單井燃氣加熱爐燃燒器低氮氧化物排放研究

周宏斌, 宋春燕, 楊寶剛,周 磊, 趙金剛、 , 常 峰, 孫恩呈

(1.中石化勝利油田分公司 工程技術管理中心， 山東 東營 257000； 2.勝利油田分公司技術檢測中心， 山東 東營 257000； 3.同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092；4.勝利油田檢測評價研究有限公司， 山東 東營 257000)

1 概述

某油田有燃氣加熱爐逾4 000臺，主要用于單井、計量站、多功能罐等加熱，熱功率大多為50～800 kW，其中小型單井燃氣加熱爐超過2 000臺，氣源以套管氣為主。按照氣源、油藏特點，2020年管理部門選取逾400臺單井燃氣加熱爐進行煙氣外排檢測，其中氮氧化物排放量超過50 mg/m3的單井燃氣加熱爐占60%。隨著國家和地方環保要求的一再提升，氮氧化物排放成為制約油田綠色發展的突出問題。

現有油田單井燃氣加熱爐大多為開發初期投用，考慮到室外全天運行所面臨的可靠性問題，一般不配備燃燒控制器、助燃風機、引風機等設備。燃燒器形式主要為自然引風擴散式，采取人工點火，沒有熄火保護，存在著一定的安全隱患；手動調節燃氣量和助燃空氣量，很難準確控制燃燒空燃比，極易造成加熱爐運行效率低下和排放性能不達標。

自然引風擴散式燃燒器具有原理清晰、操作簡單、燃燒穩定的特點。但隨著近年愈加嚴格的國家環保法律法規和標準的密集出臺，企業也越來越重視環境排放問題。為此，2020年起開展油田注汽鍋爐及單井燃氣加熱爐綠色達標排放技術研究，希望通過對小型單井燃氣加熱爐燃燒機理的深入研究，在獲得理論支撐的基礎上，使NOx減排工作少走彎路。

近年來，國內外研究人員已對低NOx燃氣燃燒器及在加熱爐上降低NOx的排放做了深入的研究[1-4]，數值模擬計算已成為研究NOx減排的有效手段[5-6]，尤其在燃燒器的結構和關鍵控制參數的優化方面作用明顯，如分級燃燒技術(濃淡燃燒器)中尋找最優濃淡比例[7-8]、煙氣再循環燃燒技術中獲取最理想煙氣循環量[9-11]以及全預混燃燒技術中確定火焰穩定的結構[12-13]等。

本文主要針對NOx生成機理，借助計算流體力學(CFD)工具，探討在用單井燃氣加熱爐的降低氮氧化物排放的適用方法。

2 在用燃燒器污染物排放分析

單井燃氣加熱爐多采用自然引風擴散式燃燒器，究其原因，主要為：早期開發油井時加熱爐可選成熟適用的燃氣燃燒設備較少；單井燃氣加熱爐一般需室外全天運行，電源供應不理想；早期對加熱爐的污染物排放要求不高。

① 自然引風擴散式燃燒器NOx排放分析

在用的自然引風擴散式燃氣燃燒器，燃氣依靠自身的壓力經多個燃氣孔口，噴射到加熱爐爐膛，燃氣量由燃燒器前調節閥手動控制；助燃空氣依靠煙囪抽力，通過調節擋風板的開度控制。

傳統的燃氣燃燒器NOx排放量大多都在300 mg/m3左右，通過采用低過剩空氣系數運行是一種降低NOx生成量的簡單方法[1]。優點是無需對燃燒裝置做結構改造，并有可能在降低NOx排放量的同時，提高加熱爐的運行效率。

為了驗證該觀點，本文開展CFD模擬研究。模擬計算時，燃燒器模型構建為一根DN 25 mm管子，端部為9個直徑2 mm的圓孔，熱功率50 kW；加熱爐構建為直徑200 mm的燃燒室， 排煙口直徑為100 mm。燃燒器頭部至排煙口距離為1 000 mm，且假定燃燒器頭部橫截面處空氣、燃氣速度均勻。模擬時，燃氣用純甲烷計算，燃氣溫度為27 ℃，管內燃氣流速為2.4 m/s；環境溫度為20 ℃，空氣流速則根據不同過剩空氣系數計算得到。

模型計算網格劃分時采用icem非結構網格，對燃燒器頭部局部加密。Fluent模擬計算時，采用基于壓力的分離求解器，設置重力工況與能量方程，選擇K-ε標準湍流模型、DO輻射傳熱模型和通用有限速率渦耗散模型，并開啟NOx生成模型選項。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法與二階迎風格式。燃燒室壁面設置為恒溫(315 K)狀態，排煙口環境為大氣。

式中:“∝”表示“等價于”, 0<λ> <1 為遺忘因子。但由于無法獲得{yk,i},問題(P1)很難直接求解。考慮到條件概率密度函數 p(dk,i|yk,i)與 w不相關,可得從而λ

② NOx排放模擬結果分析

在不同過剩空氣系數下燃燒工況模擬計算后，對排煙口的CO和NOx排放量取平均值，并進行標準化處理，即折算為煙氣中氧氣體積分數為3.5 %時的CO和NOx的排放量(單位為mg/m3)。標準化處理后CO和NOx排放量隨過剩空氣系數的變化見圖1。

