吳曉磊，劉波，任政，王元華，徐向榮，李旭燦

（1華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2湖南吉祥石化科技股份有限公司，湖南 岳陽414000；3中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇 南京 211521）

新型低氮燃?xì)夥旨?jí)燃燒器燃燒特性和NOx排放的CFD研究

吳曉磊1，劉波1，任政2，王元華1，徐向榮3，李旭燦3

（1華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2湖南吉祥石化科技股份有限公司，湖南 岳陽414000；3中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇 南京 211521）

應(yīng)用CFD軟件Fluent數(shù)值模擬了某二甲苯塔再沸爐在役油氣聯(lián)合燃燒器燃燒和NOx排放特性，分析了其NOx排放濃度較高的原因，提出了新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器的改造方案，并數(shù)值模擬了新型燃燒器空氣預(yù)熱溫度Tair、過?？諝庀禂?shù)α和主輔噴槍燃?xì)赓|(zhì)量分率Rp對(duì)輻射室壁面熱通量、出口溫度、火焰高度和爐膛出口NOx排放濃度的影響。針對(duì)在役燃燒器的模擬結(jié)果與現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合良好，說明所選模型能夠正確模擬爐膛內(nèi)部的流動(dòng)、輻射、燃燒和NOx生成過程。新型燃燒器模擬結(jié)果表明，增加Tair會(huì)增加輻射壁面熱通量，同時(shí)也會(huì)增加NO的排放；輻射壁面熱通量隨α增加而降低，NOx排放濃度隨α增加而增加；Rp對(duì)爐內(nèi)傳熱和NOx排放的影響并不明顯。當(dāng)Tair= 220℃、α =1.05及Rp= 0.24時(shí)，新型燃燒器在模擬范圍內(nèi)達(dá)到最佳運(yùn)行工況，輻射壁熱通量為37.45kW/m2，NOx排放濃度為12.1μL/L。

燃?xì)夥旨?jí)燃燒器；空氣預(yù)熱溫度；過?？諝庀禂?shù)；氮氧化物

管式加熱爐是石油煉化中常用的加熱設(shè)備，隨著環(huán)保政策的要求越來越嚴(yán)格，管式加熱爐面臨著減少污染物排放，尤其是氮氧化物排放的重要挑戰(zhàn)。燃料分級(jí)、空氣分級(jí)、低NOx旋流燃燒、煙氣循環(huán)、溫和與深度低氧稀釋燃燒（MILD）等低NOx技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]。加熱爐的現(xiàn)場調(diào)節(jié)可對(duì)提高燃燒效率和降低氮氧化物排放進(jìn)行優(yōu)化，雖調(diào)節(jié)范圍有限，但更加簡單經(jīng)濟(jì)。國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一些關(guān)于加熱爐工況參數(shù)的研究，Habib等[2]通過數(shù)值模擬研究了燃?xì)忮仩t過?？諝庀禂?shù)、空氣預(yù)熱溫度對(duì)爐膛溫度和NO排放的影響；Mafra等[3]研究了當(dāng)量比對(duì)液化石油氣旋流燃燒NO排放的影響；Zabetta等[4]則研究了燃?xì)夥旨?jí)和空氣分級(jí)降低NO排放的效果。這些研究成果對(duì)于加熱爐工況調(diào)節(jié)具有指導(dǎo)意義，但對(duì)于具體類型的燃燒器和加熱爐，仍然需要針對(duì)性的研究。

本文的研究對(duì)象為某芳烴廠二甲苯塔再沸爐，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent，首先對(duì)在役燃燒器運(yùn)行狀況進(jìn)行了模擬，分析了其NOx排放較高的原因，并與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所選數(shù)學(xué)模型正確；其次，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了某新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器，空氣預(yù)熱溫度、過?？諝庀禂?shù)和主燃?xì)鈬姌屬|(zhì)量分率（Rp為主燃?xì)鈬姌屬|(zhì)量流量與總?cè)細(xì)赓|(zhì)量流量的比值）對(duì)輻射室內(nèi)速度、溫度、組分濃度、火焰高度和NOx排放的影響，并基于燃燒和污染物排放得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

