生成的影響。

筆者針對國內某石化公司低NOx燃燒器改造項目中某管式加熱爐內的0.7 MW擴散式圓形燃氣燃燒器，提出兩種低NOx改進方案。方案A采用傳統燃料分級供給形式，方案B在采用燃料分級供給的同時還采用了特殊耐火磚結構，利用CFD軟件Fluent對兩種燃燒器方案進行數值模擬。通過對比計算區域內溫度分布、火焰形態及NO生成速率等參數，選擇出更優方案，并分析兩種方案不同結構對燃燒器性能的影響，對新型低NOx燃燒器開發起到一定的指導意義。

1 燃氣分級低NOx燃燒器幾何模型與網格劃分

以管式加熱爐內單臺0.7 MW擴散式圓形燃氣燃燒器作為研究對象，根據現場的尺寸設計了兩種燃氣分級低NOx燃燒器方案，并對其燃燒過程和NO排放進行數值模擬。燃燒器的燃料氣體組分如表1所示。

表1 燃氣分級低NOx燃燒器燃氣組分Table 1 Volume composition of fuel gas for the fuel staged low-NOx burner φ/%

方案A采用傳統燃氣分級的形式，如圖1所示。該燃燒器由1支布置在中心的一次燃氣槍和均布在圓周方向上的6支二次燃氣槍組成。一次、二次燃氣槍和風道同軸布置，一次燃氣量占總燃氣量的25%。一次燃氣噴槍上均布6個噴孔，噴射方向呈90°的夾角。每個二次燃氣噴槍上開有1個噴孔，噴射方向呈40°夾角。

圖1 燃氣分級低NOx燃燒器方案A示意Fig.1 Schematic diagram of the fuel staged low-NOxburner model “A”1—Secondary fuel gun; 2—Refractory brick; 3—Pilot;4—Primary fuel gun; 5—Flame holder

方案B根據Join Zink公司專利[6]的低NOx策略進行設計，如圖2所示。該方案同樣采用燃氣分級的形式，由均布在圓周方向上的6支燃氣槍組成，氣槍和風道同軸布置。其中3支間隔布置的燃氣槍同時帶有一次和二次燃氣噴孔，另外3支槍只有二次燃氣噴孔，一次燃氣量占總燃氣量的25%。一次燃氣沿水平方向噴出，穿過耐火磚上的通道進入燃燒區，二次燃氣沿著平行于耐火磚的斜臺的角度噴入燃燒區。

圖2 燃氣分級低NOx燃燒器方案B示意Fig.2 Schematic diagram of the fuel staged low-NOxburner model “B”1—Refractory brick; 2—Fuel gun provides both primary fuel and secondary fuel; 3—Pilot; 4—Secondary fuel gun

方案B的最大特點在于耐火磚的特別結構，如圖3所示。耐火磚內部為圓柱形的火道，外側圓周上具有6條放置燃氣槍管的通道。耐火磚高于加熱爐內襯的部分為向中心傾斜的斜臺，并被沿圓周均布的6面磚壁隔開，相鄰的斜臺傾斜角度和高度都不同，相隔的斜臺尺寸相同，斜臺與豎直方向的夾角分別為16°和25°。其中3塊傾斜角度較大的斜臺有與一次燃氣噴孔配合的通道。

考慮模擬單臺燃燒器燃燒的情況，對兩種方案分別建立高6 m、直徑2 m的計算模型，頂部為直徑1 m的圓臺形出口，燃燒器位于計算模型底部中心位置，如圖4所示，并使用ICEM軟件進行網格劃分。由于燃燒器結構比較復雜，采用混合網格對計算域進行網格劃分。對噴嘴、耐火磚等結構復雜的區域使用非結構網格并進行加密處理。爐膛內部結構簡單，為保證計算精度和準確性采用結構化六面體網格，最終網格質量滿足計算要求，并進行了網格無關性驗證。燃氣分級低NOx燃燒器方案B網格劃分如圖5所示。

圖3 燃氣分級低NOx燃燒器方案B的耐火磚結構示意Fig.3 Structural diagram of the refractory brick of the fuel staged low-NOx burner model “B”

圖4 燃氣分級低NOx燃燒器計算模型幾何示意Fig.4 Geometric diagram of the fuel staged low-NOxburner for numerical calculation modeling

圖5 燃氣分級低NOx燃燒器方案B網格示意Fig.5 Mesh generation of the fuel staged low-NOx burner model “B”(a) Detail of mesh generation; (b) Ensemble of mesh generation

