宮小龍 劉中良 江瀚 李清方
(1.北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及北京市傳熱與能源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124;2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料工程學(xué)院,江西景德鎮(zhèn)333403;3中國石化勝利油田勝利工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,山東東營257026)
浸沒燃燒蒸發(fā)(SCE)技術(shù)是一種無固定傳熱面的蒸發(fā)方式,因此浸沒燃燒蒸發(fā)器是一種高效的蒸發(fā)設(shè)備[1,2]。具體表現(xiàn)在高溫?zé)煔馀c待蒸發(fā)液體直接接觸進(jìn)而發(fā)生傳熱傳質(zhì),與間壁式傳熱器相比,具有傳熱速率快、熱利用率高和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),因而避免了結(jié)晶、結(jié)垢等阻礙傳熱因素的影響,同時(shí)由于氣液交互、擾動劇烈、尾氣溫度低,其熱效率高達(dá)95%以上[1],按燃料低熱值計(jì)算其熱效率可超過100%,被廣泛應(yīng)用于高粘性、高沸點(diǎn)或強(qiáng)腐蝕性溶液的蒸發(fā),尤其適合于易結(jié)垢液體的蒸發(fā)濃縮、分離,在冶煉、化工、核工業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
增壓浸沒燃燒(The Pressurized Submerged Combustion Evaporation,PSCE)是本課題組老師率先提出的,它是基于常規(guī)浸沒燃燒的二次開發(fā)與利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施,對環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源和原材料的要求日益迫切,工藝和控制技術(shù)不斷進(jìn)步,浸沒燃燒技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,為能獲得相對較高溫度與壓力的排氣,發(fā)展出增壓浸沒燃燒:通過增大蒸發(fā)器液面上的總壓力,提高液體的沸點(diǎn)值,增大輸出混合氣體的溫度和壓力。增壓浸沒燃燒熱效率更高,有著特殊的用途。例如增壓浸沒燃燒技術(shù)用于油田污水汽化生產(chǎn)和油田生產(chǎn)加熱介質(zhì)時(shí),燃料的高位發(fā)熱量和煙氣的余熱得到完全利用,所以按傳統(tǒng)的燃料低位發(fā)熱量定義的熱效率實(shí)際上可以大于1。煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間短,在燃燒室中生成后立即進(jìn)入液體被冷卻,從而減少NOX等污染物的生成。超高壓浸沒燃燒將燃燒產(chǎn)生的煙氣連同油田污水汽化的蒸汽一同注入地下,用于稠油熱采。燃燒產(chǎn)物的主要成分是N2、CO2、高溫飽和水蒸汽。在石油開采中,N2對原油具有彈性驅(qū)動作用,CO2對原油具有溶解作用,水蒸汽對原油具有熱力作用。因此該方式不僅對采油效率有積極作用,而且能真正實(shí)現(xiàn)增壓浸沒燃燒系統(tǒng)的“零排放”,節(jié)省大量的水資源。能實(shí)現(xiàn)油田污水的高效、無污染、資源化利用,實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的節(jié)水、節(jié)能、減排,大幅度降低油田生產(chǎn)成本。
圖1 臨界邊界速度梯度與燃料濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between critical boundary velocity gradient and fuel concentration