該二甲苯塔再沸爐設(shè)計(jì)工藝熱負(fù)荷76.34MW，輻射段爐內(nèi)高20370mm，爐內(nèi)徑φ9976mm，16臺(tái)燃燒器均布在爐底φ5350mm的圓周上。在役燃燒器為油氣聯(lián)合燃燒器，現(xiàn)只燒燃料氣，如圖1(a)所示；擬更換的新型高效低NOx燃?xì)馊紵魅鐖D1(b)所示。在役燃燒器由1支油氣聯(lián)合主噴槍和6支燃?xì)夥旨?jí)噴槍組成，空氣被分為一次風(fēng)和二次風(fēng)分別供給一次燃燒區(qū)和二次燃燒區(qū)。新型燃燒器由1支主燃?xì)鈬姌尯?支分級(jí)燃?xì)鈬姌尳M成，主、輔燃?xì)鈬姌尅L(fēng)道、火道同軸布置。燃料是由體積分?jǐn)?shù)44.2%CH4、16.4%H2、12%C2H6、9.9%C3H8、3.2%n-C4H10、7.3%i-C4H10和7.1%N2組成的混合氣。

管式加熱爐的爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器對(duì)稱布置，因此，本文通過設(shè)置對(duì)稱面只對(duì)1/8區(qū)域（2個(gè)燃燒器）進(jìn)行建模，不僅減少計(jì)算量，還考慮火焰之間的相互影響。通過GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格，采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒器，由于噴嘴和火道等區(qū)域各參數(shù)的梯度較大，故而進(jìn)行局部加密[5]。爐膛內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，采用六面體網(wǎng)格。在役油氣聯(lián)合燃燒器和新型低NOx燃燒器網(wǎng)格劃分如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃燒器網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型的設(shè)定

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型處理湍流運(yùn)動(dòng)[6]，選用概率密度函數(shù)PDF模型簡化燃燒過程，該模型適用于擴(kuò)散燃燒的數(shù)值模擬[7]，并采用離散坐標(biāo)DO模型處理輻射過程，DO模型適用于從小尺度到大尺度的輻射計(jì)算，且可計(jì)算非灰度輻射和散射效應(yīng)。固體壁面設(shè)置無滑移邊界，近壁區(qū)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。采用數(shù)值模擬進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用SIMPLE算法處理速度與壓力的耦合關(guān)系，動(dòng)量、能量、組分等方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

一般地，管式加熱爐NOx排放中主要是NO，所以只考慮NO模型。NO的生成有3種機(jī)理：熱力型NO、快速型NO和燃料型NO[8]。熱力型NO通過空氣中的氮?dú)庋趸纬?，燃燒溫度、反?yīng)區(qū)氧含量和停留時(shí)間三因素對(duì)熱力型NO形成具有重要影響。在溫度低于1800K時(shí)，熱力型機(jī)理影響很小，但當(dāng)溫度高于1800K時(shí)，熱力型NO的生成量隨溫度升高呈指數(shù)增加[9]?？焖傩蚇O主要通過氮?dú)馀c碳?xì)淞Ｗ訄F(tuán)在火焰前鋒面的快速反應(yīng)產(chǎn)生，而燃料型NO則主要依靠氧化燃料中的含氮化合物形成。由于煉廠干氣中無含氮化合物，在選擇NO模型時(shí)忽略燃料型NO的生成。因此，本文只對(duì)熱力型NO和快速型NO進(jìn)行模擬。由于燃燒過程產(chǎn)生的NO與其他煙氣組分相比濃度很小，不會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生影響，本文采用后處理的方法計(jì)算NO的生成。

2.2 邊界條件的設(shè)定

本文對(duì)新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器空氣預(yù)熱溫度（Tair= 220℃，250℃，280℃)、過剩空氣系數(shù)（α= 1.05，1.1，1.15）、主噴槍燃?xì)赓|(zhì)量分率（Rp= 0.24，0.28，0.32）進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共9種工況。

燃料氣進(jìn)口采用質(zhì)量入口邊界條件，不同燃?xì)赓|(zhì)量分級(jí)下，主、輔燃?xì)鈬姌屬|(zhì)量流量見表1。助燃空氣進(jìn)口采用速度入口條件，不同空氣預(yù)熱溫度和過?？諝庀禂?shù)下，空氣入口速度見表2。爐膛出口采用壓力（-60Pa）出口條件。設(shè)定爐膛壁面為定溫，其他表面默認(rèn)為絕熱壁面。