2 燃氣分級低NOx燃燒器數學模型及邊界條件

2.1 數學模型

在對燃燒過程進行數值模擬時，使用有限體積法離散微分方程，采用三維穩態算法，基于壓力求解。對湍流流動采用標準k-ε兩方程湍流模型[7]，燃燒過程使用適合多組分擴散燃燒的混合分數概率密度PDF燃燒模型。輻射模型采用適用于大尺度輻射計算且計算量較小的P-1輻射模型。

由于氮氧化物濃度相對較低，且對燃燒過程的影響很小，所以其相關反應和組分并不包含在燃燒模型中，而是包含在作為后處理的氮氧化物生成模型當中。氮氧化物的組分輸運方程通過給定的流場和燃燒結果來解，因此準確的燃燒模擬結果是氮氧化物預測的前提。一般燃燒過程中氮氧化物的排放主要是NO，針對本文模擬的混合燃料氣有熱力型NO和快速型NO兩種生成途徑[8]。熱力型NO通過空氣中的氮氣被氧氣氧化形成，由于該反應需要打破N2很強的三價鍵，故在高溫情況下(溫度高于1800 K)，熱力型NO的反應速率顯得重要，且其生成量隨溫度升高呈指數式增加。快速型NO主要通過氮氣與碳氫粒子團在火焰的富燃料區快速反應產生。與熱力型NO相比，快速型NO的生成量較少，故生成NO的反應速率受溫度與氧濃度的影響較大[9]。

2.2 邊界條件

燃料氣采用壓力入口，設計壓力為80 kPa，溫度300 K。助燃空氣采用速度入口，設計空氣過剩系數為1.10，空氣不經過預熱，溫度300 K。爐膛壁面設置為溫度1000 K、輻射發射率0.8的定溫壁面，其余壁面均簡化設置為絕熱條件。

3 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案計算結果與分析

3.1 網格無關性驗證

不同的網格尺度必然會影響模擬計算的合理性和準確性，同時對計算時間也有很大影響。所以有必要通過網格無關性驗證確定合適的網格量，從而保證準確的計算結果以及合理的計算時間。由于對兩種燃燒器進行數值模擬的計算區域尺寸相同，故所需網格量也大致相同。筆者針對燃氣分級低NOx燃燒器方案B的模型劃分了151×104、223×104、278×104的3種不同網格量，選取爐膛中心軸線溫度分布檢驗網格量對計算結果的影響。計算結果由圖6所示，從軸向距離為1 m處開始，溫度受到網格尺寸的影響，其中151×104網格量的計算偏差較大。隨著網格數量的進一步增加，溫度變化曲線趨于一致，網格尺寸的影響變小，計算結果相近。因此，對計算模型劃分223×104的網格量能夠保證計算精度和準確性，同時節省計算時間。

圖6 燃氣分級低NOx燃燒器方案B網格量對爐膛中心線溫度分布的影響Fig.6 Effect of grid size on the temperature along axis of the fuel staged low-NOx burner model “B”

3.2 兩種方案計算結果對比及分析

兩種低NOx燃燒器方案的計算結果如表2所示。表中數據顯示兩種燃燒器在爐膛出口處CH4體積分數為零，方案B出口處CO平均體積分數比方案A稍高，但均處在很低的水平，說明燃料燃燒基本完全，火焰燃燒狀況穩定。在NO排放方面，方案B的燃燒效果更佳，該方案爐膛內最高溫度為1894 K，比方案A最高溫度低233 K；該方案出口NO的平均體積分數為16.3 μL/L，比方案A出口NO的平均體積分數低19.3 μL/L，說明方案B的燃燒方式更有效地抑制了NO的排放。

表2 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案計算結果對比Table 2 Result comparison of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models

3.3 兩種方案爐內溫度分布與火焰形態

圖7為兩種方案中心截面上的溫度分布，由圖7可知，方案A溫度值在1800 K以上的區域面積較大，呈細長狀，并且在一次燃氣燃燒區以及在計算區域內高度約0.8 m處出現了高于2000 K的局部熱點。反觀方案B在一次燃氣燃燒區并未產生高溫熱點。方案B在燃燒時不僅溫度峰值較低，而且溫度梯度1225 K至1841 K之間的區域更廣，同時1800 K 以上的高溫區的面積較小，說明其溫度分布均勻性更好。

圖7 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案中心截面上的溫度分布示意圖Fig.7 Temperature distribution on the center plane of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

