丙烷燃燒過程氮氧化物排放特性的數(shù)值模擬研究

孫海華，劉安源，鞏 亮，張克舫，趙政權(quán)

(中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

世界上已探明的原油資源中，稠油儲(chǔ)量比例約占2/3，由于稠油黏度高，所以開采難度大，對(duì)開采技術(shù)要求較高[1].注蒸汽是針對(duì)油田稠油開采的一種有效方式，高溫蒸汽一方面可以提高油層溫度，降低稠油黏度，另一方面可以提高油層壓力，降低驅(qū)替難度.注汽鍋爐作為制取蒸汽的核心設(shè)備，在稠油開采中有著不可替代的作用.目前常用注汽鍋爐按照燃料不同可以分為燃煤、燃油及燃?xì)忮仩t，相對(duì)燃煤和燃油鍋爐，燃?xì)忮仩t具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氮氧化物排放濃度低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).但隨著我國對(duì)環(huán)境污染的重視，山東、上海、新疆等地要求新建燃?xì)忮仩t核心控制區(qū)的排放要降到50 mg/m3以內(nèi)[2-3]，部分稠油開采的燃?xì)庾⑵仩t已不能滿足現(xiàn)有排放要求.為了滿足當(dāng)前以及將來日益嚴(yán)峻的政策要求，降低燃?xì)庠O(shè)備燃燒過程中NOx的排放是當(dāng)前面臨的緊迫而重要的課題.煙氣再循環(huán)技術(shù)[4]作為降低 NOx排放的一種方式，在煙道尾部抽出一部分煙氣，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)將煙氣通入爐膛入口重新參與燃燒，無需對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，費(fèi)用相對(duì)經(jīng)濟(jì)被廣泛應(yīng)用[5-7].

楊琛琛、姜磊、宋少鵬[8-10]等利用煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)抑制燃?xì)忮仩t氮氧化物排放做了研究，結(jié)果指出，煙氣再循環(huán)能有效降低鍋爐運(yùn)行燃燒時(shí)的溫度，對(duì)降低氮氧化物排放具有顯著作用.Liu H[11]等指出煙氣再循環(huán)位置會(huì)影響與空氣的混合，對(duì)抑制NOx生成有重要作用.也有一些學(xué)者如宋洪鵬、王麗輝、王珂等[12-15]對(duì)過量空氣系數(shù)與氮氧化物排放的關(guān)系進(jìn)行了研究，較大的過量空氣系數(shù)會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度較低，存在一個(gè)最佳過量空氣系數(shù)，使得火焰溫度較高而產(chǎn)生的NOx量很少.但目前的文獻(xiàn)主要集中于天然氣在燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用，對(duì)以丙烷為主要成分的液化石油氣在油田移動(dòng)注汽鍋爐研究很少.對(duì)于油田的移動(dòng)燃?xì)庾⑵仩t，對(duì)燃料使用的便攜性要求較高，甲烷的臨界溫度為-82.45 ℃，在常壓下加壓不能液化.丙烷的臨界溫度較高，為96.8 ℃，容易液化，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，所以丙烷更適合油田移動(dòng)式注汽鍋爐.

本文在小型燃燒試驗(yàn)臺(tái)上研究了丙烷燃燒時(shí)的氮氧化物排放特性，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性.研究在不同過量空氣系數(shù)及煙氣再循環(huán)條件下燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)和NOx濃度場(chǎng)，對(duì)丙烷燃燒的氮氧化物排放特性進(jìn)行分析，為工業(yè)鍋爐的運(yùn)行改造提供意見.