表1 不同燃?xì)赓|(zhì)量分級(jí)比下主、輔噴槍質(zhì)量流量

表2 不同空氣預(yù)熱溫度和過剩空氣系數(shù)下空氣入口速度

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 在役燃燒器運(yùn)行分析與模型驗(yàn)證

二甲苯塔再沸爐的設(shè)計(jì)參數(shù)為，空氣預(yù)熱280℃，過空系數(shù)1.15，主噴槍燃?xì)赓|(zhì)量分率0.33，輻射段出口溫度1031K，輻射段出口濕煙氣氧含量2.5%（體積分?jǐn)?shù)）。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，輻射段出口溫度1040K，輻射段出口氧含量2.73%，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合。再沸爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，距爐內(nèi)壁800mm，高1235mm處溫度在958K附近波動(dòng)，數(shù)值模擬結(jié)果為954K。對(duì)流段出口NOx實(shí)測(cè)濃度為230mg/m3，模擬結(jié)果為238mg/m3。綜上，模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合較好，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型、PDF燃燒模型、DO輻射模型以SIMPLE數(shù)值計(jì)算方法模擬該二甲苯塔再沸爐的湍流非預(yù)混燃燒完全合理。

在役燃燒器為油氣聯(lián)合燃燒器，為實(shí)現(xiàn)燃料油的良好霧化和完全燃燒，采用旋流二次霧化技術(shù)。一次風(fēng)速低、風(fēng)量少，利于燃料的著火和穩(wěn)定，二次風(fēng)速高，可以加強(qiáng)空氣與燃料的混合，提高燃燒效率，實(shí)現(xiàn)完全燃燒。根據(jù)現(xiàn)場需要，目前只燒燃料氣。主燃?xì)鈴挠蜌鈽尩娜細(xì)馔ǖ澜?jīng)噴嘴射出，在火盆內(nèi)與一次風(fēng)邊混合邊燃燒；在火盆磚上邊緣，一次燃燒區(qū)的未反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物與二次燃?xì)夂投物L(fēng)在火道內(nèi)混合燃燒。二次燃燒區(qū)在絕熱的火盆磚內(nèi)進(jìn)行，在爐內(nèi)形成剛直有力、明亮的火焰，有利于燃?xì)獾耐耆紵?，但又容易形成局部高溫，?dǎo)致熱力型NO大量產(chǎn)生。圖3(a)為在役燃燒器爐內(nèi)溫度分布，由圖可知，溫度大于1800K的局部高溫區(qū)主要出現(xiàn)在火道出口處至2.5m高度處，此區(qū)域內(nèi)NO大量生成，導(dǎo)致NO摩爾分?jǐn)?shù)濃度較高，如圖3(b)所示。在役燃燒器產(chǎn)生的局部高溫是其NO排放濃度較高的主要原因，采用新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器能夠分散火焰體積，降低局部高溫，縮小高溫區(qū)，有效減少NOx排放。

3.2 新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器網(wǎng)格無關(guān)化驗(yàn)證

網(wǎng)格無關(guān)化驗(yàn)證是數(shù)值模擬過程中常見的步驟，其可以為網(wǎng)格劃分確定合理的網(wǎng)格尺寸，從而保證計(jì)算結(jié)果的正確性。本文劃分了單元數(shù)分別為120×104、178×104、220×104的3種不同尺度的網(wǎng)格，選取爐膛中心軸線溫度分布檢驗(yàn)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。由圖4可知，不同網(wǎng)格尺寸下，溫度變化趨勢(shì)一致，表明數(shù)值模擬具有可重復(fù)性和穩(wěn)定性。在軸向高度為14m處，爐膛溫度達(dá)到最大值。該處數(shù)值受網(wǎng)格尺寸影響較大，但加密到178×104和220×104后，網(wǎng)格尺寸的影響變小，計(jì)算結(jié)果相近。因此，在保證計(jì)算精度的前提下，選擇178×104的網(wǎng)格模型能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