燃氣的分級供入使一次燃燒區空氣過剩系數較高，過量的空氣有助于吸收燃燒所產生的熱量，但同時也加快了擴散式燃燒反應的速率。由于方案A的一次燃氣供入后直接與空氣接觸進行反應，使其一次燃氣燃燒區局部溫度仍然較高。與之相比，當方案B的一次燃氣從耐火磚外側的噴孔噴出時，沒有直接與空氣接觸，而是吸卷了耐火磚外側爐膛內的煙氣，與之邊混合邊穿過耐火磚斜臺上的通道，然后接觸到助燃空氣并開始燃燒。從爐膛內吸卷的煙氣稀釋了一次燃燒區內混合氣體中氧氣和燃氣的組分，使得燃燒反應的速率被降低了，故燃燒溫度低于1841 K。

在方案A計算區域內高度約0.8 m處的高溫區，是其二次燃氣燃燒所形成火焰匯聚的地方，當火焰的表面互相接觸、融合在一起時，由于散熱表面積的減少，燃燒反應產生的能量不易傳遞出去。同時該處的氧氣濃度仍然較高，提高了燃燒反應速率，從而形成局部的高溫區。方案B耐火磚的特殊結構更合理地組織燃燒區的流場形式，阻礙火焰的匯聚，將二次燃氣燃燒形成的火焰分割開，大大增加了火焰的散熱表面，同時延緩了二次燃氣與中心風道內助燃空氣的接觸，降低了燃燒反應速率。圖8 展示了方案A和方案B在計算區域內高度0.8 m 處沿徑向方向的溫度分布曲線。從圖8看出，方案A的火焰熱量集中在中心處，溫度達到2100 K，而方案B的火焰溫度分布則很均勻，不超過1800 K。

圖8 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案在計算區域內高度0.8 m處沿徑向的溫度分布Fig.8 Temperature distribution along the radial direction at 0.8 m height in the numerical calculation modeling of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models

CO是燃燒反應的中間產物，可以用它來近似表征燃燒過程中火焰的形態[10]，現取CO的體積分數為0.6%的等值面近似作為方案A和方案B的火焰鋒面，圖9展示了兩種方案火焰鋒面上的溫度分布。由圖9可知，方案A的火焰比較集中，呈細長形，且火焰高度高于方案B。當方案A的各個噴嘴噴出的燃氣所形成火焰聚集到中心處時，燃燒產生的熱量也隨之匯聚，且不易發散，使火焰表面較大面積上的溫度超過了1841 K。方案B有效地降低了火焰表面溫度，其噴出的燃氣所形成火焰上游的表面溫度較低，未超過1533 K，直到火焰下游熱量才漸漸匯聚起來，使溫度有所上升。這是由于其耐火磚結構對燃燒區流場的引導作用，使燃燒時形成的火焰被分隔開，同時具有更多內外起伏，呈折疊狀的部分，極大地增加了火焰表面積與體積之比，因此燃燒反應產生的熱量能夠很快地向四周傳遞，阻止熱點的形成。

圖9 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案的火焰形態示意圖Fig.9 Flame shape of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

3.4 兩種方案爐內NO生成速率的空間分布

為了直觀描述燃燒時爐膛內部氮氧化物的生成情況，筆者展示出兩種方案中心截面上NO生成速率的空間分布，如圖10所示。由圖10可知，方案A在一次燃氣噴入區以及二次燃氣匯聚處NO的生成速率很快，這與上文展示的溫度分布的高溫區重合，驗證了溫度分布對NO生成的重要影響。同時該區域內氧氣的濃度很高，也創造了使NO快速生成的有利條件。盡管火焰內部的溫度很高，但其組分都是未反應的燃氣而幾乎沒有氧氣，故在火焰中心處沒有NO生成。隨著燃燒反應的進行，氧氣濃度快速降低，在火焰中部與空氣的接觸面上仍有少量NO生成，而在火焰下游基本沒有NO生成。

圖10 燃氣分級低NOx燃燒器兩種方案中心截面上的NO生成速率示意圖Fig.10 Production rate of NO on the center plane of the two kinds of fuel staged low-NOx burner models(a) Model “A”; (b) Model “B”

方案B燃燒時，NO生成的區域主要位于一次燃氣噴入區和爐膛的中心線附近。因為耐火磚的阻礙作用，二次燃氣形成的火焰沒有直接向爐膛中心匯聚，使助燃空氣能夠沿軸線穿過一次燃燒區繼續向上方擴散。盡管在一次燃燒區附近氧氣濃度較高，但由于火焰溫度低于1841 K，故NO生成速率始終較低。雖然在火焰下游溫度有所上升，超過1900 K，但此時混合氣中的氧氣已經消耗殆盡，故NO的生成速率并沒有明顯加快。

4 結 論

(1)針對兩種0.7 MW圓形擴散式燃氣燃燒器的低NOx方案進行了數值模擬，比較模擬結果發現，方案B對抑制NO生成的效果更好，它的峰值溫度比方案A降低了233 K，出口處NO的平均體積分數降低了19.3 μL/L。