然而,無論是浸沒燃燒還是增壓浸沒燃燒,燃燒的穩(wěn)定條件是設(shè)計(jì)浸沒燃燒器的關(guān)鍵問題[3,5]。浸沒燃燒器的燃燒條件與一般燃燒不同,有它一定的特殊性。首先由于燃燒器底部的鼓泡管必須插入液體中,所以燃燒室內(nèi)的壓力較一般情況要高,增壓浸沒燃燒燃燒室壓力會更高,而且在鼓泡管鼓泡時(shí)由于液面波動要引起燃燒室壓力波動[4]。這種壓力波動會引起燃燒不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會使燃燒不完全、熄火、爆鳴,甚至發(fā)生爆炸事故。我國從上個世紀(jì)50年代開始著手研究浸沒燃燒,1963年劉燕齡對浸沒燃燒蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)的概述[6],總結(jié)提出了浸沒燃燒蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)思路與方法,1980南京工學(xué)院殷開泰、汪忠[7]著重分析了浸沒燃燒的穩(wěn)定性條件和發(fā)生爆鳴的原因,提出了減少壓力波動的設(shè)計(jì)原則和防止爆炸的安全措施,對推廣浸沒燃燒技術(shù)起到積極作用。但是浸沒燃燒器的設(shè)計(jì)均從傳統(tǒng)燃燒器設(shè)計(jì)思路演化而來,在實(shí)際使用中問題較多。本文研究增壓浸沒燃燒,燃燒條件更為苛刻,所以綜合國內(nèi)外相關(guān)研究[8],進(jìn)行了基于火焰穩(wěn)定特性的的增壓浸沒燃燒器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì),是解決增壓浸沒燃燒器燃燒穩(wěn)定性的有效途徑。
本文基于火焰穩(wěn)定特性知識構(gòu)建了天然氣火焰穩(wěn)定性圖,提供了一種對于燃燒氣體燃料浸沒燃燒燃燒器燃燒室的設(shè)計(jì)思路,并對該思路下設(shè)計(jì)的浸沒燃燒器燃燒室進(jìn)行了具體設(shè)計(jì),融入火焰穩(wěn)定原理,一次空氣與燃料旋流預(yù)混,進(jìn)行了浸沒燃燒器的總體設(shè)計(jì),并對設(shè)計(jì)的燃燒器在自行設(shè)計(jì)的增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。
純?nèi)剂蠚怏w的火焰穩(wěn)定圖表諸如:氫氣、甲烷、丙烷等等是可以獲得的[9,10]。如果燃料氣為多組分氣體的混合物,例如LPG或NG,如果其中各組分氣體的火焰穩(wěn)定性圖表已知的話,就可以構(gòu)建出混合氣體的火焰穩(wěn)定圖表。Van Krevelen和Chermin利用通用火焰穩(wěn)定圖表提供了一套詳細(xì)構(gòu)建混合氣體組分火焰穩(wěn)定圖表的程序[9]。
通用火焰穩(wěn)定圖表理論 -Van Krevelen和Chermin的通用火焰的穩(wěn)定性圖表是依據(jù)相關(guān)的定理發(fā)展的,該定理是指對于任何燃?xì)饣旌衔锘蛘呒內(nèi)細(xì)庠诳諝庵腥紵幕鹧娣€(wěn)定圖表完全可以由以下特征描述。
(1)回火曲線的峰值坐標(biāo)(FM,gM);
(2)φ值,提供了回火曲線寬度的量度;
(3)從回火曲線的峰值到脫火曲線的距離,用TP和TQ表示(圖1)。
因此,如果純?nèi)細(xì)獾膅M,F(xiàn)M和φ值已知的話,就能夠描繪出它的回火與脫火曲線。對于碳?xì)錃怏w混合物例如天然氣(不計(jì)算惰性氣體N2和CO2,也不計(jì)算H2和CO),這些氣體的影響,可以通過單獨(dú)計(jì)算對gM,F(xiàn)M和φ進(jìn)行修正[8],因此:
氫氣火焰穩(wěn)定性圖表(圖1b)-對于純?nèi)細(xì)庠诳諝庵腥紵幕鹧娣€(wěn)定圖表已經(jīng)獲得了。Von Krevelen和Chermin提供了各種燃?xì)獾膅M,F(xiàn)M和φ值數(shù)據(jù)表。對于氫氣這些值是:gM=10500s-1,F(xiàn)M=1.2,φ=0.46。
設(shè)計(jì)浸沒燃燒器所用天然氣成分見表1,天然氣氣體組成以燃?xì)夤咎峁┑臋z測報(bào)告為準(zhǔn)。天然氣中的碳?xì)淙細(xì)饨M成以及相應(yīng)FM,gM和φ值、相應(yīng)的理論空氣需要量和火焰穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表2。其中包括C2H10、C3H6和C3H8等單一組分燃料燃燒的火焰穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。對于丁烯,這些值是通過比較Wohl et al提供的純丁烷火焰穩(wěn)定性圖表和Van Krevelen以及Chermin提出的通用火焰穩(wěn)定性圖表計(jì)算得出的。C4H10和C5H10以及C5H12的gM,F(xiàn)M和φ可以假設(shè)認(rèn)為與C4H8值相同。綜上所述,天然氣的gM,F(xiàn)M和φ值可由下式計(jì)算:
考慮惰性氣體的影響:諸如N2和CO2對臨界邊界速度梯度的影響主要來自VanKrevelend的實(shí)驗(yàn)[10]。發(fā)現(xiàn)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%,回火時(shí)的最大邊界速度梯度能被計(jì)算,用下面公式做最初的近似:
式中,x是惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)。
相對氣體濃度在最大值時(shí)能被計(jì)算,從下面一類似的關(guān)系作最初的近似:
A,B是常數(shù),對于二元混合氣體其值列在文獻(xiàn)表中,對于一個多組分混合氣體(包含N2、CO2),上面公式變?yōu)椋?/p>
公式(7)是一個近似,F(xiàn)M恒大于1,如果計(jì)算中出現(xiàn)FM<1,實(shí)際應(yīng)按FM=1處理。xN2、xCO2為混合氣體中N2和CO2的體積分?jǐn)?shù),AN2、ACO2、BN2、BCO2可按參考文獻(xiàn)方法算得:AN2=0.836,ACO2=1.494,BN2=0.0052,BCO2=0.0052。
因此,對于考慮惰性氣體的影響,該天然氣的FM,gM和φ值分別為:
經(jīng)過構(gòu)建天然氣穩(wěn)定性圖表的計(jì)算,在計(jì)算過程中考慮了惰性氣體的影響,計(jì)算結(jié)果表明天然氣FM,gM和φ值基本與單一氣體CH4的FM,gM以及φ值接近相等,這是因?yàn)樘烊粴庵蠧H4體積分?jǐn)?shù)相對較高的緣故,所以在后面計(jì)算燃燒室直徑與長度時(shí),天然氣臨界邊界速度梯度值用甲烷代替,誤差很小。
每小時(shí)蒸發(fā)水量:32.064kg/h,燃燒器設(shè)計(jì)負(fù)荷(功率):30.0kW,燃料為CNG,具體成分見表1,經(jīng)過燃燒基本計(jì)算得:
每小時(shí)燃料消耗量為:Vf=2.90 Nm3/h
浸沒燃燒空氣消耗系數(shù)一般取1.1~1.4為宜,本論文為增壓浸沒燃燒,空氣消耗系數(shù)取=1.2,故每小時(shí)空氣需要量為:
Va=34.05 Nm3/h理論燃燒溫度:Tf=1653.8℃設(shè)計(jì)思路圖見圖2。
燃燒室直徑的計(jì)算:
根據(jù)火焰穩(wěn)定的基本原理,回火或脫火的臨界條件應(yīng)該和管口邊緣區(qū)域中的邊界速度梯度相聯(lián)系,而邊界速度梯度控制著燃料氣和助燃空氣的混合速度,邊界速度梯度是燃燒室直徑的函數(shù)。對于一個給定的邊界速度梯度值,混合氣體的速度能被表達(dá)成燃燒室直徑的函數(shù),對于工業(yè)規(guī)模燒嘴,流速一定會在湍流范圍內(nèi)。在燃燒室直徑計(jì)算中,選擇臨界邊界速度梯度取決于混合室(對于預(yù)混燃燒)和燃燒室的幾何形狀??墒牵瑢?shí)際上發(fā)現(xiàn)大多數(shù)火焰幾乎不脫火,一旦發(fā)生就是回火。這顯示脫火的臨界邊界速度梯度是無限地增長。這或許歸因于燃燒室被加熱到一個非常高溫度的實(shí)際,這時(shí)(回火發(fā)生)火焰在燃燒室穩(wěn)定,因此助燃空氣和燃料混合氣也被加熱到高溫。因?yàn)槿紵俣扰c助燃空氣和燃料混合氣的絕對溫度的平方成正比,燃燒室內(nèi)火焰的穩(wěn)定性也極大地增加。因此,在環(huán)境溫度下,基于回火曲線或脫火曲線的燃燒室設(shè)計(jì)是一個燃燒室的全面設(shè)計(jì)。
表1 試驗(yàn)天然氣成分Tab.1 Composition of natural gas in the experiment
表2 天然氣碳?xì)錃怏w組成以及相應(yīng)FM,gM和φ值表Tab.2 Hydrocarbon components of natural gas and their corresponding values of FM,gMand φ
沒有數(shù)據(jù)可以獲得來顯示在燃燒室中助燃空氣和燃料混合氣溫度增加程度。修正系數(shù)不包括對燃燒室直徑Dc的設(shè)計(jì),這設(shè)計(jì)是基于脫火曲線在標(biāo)態(tài)(或環(huán)境)溫度得到的。因此下面方程(8)可以被考慮作為燃燒室直徑的設(shè)計(jì)方程,g代表脫火(室溫)臨界邊界速度梯度。