圖1 標準化處理后CO和NOx隨過剩空氣系數的變化

從計算結果可以看出，過剩空氣系數為1.1～1.5范圍內，減小過剩空氣系數可以減少NOx的排放，但CO排放量會增大。這與我們一般對NOx生成規律的認知有所區別，即減小過剩空氣系數雖然提高了整體爐溫，卻減少了氮氧化物的排放。這是因為對于擴散式燃燒，減少助燃空氣量，減緩了燃氣與空氣的擴散混合速度，于是更多比例的燃氣在大于化學計量比下發生反應，從而降低了反應區的燃燒溫度，顯然這有助于NOx排放的減少。但與此同時，空氣的不足造成更嚴重的不完全燃燒。如果這些不完全燃燒產物能再次與一定量的空氣燃燒發生反應，可以大大減少CO的排放，這也是區域分級燃燒作為低氮燃燒技術的理論依據。遺憾的是擴散式燃燒器所需的助燃空氣依靠煙囪抽力引入，其動力有限，無法對助燃空氣分級控制，較難在一個燃燒器上形成不同空燃比的燃燒區域。

對于擴散式燃燒器，通過優化擴散燃燒器噴嘴形式和結構尺寸，其最佳排放只能為70 mg/m3[14]；增加濃淡區域的分級燃燒，其氮氧化物的排放也只能在60 mg/m3左右[3]，均不能滿足當前的排放要求。

3 加熱爐的低氮燃燒技術方案

尋找小型單井燃氣加熱爐低氮排放技術方案所遵循的基本原則是技術可靠、經濟可行。文獻[15]介紹了采用煙氣再循環技術能把NOx排放量基本控制在40～50 mg/m3，符合標準的要求。但煙氣再循環燃燒器系統較復雜，適合較大熱功率的燃燒器，通常應用于熱功率在350 kW以上的情況[11]。

文獻[16]介紹了熱功率為50 kW全預混燃燒器的NOx排放性能，過剩空氣系數越大，NOx排放量越低，在過剩空氣系數1.4時，NOx排放量小于31 mg/m3。

通過比較，無論從NOx的減排潛力、系統的經濟性，還是燃燒器熱功率，全預混燃燒技術更適合小型單井燃氣加熱爐的工況要求。基于此，本文對全預混燃燒器進行CFD模擬計算分析。

① 物理模型及計算結果

單井燃氣加熱爐的全預混燃燒器模型設計為內燃式，環狀結構內側直徑為125 mm，長度為100 mm；加熱爐爐膛直徑為200 mm，壁厚10 mm,長為1 650 mm，煙道出口直徑為100 mm，假定混合均勻的燃氣空氣混合物從40 mm×4 mm的密布的矩形環縫中勻速噴出。全預混燃燒器模型尺寸見圖2。

圖2 全預混燃燒器模型尺寸

模擬計算時，邊界條件和湍流、輻射等模型設定與擴散式燃燒器相同。本文分別計算了2組工況：不同過剩空氣系數(燃氣空氣混合物溫度為27 ℃)和不同混合氣初始溫度(過剩空氣系數為1.5)下的NOx排放量。全預混燃燒器不同過剩空氣系數下的NOx排放量見圖3，全預混燃燒器不同混合氣初始溫度下的NOx排放量見圖4，過剩空氣系數為1.5、混合氣初始溫度為150 ℃時的爐膛內溫度分布云圖見圖5。

圖3 全預混燃燒器不同過剩空氣系數下的NOx排放量

圖4 全預混燃燒器不同混合氣初始溫度下的NOx排放量

圖5 過剩空氣系數為1.5、混合氣初始溫度為150 ℃時爐膛內溫度分布云圖

由圖3～5可以看出，全預混式燃燒的高溫區域相對較小，溫度更均勻，局部高溫點明顯減少。高過剩空氣系數可以有效地降低燃燒溫度，過剩空氣系數越大，NOx排放量越低；同樣，燃氣空氣混合物的初溫也會影響NOx排放量，初始溫度越低，NOx排放量越小。

② 全預混燃燒低氮排放的技術要求

理想狀態下，燃氣和空氣在發生化學反應之前已經混合均勻，因此燃燒溫度也均勻，圖5中的溫度分布變化是因為燃燒反應后高溫煙氣邊向前運動邊放熱(輻射傳熱)造成。因此對于全預混燃燒器來講，實現NOx排放量達標的關鍵是控制燃燒溫度。

燃氣燃燒的溫度tc可以用下式表示[17]：

式中tc——燃氣燃燒溫度，℃

Hi——燃氣低熱值，kJ/m3

cg——燃氣0 ℃～tp平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

α——過剩空氣系數

ca1——空氣0 ℃～tp平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

tp——燃氣空氣混合物燃燒前初始溫度，℃

cf——理論煙氣0 ℃～tc平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

ca2——空氣0 ℃～tc平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

從上式可以看出，由于燃燒溫度tc遠大于混合氣初始溫度tp，所以過剩空氣系數α增大，燃燒溫度tc減小,有助于NOx排放量降低；而tp增大則燃燒溫度tc升高，不利于NOx排放量降低。

因此，研發出能適應油田氣質在高過剩空氣系數下穩定運行的全預混燃燒器是單井燃氣加熱爐低氮改造成功的關鍵。具體來講，全預混燃燒器應滿足以下條件：

a.能在高過剩空氣系數下穩定運行；b.有良好的燃燒器頭部隔熱措施，即控制好燃氣空氣混合氣初始溫度；c.有較理想的燃氣空氣混合均勻性。

實際上，初步研發的全預混燃燒器經測試，完全能滿足50 mg/m3的排放量要求。

4 結論

① 自然引風擴散式燃燒器可以通過減小過剩空氣系數的方法降低NOx排放量，理論上可以勉強滿足NOx的排放量達標要求，但無法同時實現CO排放量達標。

② 由于自然引風擴散式燃燒器沒有自動點火和熄火保護功能，已不符合污染物排放量達標要求，小型單井燃氣加熱爐的燃燒器應采用全預混燃燒技術進行低氮改造。

③ 小型單井燃氣加熱爐NOx排放量達標的關鍵為研發出能適用于油田應用場景的全預混燃燒器。