1 研究對(duì)象和計(jì)算方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

丙烷燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括冷卻水系統(tǒng)、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，以及由煙氣分析儀、熱電偶、流量計(jì)、壓力計(jì)等組成的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.為保證燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的安全性和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)開始已前對(duì)系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行測(cè)試.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

燃燒室截面尺寸為圓形，直徑400 mm，長(zhǎng)度1 000 mm，燃燒室外側(cè)為冷卻水.實(shí)驗(yàn)用的燃燒器型號(hào)為RIELLO 40 GS10，能使用天然氣和液化石油氣兩種燃料，最大燃燒負(fù)荷為100 kW.燃燒使用的丙烷純度為98%，使用德國Honeywell公司生產(chǎn)的BK-G10M流量計(jì)測(cè)量丙烷流量，測(cè)量范圍0.1 m3/h～16 m3/h，最大承壓75 mbar.煙氣分析儀為德國MRU Gmbh公司生產(chǎn)的OPTIMA 7，可以對(duì)煙氣的氧濃度、NOx濃度、CO濃度以及溫度、流速等進(jìn)行測(cè)量，其中，NOx濃度范圍0ppm～5 000 ppm，CO濃度范圍0 ppm～10 000 ppm，溫度范圍0 ℃～1 300 ℃，NOx濃度誤差±5 ppm，CO濃度誤差±5 ppm，溫度誤差±2 ℃.

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

燃燒器及燃燒室?guī)缀文Ｐ筒捎肧olidworks軟件按照實(shí)際尺寸1∶1繪制，對(duì)燃燒器原型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，然后進(jìn)行三維建模，如圖2 所示.

圖2 燃燒器頭部示意圖

氣體燃料通過八根直徑4 mm的燃料噴管送入燃燒器，燃料為射流，在燃料噴管出口5 mm處有一旋流板，將噴射的只有軸向速度的氣體燃料轉(zhuǎn)化成具有周向動(dòng)能的旋流，方便與空氣進(jìn)行混合.八根燃料噴管的中心是直徑為38 mm的鈍體回流區(qū)，一次風(fēng)通過回流區(qū)邊緣處八個(gè)直徑2 mm圓孔進(jìn)入鈍體，與8股旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的燃?xì)饣旌希⑻峁⑷剂纤腿霠t膛的軸向速度.二次風(fēng)通過旋流盤與燃燒器管套之間的縫隙進(jìn)入，占總風(fēng)量的90%，通過二次風(fēng)的擾動(dòng)使燃燒更加快速、強(qiáng)烈.

整個(gè)計(jì)算區(qū)域使用Solidworks進(jìn)行建模，使用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算區(qū)域?yàn)槿紵魅肟诘饺紵页隹冢捎媒Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的形式.燃燒器部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，燃燒室用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在燃?xì)夤艹隹谛髌鞑糠诌M(jìn)行局部加密，網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.38，保證網(wǎng)格具有良好的計(jì)算精度.

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬前，首先檢查計(jì)算結(jié)果是否隨網(wǎng)格密度的變化而變化，排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.在確保網(wǎng)格質(zhì)量近似的前提下，本文采用三組網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算結(jié)果如下表1所示.可以看出網(wǎng)格1與網(wǎng)格2、網(wǎng)格3差異大于10%，網(wǎng)格2與網(wǎng)格3計(jì)算結(jié)果差異僅為3%，網(wǎng)格 2 計(jì)算時(shí)間更短，所以采用網(wǎng)格2進(jìn)行數(shù)值模擬.

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性考核

1.3 數(shù)學(xué)模型

該實(shí)驗(yàn)燃燒器中的氣體流動(dòng)具有強(qiáng)旋流、圓孔射流、中等強(qiáng)度湍流等特點(diǎn)，綜合考慮數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性及計(jì)算資源，湍流選擇Realizable k-ε模型[16]、燃燒選擇有限速率/渦耗散模型，輻射采用離散坐標(biāo)(DO)模型，由于燃料是氣體，不含有氮元素，所以污染物的生成只考慮熱力型 NOx，使用澤爾道維(Zeldovich)機(jī)理[17]進(jìn)行NOx計(jì)算.