對于一個燃燒器,在燃燒之前燃料氣體和助燃空氣被預(yù)混,需要注意的是火焰不會在氣流高速通過噴管情況下發(fā)生回火。因此混合氣體的速度或流速應(yīng)該設(shè)計(jì)成使其邊界速度梯度在回火曲線的上方,設(shè)計(jì)時(shí)如果是小噴口進(jìn)氣考慮臨界壓比問題[7]。
利用公式(8),代入已知參數(shù)ρ、μ、gB和熱負(fù)荷可以得到燃燒器直徑Dc。
通過計(jì)算:Dc=8.25cm。
空氣過剩系數(shù)n=1.0,F(xiàn)=1時(shí),gB=2×103s-1;
空氣過剩系數(shù)n=1.2,F(xiàn)=0.833時(shí),gB=1×103s-1。
燃燒室長度的計(jì)算:
燃燒室空間直徑是浸沒燃燒器設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù),并能夠直接影響燃燒器的熱負(fù)荷。燃燒室空間的長度與燃燒器熱負(fù)荷幾乎無關(guān),主要是受燃燒器的直徑影響。因此,燃燒室長度與熱負(fù)荷是隱函數(shù)的關(guān)系。下面闡述的燃燒器長度的計(jì)算適用于擴(kuò)散火焰。
圖4 增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺主體圖Fig.4 Main test facility for pressurized submerged combustion
對于同心射流火焰,利用Lisienko方程我們能夠得到比較滿意的火焰長度計(jì)算結(jié)果。決定火焰長度的最佳參數(shù)有燃?xì)鈬娍谥睆紻0,燃?xì)馀c空氣的流速比λ、燃燒空間直徑Dc和空燃比CT。Lisienko方程如下:
自由射流火焰長度:
其中,Ta為空氣溫度,單位為℃;
Wg為燃?xì)饽栙|(zhì)量;
Wa為空氣摩爾質(zhì)量。
計(jì)算得:LFfJ=61.09cm
受限射流(浸沒燃燒)火焰長度:
Ma為空氣的質(zhì)量流量,單位為kg/h;Mg為燃?xì)獾馁|(zhì)量流量,單位為kg/h。計(jì)算得:
經(jīng)過燃燒室直徑與長度的有效計(jì)算,取燃燒室直徑為9.0cm以及燃燒長度為60.0cm,該浸沒燃燒器整體設(shè)計(jì)如圖3,燃料與一次空氣采用旋流小孔噴入燃燒室,可增強(qiáng)火焰穩(wěn)定特性,二次空氣首先通過燃燒室外部環(huán)形空腔被燃燒室傳遞熱量預(yù)熱,起到對燃燒室冷卻作用,同時(shí)被預(yù)熱的二次空氣在燃燒室頭部進(jìn)入燃燒室助燃,提高了助燃風(fēng)的溫度,從而會適當(dāng)提高燃燒溫度,增強(qiáng)火焰強(qiáng)度,起到節(jié)能的作用。該浸沒燃燒器的設(shè)計(jì)課題組已成功申報(bào)了實(shí)用新型專利[11]。
為驗(yàn)證該浸沒燃燒器設(shè)計(jì)的燃燒特性與污染物排放特性,通過課題組自行搭建的增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺對其進(jìn)行了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。
我們將本文所設(shè)計(jì)的浸沒燃燒器放在課題組增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺進(jìn)行基本測試。圖4為增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺主體圖。
表3 不同浸沒深度下在穩(wěn)定蒸發(fā)階段所測煙氣中NOX和CO濃度Tab.3 NOxand CO contents in the flue gas tested during the steady evaporation for different submerged depths
