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）

1 引言

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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)原油具有彈性驅(qū)動(dòng)作用，CO2對(duì)原油具有溶解作用，水蒸汽對(duì)原油具有熱力作用。因此該方式不僅對(duì)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(huì)更高，而且在鼓泡管鼓泡時(shí)由于液面波動(dòng)要引起燃燒室壓力波動(dòng)[4]。這種壓力波動(dòng)會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使燃燒不完全、熄火、爆鳴,甚至發(fā)生爆炸事故。我國從上個(gè)世紀(jì)50年代開始著手研究浸沒燃燒，1963年劉燕齡對(duì)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(dòng)的設(shè)計(jì)原則和防止爆炸的安全措施，對(duì)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(shí)構(gòu)建了天然氣火焰穩(wěn)定性圖，提供了一種對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。

2 浸沒燃燒器的設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建天然氣燃燒穩(wěn)定性圖表

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于二元混合氣體其值列在文獻(xiàn)表中，對(duì)于一個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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。

2.2 浸沒燃燒器燃燒室的設(shè)計(jì)

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(duì)于一個(gè)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(duì)于工業(yè)規(guī)模燒嘴，流速一定會(huì)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(duì)于預(yù)混燃燒）和燃燒室的幾何形狀?？墒?，實(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(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)于一個(gè)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(huì)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(tái)主體圖Fig.4 Main test facility for pressurized submerged combustion

對(duì)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：

2.3 浸沒燃燒整體設(shè)計(jì)

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(duì)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(huì)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(tái)對(duì)其進(jìn)行了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。

3 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(tái)進(jìn)行基本測試。圖4為增壓浸沒燃燒試驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(jí)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(dòng)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(hào)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(tái)，液面調(diào)至微浸鼓泡管，避免點(diǎn)火后高溫?zé)煔舛搪罚瑩p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(gè)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。

4 結(jié)論

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(duì)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(duì)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(gè)增壓浸沒燃燒燃燒室的全面設(shè)計(jì)。對(duì)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(huì)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(duì)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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