控制方程[18]的離散采用控制容積法，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，壓力插值采用PRESTO格式，其它離散格式采用二階迎風(fēng).邊界條件為速度入口，壓力出口，壁面設(shè)置為固定壁溫，考慮了浮升力對(duì)模擬結(jié)果的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

保持40 kW負(fù)荷不變，測(cè)量過量空氣系數(shù)α為1.1時(shí)，距離燃燒器出口260 mm、800 mm、1 100 mm處燃燒室中心溫度，以及α從1到1.3時(shí)，燃燒室出口處NOx濃度.將丙烷燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4、圖5所示.

將實(shí)驗(yàn)測(cè)量燃燒室出口處NOx濃度與數(shù)值模擬燃燒室出口NOx濃度進(jìn)行對(duì)比，可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)得生成的氮氧化物濃度與數(shù)值模擬濃度之間存在一定誤差，數(shù)值模擬NOx濃度高于實(shí)驗(yàn)NOx濃度.出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是數(shù)值模擬對(duì)燃燒的混合程度模擬較好，氣體組分更容易發(fā)生反應(yīng)，所以模擬溫度偏高，熱力型NOx也更加容易生成，模擬的NOx濃度偏大，圖5的模擬溫度高于實(shí)驗(yàn)溫度也剛好驗(yàn)證這一點(diǎn).但燃燒室出口處NOx濃度變化趨勢(shì)是一樣的，數(shù)值雖然不能精確預(yù)測(cè)數(shù)量，但數(shù)值模擬能預(yù)測(cè)定性分析燃燒室內(nèi)組分場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化，為研究丙烷燃燒的氮氧化物排放規(guī)律提供依據(jù).

2.2 空氣系數(shù)影響

不同的空氣系數(shù)，燃燒室內(nèi)最高溫度不同，對(duì)應(yīng)的溫度范圍也會(huì)很大差距，而甲烷燃燒產(chǎn)生氮氧化物的主要因素就是熱力型NOx，所以空氣系數(shù)對(duì)NOx生成會(huì)產(chǎn)生重要的影響.本文中，按照實(shí)驗(yàn)工況條件進(jìn)行不同空氣系數(shù)的模擬計(jì)算，得出適宜燃燒的空氣系數(shù).

本節(jié)模擬的是40 kW負(fù)荷下空氣系數(shù)α從1到1.3的溫度分布情況，取燃燒室中心截面進(jìn)行分析，如圖6所示，火焰的高溫分布區(qū)域較大，主要集中在環(huán)形燃燒室中部，這是由于空氣和燃?xì)獠糠只旌虾笸ㄈ肴紵遥谌紵覂?nèi)邊混合邊燃燒，燃?xì)馔ㄟ^湍流擴(kuò)散作用來獲得燃燒所需的O2，對(duì)于這樣的擴(kuò)散燃燒，火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)、高溫區(qū)也較大.隨著空氣系數(shù)的增加，火焰長(zhǎng)度和高溫區(qū)域逐漸減少，這是由于空氣流量增加，未參與反應(yīng)的空氣增加，而空氣含有較大的比熱容，帶走了燃燒產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致高溫區(qū)域明顯減小；同時(shí)由于空氣流量增大，流速增大，湍流作用加強(qiáng)，使得氣體燃料能在較短的距離內(nèi)與空氣中氧氣混合并燃燒，火焰距離變短.燃燒過程發(fā)出大量的熱，燃燒室中氣體受熱產(chǎn)生密度差，由于數(shù)學(xué)模型中考慮到浮升力對(duì)計(jì)算的影響，所以燃燒室中火焰并不是完全對(duì)稱，出現(xiàn)輕微的向上漂移.