設(shè)備關(guān)鍵組件:在試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)階段,對排氣管路的排氣進(jìn)行了測試,采樣點(diǎn)為管路中心位置,儀器為AVL Dicom 4000煙氣分析儀,在線監(jiān)測。助燃空氣通過無錫阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)壓縮機(jī)有限公司的GA30C型空壓機(jī),天然氣氣瓶組通過天津益思達(dá)二級減壓設(shè)備供給,天然氣流量通過AVZ系列V錐流量傳感器測量,空氣流量通過AVS100型渦街傳感器測量,液位顯示控制通過防爆型UHZ5600B磁翻板流量計(jì),設(shè)備中還有一些壓力、溫度以及用于控制的電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥等組件。由于增壓浸沒燃燒,考慮試驗(yàn)的安全在設(shè)備主體上部同時(shí)裝備了防爆膜和防爆閥。主要采集信號通過西門子200PLC采集到上位機(jī)輸出顯示,用于控制與調(diào)節(jié)。
表4 不空氣消耗系數(shù)下穩(wěn)定蒸發(fā)階段所測煙氣中NOX和CO濃度Tab.4 NOxand CO contents in the flue gas tested during the steady evaporation for different air consumption coefficients
常壓浸沒燃燒燃燒器點(diǎn)火均在液面以上點(diǎn)火,火焰調(diào)節(jié)到理想狀態(tài)后,再將燃燒器緩慢插入到液面中的適當(dāng)位置。本次試驗(yàn)浸沒燃燒器直接固定在增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺,液面調(diào)至微浸鼓泡管,避免點(diǎn)火后高溫?zé)煔舛搪?,損壞壓力、溫度傳感器等試驗(yàn)器材。
試驗(yàn)伊始點(diǎn)火存在一些困難,當(dāng)燃料與一次助燃空氣調(diào)節(jié)在比較好的配比范圍,能成功點(diǎn)火,整個試驗(yàn)過程燃燒比較穩(wěn)定。
浸沒燃燒、增壓浸沒燃燒節(jié)能是顯著的,前面已經(jīng)論述,本浸沒燃燒器燃燒試驗(yàn)側(cè)重污染物排放試驗(yàn)。
表3為不同浸沒深度下在穩(wěn)定蒸發(fā)階段所測煙氣中NOx的濃度,空氣消耗系數(shù)基本控制在1.3左右,其值穩(wěn)定在12ppm附近。而此時(shí)煙氣中的CO濃度均為0。從圖5可以看出,NOx的濃度不隨浸沒深度的變化而變化,或者說變化幅度很小。從穩(wěn)定的NOxppm值可以看出,本文設(shè)計(jì)使用的浸沒燃燒器確實(shí)屬于低污染燃燒器。
從表4及圖6可以看到NOxppm值與CO百分比濃度與空氣消耗系數(shù)的關(guān)系。NOxppm值隨空氣消耗系數(shù)的增加略有增加,空氣消耗系數(shù)比較大時(shí),NOxppm增幅也比較大,這是因?yàn)榭諝庀南禂?shù)比較大時(shí),燃料燃燒完全理論燃燒溫度偏高,且氧濃度比較大,有利于熱力型NOx的生成,而CO在空氣消耗系數(shù)小于1時(shí),具有一定的百分比濃度,當(dāng)空氣消耗系數(shù)大于1,燃料燃燒完全時(shí),未檢測到有CO。
經(jīng)過構(gòu)建天然氣穩(wěn)定性圖表,計(jì)算過程中考慮了惰性氣體的影響,計(jì)算結(jié)果表明天然氣的值基本與單一氣體CH4的理論值接近相等,這是因?yàn)樘烊粴庵蠧H4體積分?jǐn)?shù)相對較高的緣故,所以在設(shè)計(jì)計(jì)算甲烷為主的天然氣燃料增壓浸沒燃燒燃燒室時(shí),天然氣臨界邊界速度梯度值用甲烷代替,誤差很小。同時(shí),氣體燃料中甲烷含量相對較低,氣體中含有H2以及CO的影響亦可考慮其中,設(shè)計(jì)思路同文中論述一致。外部環(huán)境在環(huán)境溫度下,基于回火曲線或脫火曲線的燃燒室設(shè)計(jì)是一個增壓浸沒燃燒燃燒室的全面設(shè)計(jì)。對于增壓浸沒燃燒器,在燃燒之前燃料氣體和助燃空氣被預(yù)混,火焰不會在氣流高速通過噴管情況下發(fā)生回火,因此混合氣體的速度或流速應(yīng)該設(shè)計(jì)成使其邊界速度梯度在回火曲線的上方。理論上而言,增壓浸沒燃燒確實(shí)是一種“零排放”的高效燃燒技術(shù),從污染物排放實(shí)驗(yàn)看,NOx排放相對較低,燃燒組織的好,CO排放為零,而這些污染較小的排放遠(yuǎn)期目標(biāo)可以連同高壓蒸汽一起輸入地下用于稠油開采。
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