圖3 在役燃燒器爐內(nèi)溫度分布和NO濃度分布

圖4 網(wǎng)格大小對(duì)爐膛中心線溫度的影響

圖5 新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器中心截面流線和速度分布

3.3 新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器流線與速度分布

燃料在燃燒器內(nèi)燃燒，放出大量的熱使煙氣溫度升高，并以較高的速度噴入爐膛內(nèi)，通過射流卷吸的作用在輻射室內(nèi)形成較大范圍的回流區(qū)，促進(jìn)煙氣在爐內(nèi)的循環(huán)，強(qiáng)化對(duì)流傳熱，并能穩(wěn)定燃燒，降低燃燒溫度，抑制NOx的生成，如圖5所示。由圖5還可知，燃料氣自主噴槍成90°夾角高速噴出后與空氣迅速混合并燃燒，主燃?xì)馀c分級(jí)燃?xì)庠诜旨?jí)噴槍下游碰撞并混合，形成劇烈的湍流運(yùn)動(dòng)。4支分級(jí)噴槍的燃?xì)庠谥鲊姌屨戏叫纬山徊孀矒?，形成的劇烈湍流，?qiáng)化燃?xì)馀c空氣的混合，促進(jìn)完全燃燒。在本文模擬的9種工況下，爐膛出口處CO、H2和未燃碳?xì)浠衔铮╱nburned hydrocarbon，UHC）濃度均為0，說明該新型燃燒器燃燒完全。

3.4 空氣預(yù)熱溫度對(duì)新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

由圖6可見，隨著空氣預(yù)熱溫度Tair由220℃增加到280℃，平均輻射壁面熱通量增加2.34%，輻射段出口煙氣溫度升高5.9K。這主要是因?yàn)?，煙氣的輻射能力與溫度的4次方成正比，較高預(yù)熱溫度的空氣帶入爐膛更多的顯熱，可以促進(jìn)燃?xì)獬浞秩紵?，提高爐膛溫度，同時(shí)也導(dǎo)致輻射段出口溫度升高。

由圖7可知，總NO、熱力型NO及快速型NO排放濃度均隨Tair的升高而增加，燃燒過程產(chǎn)生的NO主要是熱力型NO，快速型NO只占總NO的12%左右。空氣預(yù)熱溫度為220℃時(shí)NO排放濃度為280℃時(shí)的65.9%，由此可知，降低空氣預(yù)熱溫度能大幅降低NO的排放量。選取最小顯示濃度100μL/L的輻射室OH分布表征火焰高度[10-11]，如圖7所示，3種Tair下的火焰高度分別是3.83m、 3.83m和4.07m，說明Tair對(duì)火焰高度影響較小。

圖6 空氣預(yù)熱溫度對(duì)輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖7 空氣預(yù)熱溫度對(duì)NO排放濃度和火焰高度的影響

3.5 過剩空氣系數(shù)對(duì)新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

如圖8所示，當(dāng)過剩空氣系數(shù)α由1.05增大到1.15時(shí)，加熱爐輻射壁面熱通量由37.75kW/m2下降到36.47kW/m2，輻射室出口溫度升高4℃。圖9表明，隨α增加，爐膛出口總NO、熱力型NO和快速型NO的排放濃度均增加，火焰高度升高。這是因?yàn)?，?dāng)α從1.05增加到1.15時(shí)，進(jìn)入爐膛的空氣流量升高，燃燒器喉口噴射速度增加，火焰高度升高，煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間縮短，減少了爐膛煙氣的輻射傳熱時(shí)間，導(dǎo)致輻射壁面熱通量下降，爐膛出口溫度升高。過?？諝庀禂?shù)增加導(dǎo)致燃燒反應(yīng)區(qū)氧氣濃度增加，在高溫火焰鋒面處，顯著促進(jìn)熱力型NO的生成速率。

3.6 主燃?xì)赓|(zhì)量分率對(duì)新型燃燒器燃燒和NOx排放的影響

圖8 過剩空氣系數(shù)對(duì)輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖9 過?？諝庀禂?shù)對(duì)NO排放濃度和火焰高度的影響

如圖10所示，輻射壁面熱通量隨主燃?xì)赓|(zhì)量分率Rp由0.24增加到0.32時(shí)，僅下降1.4%，說明Rp的改變并未對(duì)爐內(nèi)傳熱效果產(chǎn)生明顯的影響。輻射室出口溫度的變化也表明Rp的影響并不明顯。由圖11可知，Rp對(duì)爐膛出口NO濃度、熱力型NO排放量、快速型NO排放量以及火焰高度的影響均不明顯。在本文模擬Rp的變化范圍內(nèi)，火焰形貌與爐內(nèi)流場并未發(fā)生明顯的變化；在主燃?xì)馀c分級(jí)燃?xì)饨徊孀矒魠^(qū)域內(nèi)，主燃?xì)庖蛏淞骶砦迈r空氣而速度衰減，在交叉撞擊區(qū)未能對(duì)分級(jí)燃?xì)馍淞鳟a(chǎn)生影響。模擬結(jié)果表明，NO主要生成于主燃?xì)馍淞骰鹧驿h面和分級(jí)燃?xì)馍淞骰鹧鎯?nèi)側(cè)。爐內(nèi)回流區(qū)煙氣被高速射流的分級(jí)燃?xì)饩砦?，煙氣中CO2和H2O等惰性氣體稀釋燃?xì)?，抑制分?jí)燃?xì)馊紵^程中的高溫和NO的產(chǎn)生，因此在分級(jí)燃?xì)馍淞骰鹧娴耐鈧?cè)沒有大量產(chǎn)生NO。