圖6 不同空氣系數(shù)燃燒室溫度分布

影響熱力型NOx生成的主要因素是溫度和氧含量，如圖7所示，在空氣系數(shù)α從1到1.3的過程中，燃燒室內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在距離燃燒器出口200 mm～400 mm的范圍內(nèi)，此時(shí)氣體燃料與氧氣充分、快速混合，進(jìn)行強(qiáng)烈的燃燒，最高燃燒溫度達(dá)到1 946 K.但此時(shí)NOx生成物極少，雖然此時(shí)滿足熱力型NOx需要高溫的條件，但此時(shí)煙氣中氧含量較低，所以NOx生成物濃度較低.400 mm以后隨著燃燒的進(jìn)行，流場(chǎng)中甲烷的含量逐漸減小，燃燒消耗的氧氣含量減少，煙氣中剩余氧氣含量逐漸增加，當(dāng)煙氣中O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.02時(shí)，NOx劇烈生成，在空氣系數(shù)α=1.1，軸向距離500 mm處達(dá)到最大值317 ppm.

圖7 溫度和氧濃度與NOx生成物之間的關(guān)系

圖8 空氣系數(shù)與NOx濃度分布云圖

燃燒器中燃?xì)夂涂諝鈱儆跀U(kuò)散燃燒，如圖8所示，熱力型NOx無法在火焰鋒面形成，生成區(qū)域主要在火焰鋒面下游.隨著空氣系數(shù)的變化，NOx生成物的區(qū)域也在變化，α從1到1.3的過程中，NOx生成物的區(qū)域逐漸向燃燒器出口處靠近.α增大，空氣流量增大，燃燒器出口處空氣流速增加，湍流作用增強(qiáng)，空氣與氣體燃料的混合效果更好，氣體燃料在燃燒器出口較短的距離內(nèi)燃燒完，煙氣中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.02的區(qū)域也更加靠近燃燒器出口，所以隨著空氣系數(shù)α的增大，NOx生成區(qū)域逐漸靠近燃燒室前部.而且由于考慮浮升力對(duì)模擬的影響，所以NOx濃度不是對(duì)稱分布，燃燒室中氮氧化物上半部分的濃度要略微大于下半部分.

2.3 煙氣再循環(huán)影響

燃燒器入口處的氧化劑成分對(duì)氮氧化物的生成有著重要影響，本文通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行了煙氣再循環(huán)率對(duì)丙烷燃燒過程氮氧化物排放特性影響的研究.

對(duì)于某一給定煙氣再循環(huán)率數(shù)值條件下的丙烷燃燒過程模擬，為了實(shí)現(xiàn)燃燒室出口煙氣成分與燃燒器入口再循環(huán)煙氣成分一致，本文采用了迭代方法完成.首先，假設(shè)燃燒室出口煙氣成分和流量為純空氣參與燃燒條件下產(chǎn)生的煙氣成分及流量，并以該數(shù)值為基礎(chǔ)抽取一定量煙氣進(jìn)行燃燒器煙氣再循環(huán)燃燒過程的模擬計(jì)算直至模擬過程收斂.然后，以剛得到的燃燒室出口煙氣成分和流量為基礎(chǔ)抽取一定量煙氣重新進(jìn)行燃燒器煙氣再循環(huán)燃燒過程模擬計(jì)算到模擬過程收斂.經(jīng)過幾輪迭代后，當(dāng)燃燒器入口煙氣成分與燃燒室出口煙氣成分基本一致時(shí)，則認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了給定煙氣再循環(huán)率條件下的數(shù)值模擬計(jì)算.模擬得到的不同煙氣再循環(huán)率條件下燃燒器入口處氧化劑成分，如表2所示.

表2 不同計(jì)算工況氧化劑成分

圖9 不同煙氣再循環(huán)率溫度分布云圖

圖10 NOx生成速率隨煙氣再循環(huán)率的變化

40 kW負(fù)荷下燃燒室高溫區(qū)域分布如圖9所示，加入煙氣再循環(huán)后火焰結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，高溫區(qū)面積有明顯區(qū)別.當(dāng)沒有煙氣再循環(huán)時(shí)，紅色高溫區(qū)域最大；加入煙氣再循環(huán)后，紅色高溫區(qū)域減少.原因是再循環(huán)煙氣的加入，使得與空氣混合后的平均氧濃度降低，在分子級(jí)別的氧氣分子和氣體燃料分子有效碰撞頻率會(huì)降低[19].這導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率變慢，從而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)放熱速率降低，燃燒室內(nèi)高溫區(qū)域降低.