(2)當一次燃氣噴出后，先吸卷爐內煙氣再與空氣接觸進行燃燒時，煙氣稀釋了一次燃燒區內混合氣體中氧氣和燃氣的組分，降低了燃燒反應速率，使該區域溫度處于更低水平，抑制了NO的生成。

(3)燃氣分級低NOx燃燒器方案B的耐火磚的特殊結構更合理地組織了燃燒區的流場形式，避免了火焰的匯聚，使火焰表面呈起伏、折疊狀，火焰的表面積與體積之比大幅度增加，提高火焰內部熱量向外傳遞的效率，消除了局部熱點，使溫度分布更均勻，有利于降低NO的生成速率。

[1] 傅忠誠， 艾效逸， 王天飛. 天然氣燃燒與節能環保新技術[M].北京： 中國建筑工業出版社， 2007： 53-95.

[2] GB 31571-2015，石油化工工業污染物排放標準[S].

[4] 劉波， 王書磊， 王元華， 等. 管式加熱爐空氣分級燃燒器的CFD研究[J].石油學報(石油加工)， 2013， 29(6)： 1040-1046.(LIU Bo， WANG Shulei， WANG Yuanhua， et al. CFD study on air staged burner of tube furnace[J].Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section)， 2013, 29(6)： 1040-1046.)

[5] 吳曉磊， 劉波， 任政， 等. 新型低氮燃氣分級燃燒器燃燒特性和NOx排放的CFD研究[J].化工進展， 2014， 33(9)： 2298-2303. (WU Xiaolei， LIU Bo， REN Zheng， et al. CFD study on combustion properties and NOxemission of reboiling furnace for xylene tower[J].Chemical Industry and Engineering Progress， 2014， 33(9)： 2298-2303.)

[6] CHUNG I P， CHAMBERS J S， SCHNEPPER C A， et al. Compact low NOxgas burner apparatus and methods： US， 6695609B1[P].2004-02-24.

[7] 王娟， 毛羽， 江華， 等. 延遲焦化加熱爐內湍流流動和燃燒的數值模擬研究[J].石油學報(石油加工)， 2004, 20(6)： 58-62. (WANG Juan， MAO Yu， JIANG Hua， et al. Numerical simulation of turbulent flow and combustion in a delayed coking furnace[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section)， 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)： 417-457.

[9] 張笑慰， 范衛東， 李宇， 等. 天然氣燃燒NOx排放特性實驗研究及數值模擬[J].鍋爐技術， 2015, 46(1)： 70-74. (ZHANG Xiaowei， FAN Weidong， LI Yu， et al. Experimental and numerical investigations of the NOxemission characteristics of methane flames[J].Boiler Technology， 2015, 46(1)： 70-74.)

[10] 陸曉峰， 李元青. 基于CFD計算的燃燒器結構改進研究[J].石油學報(石油加工)， 2011， 27(5)： 787-791. (LU Xiaofeng， LI Yuanqing. Study on structure improvement of the burner based on CFD[J].Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section)， 2011， 27(5)： 787-791.)

Study on Fuel Staged Low-NOxBurner of Tube Furnace Based on CFD

LI Aojin， XING Yuming， CHEN Sheng

(CollegeofAeronauticScienceandEngineering，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)

Taking the 0.7 MW non-premixed gas burner of tube furnace in the low-NOxreform project of a petrochemical company as the research object, we put forward two different kinds of improved burner models. The model “A” adopted traditional fuel-staged form. The model “B” not only adopted fuel-staged form but also comprised a special refractory brick. Then numerical simulations of the combustion process and NO emission were carried out by using CFD(Computational fluid dynamics) software Fluent. Some related parameters were obtained, such as temperature and component distributions, NO production rate, flame shape and so on.By comparing the results, it turned out that the structure of the burner model “B” organized combustion flow field properly and scientifically, which improved the flame shape and enhanced the heat transfer efficiency of flame. It helps to avoid the formation of local overheated spot and creates a more uniform temperature distribution. Compared with the other one, the maximum temperature of the model“B”decreased by 233 K and average volume fraction of NO at exit decreased by 19.3 μL/L, which means that NO emission was reduced more efficiently.

fuel-staged burner; oxynitride; numerical simulation; flame shape

2016-07-27

中國石油化工股份有限公司天津分公司科技項目(31800000)資助

李奧金，男，碩士，從事燃氣清潔燃燒技術研究；E-mail：shidalaj@qq.com

邢玉明，男，教授，博士，從事高效低NOx燃燒和相變儲能技術研究；Tel：010-82316035；E-mail：xym505@126.com

1001-8719(2017)03-0571-07

TK223.23

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.024