圖10 主燃?xì)赓|(zhì)量分率對(duì)輻射壁面熱通量和輻射室出口溫度的影響

圖11 主燃?xì)赓|(zhì)量分率對(duì)NO排放濃度和火焰高度的影響

4 優(yōu)化解分析

綜上，基于新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器的燃燒和NOx排放特性，空氣預(yù)熱溫度220℃、過剩空氣系數(shù)1.05、主燃?xì)赓|(zhì)量分率0.24為模擬范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。該工況的數(shù)值模擬表明，輻射壁熱通量37.45kW/m2，輻射室出口溫度990.9K，爐膛出口可燃物濃度為0，NO排放濃度12.1μL/L。

5 結(jié) 論

（1）針對(duì)某二甲苯塔再沸爐在役油氣聯(lián)合燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合良好，發(fā)現(xiàn)火道內(nèi)及燃燒器出口上方高溫區(qū)集中是該燃燒器NOx排放濃度較高的原因，提出了新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器改造方案。

（2）模擬了新型低NOx燃?xì)夥旨?jí)燃燒器空氣預(yù)熱溫度、過?？諝庀禂?shù)和主噴槍燃?xì)赓|(zhì)量分率對(duì)輻射壁面熱通量、輻射室出口溫度、NO生成量和火焰高度的的影響，在模擬范圍內(nèi)得到最優(yōu)組合為：Tair= 220℃，α =1.05，Rp= 0.24。

（3）最優(yōu)組合工況模擬結(jié)果表明，輻射壁熱通量37.45kW/m2，NO排放濃度12.1μL/L。

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CFD study on combustion properties and NOxemission of reboiling furnace for xylene tower

WU Xiaolei1，LIU Bo1，REN Zheng2，WANG Yuanhua1，XU Xiangrong3，LI Xucan3
（1State-Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2Hunan Jixiang Petrochemical Technology Company Limited，Yueyang 414000，Hunan，China；3Yangzi Petrochemical Company Limited，SINOPEC，Nanjing 211521，Jiangsu，China）

By using CFD software Fluent，a numerical simulation was carried out to study the combustion behavior and NOxemission of a xylene tower in gas-oil burner. The problem of high NOxemission was analyzed and a novel low NOxstaged-fuel burner structure was brought up. Based on the new burner structure，orthogonal simulations were conducted to study the influences of operating parameters (including air preheated temperatureTair,excess air factorα,and primary fuel gas mass ratioRp) on the radiation surface heat flux （RSHF），radiation section outlet temperature （RSOT），flame height and volume fraction of NOx. Simulation results of the in-service burners showed good agreement with site running data，suggesting good prediction of the chosen models for the internal flow，radiation，combustion and NOxformation. Simulation results of the new burner showed that higher air preheated temperature could increase the radiative heat flux while also aggravating the NOxemission；excess air factor could enlarge the radiative heat flux and reduce NOxemission；varied primary fuel gas mass ratio made no obvious differences on both radiative heat flux and NOxemission.It was concluded that air preheated temperature of 220℃，excess air ratio of 1.05 and primary gas ratio of 0.24 were the optimal operating conditions，under which radiative heat flux was 37.45kW/m2while NOxemission simulated to be 12.1μL/L.

staged-fuel burner；air preheated temperature；excess air factor；nitrogen oxide

TK 223.23

A

1000-6613（2014）09-2298-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.011

2014-02-02；修改稿日期：2014-05-03。

中國石油化工股份有限公司項(xiàng)目（312016）。

吳曉磊（1991—），男，碩士研究生，從事管式加熱爐高效低NOx燃燒技術(shù)研究。E-mail xiaolei1991@gmail.com。聯(lián)系人：王元華，博士，副教授，從事加熱爐燃燒優(yōu)化和余熱回收系統(tǒng)的研究。E-mail jswyuanhua@ecust.edu.cn。