由于丙烷燃燒產(chǎn)生的氮氧化物主要是熱力型NOx，受溫度的影響最大，溫度越高，空氣中N2在高溫下氧化生成NOx的速度越快，燃燒室中存在高溫區(qū)，在這些區(qū)域生成較多的NOx，對(duì)整個(gè)燃燒室的氮氧化物排放起到了重要作用.如圖10所示，煙氣再循環(huán)率逐漸增加，NOx生成的區(qū)域也逐漸減小，NOx生成速率也逐漸降低，隨之燃燒室內(nèi)的NOx濃度也逐漸降低.

為了清楚的體現(xiàn)不同煙氣再循環(huán)工況下氧化劑中氧氣的體積分?jǐn)?shù)與燃燒產(chǎn)生的NOx速率及燃燒最高溫度的關(guān)系，如圖11所示.隨著煙氣再循環(huán)率的增加，燃燒器入口處氧化劑中的氧分壓下降，氧氣的體積分?jǐn)?shù)每下降1%，燃燒反應(yīng)的最高溫度下降約2%，NOx生成速率下降約22.4%.這是由于參與反應(yīng)的單位體積氧濃度降低，所以燃燒理論溫度下降，而且熱力型NOx受溫度的影響最大，當(dāng)溫度降低時(shí)，熱力型NOx的生成速率也變得十分敏感.煙氣再循環(huán)在降低氧化劑中氧氣分壓的同時(shí)，燃燒室中不參與反應(yīng)的N2、CO2等惰性氣體含量上升，帶走燃燒室中的部分熱量，結(jié)果就是隨煙氣再循環(huán)率增加而燃燒室內(nèi)最高溫度逐漸降低，在煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)達(dá)到最低值1 814 K.

隨煙氣再循環(huán)率增加，當(dāng)煙氣再循環(huán)率小于15%時(shí)，氮氧化物減排效果明顯，但當(dāng)煙氣再循環(huán)率大于15%后，氮氧化物減排效果減弱，再循環(huán)煙氣對(duì)NOx生成影響減小.關(guān)于煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)降低NOx排放的趨勢(shì)，不同學(xué)者做出了不同結(jié)果，Baltasar等的研究顯示煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx得減排趨勢(shì)近似直線下降[20]，如圖12所示.而Yu等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)加速下降[21].趨勢(shì)的不同可能與燃燒器結(jié)構(gòu)，煙氣再循環(huán)方式等存在關(guān)系，但對(duì)于有限空間(爐膛)內(nèi)燃燒，Cho[22]等做出與本文相似的趨勢(shì).

3 結(jié) 論

本文對(duì)不同空氣系數(shù)及煙氣再循環(huán)條件下丙烷燃燒的氮氧化物排放特性進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

(1)在實(shí)驗(yàn)室的小型燃燒器，一次風(fēng)比例10%，二次風(fēng)比例90%，過量空氣系數(shù)α在1.1～1.2之間存在一個(gè)最佳數(shù)值，既能保證燃燒室內(nèi)較高的溫度，同時(shí)又能有效抑制氮氧化物的排放.

(2)NOx排放濃度并不是隨著煙氣再循環(huán)率呈線性下降，在本文燃燒器條件下煙氣再循環(huán)率小于15%以前，煙氣再循環(huán)對(duì)氮氧化物生成的抑制效果明顯，燃燒效率基本不變.

(3)在本文燃燒器條件下，當(dāng)煙氣再循環(huán)率大于15%時(shí)，對(duì)氮氧化物的抑制效果逐漸減弱，且燃燒條件變差，不完全燃燒熱損失增加.