于安峰，王 鵬，張杰東，黨文義

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)研究低熱值火炬燃燒過(guò)程

于安峰1，2，王 鵬1，2，張杰東1，2，黨文義1，2

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071)

為獲得低熱值火炬安全設(shè)計(jì)及運(yùn)行中所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法建立了低熱值火炬燃燒模型，對(duì)典型的低熱值火炬燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，得到了低熱值火炬氣燃燒產(chǎn)物分布、溫度場(chǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，低熱值氣體在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生NOx，其中主要為NO；NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx，低熱值火炬燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意采取措施降低熱力型NOx的產(chǎn)生。低熱值氣體燃燒時(shí)的CE和DRE均小于98%，因此低熱值火炬設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮燃燒效率的問(wèn)題，通過(guò)摻燒或伴燒的方法提高其燃燒效率。

低熱值火炬 燃燒 氮氧化物 燃盡率 破壞去除率

火炬系統(tǒng)是煉化企業(yè)重要的安全措施之一[1]，其主要作用是在開(kāi)停工以及非正常工況下將各裝置排放的烴類(lèi)火炬氣及時(shí)的燃燒排放。如果火炬燃燒效率低，烴類(lèi)火炬氣及酸性氣不能完全燃燒，就會(huì)形成可燃及有毒氣云，給煉廠及周邊帶來(lái)安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。從調(diào)研情況看，目前煉廠火炬系統(tǒng)確實(shí)存在燃燒效率低的問(wèn)題。而低熱值氣體中可燃?xì)怏w含量相對(duì)較少，發(fā)熱量低，著火燃燒及穩(wěn)定性較差[2]，更難以獲得理想的燃燒效率。火炬能否安全環(huán)保的燃燒成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一[3]。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)低熱值火炬燃燒過(guò)程的研究，低熱值火炬安全設(shè)計(jì)及運(yùn)行中所需的溫度場(chǎng)、燃燒產(chǎn)物濃度場(chǎng)及燃燒效率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)掌握在國(guó)外火炬供應(yīng)商手中。因此，開(kāi)展低熱值火炬氣體燃燒過(guò)程研究具有重要的意義。

1 CFD技術(shù)在火炬中應(yīng)用概況

火炬泄放工況復(fù)雜，火焰高度及熱輻射較大，開(kāi)展火炬燃燒效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)的難度較大。計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是隨計(jì)算機(jī)發(fā)展而逐漸成熟的一項(xiàng)解決流體力學(xué)問(wèn)題的技術(shù)，將數(shù)值方法運(yùn)用在計(jì)算機(jī)中對(duì)流體力學(xué)的控制方程進(jìn)行求解[4]。David采用CFD的方法對(duì)高速射流火炬在水平橫風(fēng)中的湍動(dòng)燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬[5]，并研究了消煙蒸汽/火炬氣及消煙空氣/火炬氣比值對(duì)燃燒效率的影響[6]。Kanwar等建立了一個(gè)包含50個(gè)組分的乙烯燃燒機(jī)理，并對(duì)火炬泄放速度、風(fēng)速、空氣計(jì)量系數(shù)、蒸汽/火炬氣比及火炬氣熱值等火炬參數(shù)進(jìn)行了研究[7]。Kanwar還分別采用EDC模型和PDF模型對(duì)John Zink火炬燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了CFD模擬，研究表明采用CFD的方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火炬的燃燒效率[8]。Ajit采用多種煙灰模型對(duì)甲烷火炬燃燒時(shí)的黑煙生成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了熱輻射、空氣供應(yīng)量、燃料組成等對(duì)黑煙生成的影響[9]。本課題采用CFD的方法對(duì)低熱值火炬氣體的燃燒過(guò)程進(jìn)行研究。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 控制方程

火炬泄放過(guò)程屬于噴射火，采用迪卡爾坐標(biāo)，描述流體流動(dòng)的控制方程[10]如下：

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

組分傳遞方程:

2.2 湍流模型

當(dāng)發(fā)生泄放事故時(shí)，大量火炬氣通過(guò)火炬燃燒器高速?lài)娚涑?，屬于湍流流?dòng)。本文采用目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型為k-ε模型。

2.3 燃燒模型

湍流燃燒理論的中心任務(wù)是確定湍流狀態(tài)下的燃燒速率。具體表現(xiàn)為在控制方程中確定組分方程的源項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)方程組的封閉[10]。本文采用層流火焰面模型，該方法可用于處理非化學(xué)平衡狀態(tài)的體系。

2.4 燃燒機(jī)理

碳?xì)淙剂系难趸紵^(guò)程是鏈?zhǔn)椒种Х磻?yīng)，在研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理時(shí)，需要考慮鏈的引發(fā)、傳播以及終止等過(guò)程。CH4作為天然氣的主要成分及低碳烴的代表，國(guó)內(nèi)外對(duì)其詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理研究較多，其中GRI MEC 3.0是目前科研工作者認(rèn)可度最高的CH4燃燒反應(yīng)機(jī)理，因此本文采用GRI MEC 3.0機(jī)理對(duì)泄放氣為CH4的火炬燃燒過(guò)程進(jìn)行CFD模擬。

3 物理模型建立

火炬結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為減少計(jì)算時(shí)間，在綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)仿真效率的情況下，對(duì)幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了點(diǎn)火器、長(zhǎng)明燈等對(duì)燃燒場(chǎng)影響較小的部件。計(jì)算中選取DN500的火炬，建立三維模型。計(jì)算域選300 m×300 m×200 m，可以保證火炬周邊的流場(chǎng)充分發(fā)展。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，在火炬頭附近及火焰溫度梯度變化較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密，在距火炬較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行拉伸，總網(wǎng)格數(shù)約100萬(wàn)。見(jiàn)圖1。

圖1 火炬物理模型及網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

4.1 低熱值火炬燃燒時(shí)的流場(chǎng)分析

對(duì)CH4體積含量為20%，N2含量為80%的低熱值泄放氣體，火炬頭處泄放速度為18 m/s時(shí)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了CFD模擬。模擬得到低熱值火炬燃燒時(shí)的CH4濃度分布如圖2所示，圖2中濃度為物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)。由圖2可以看出反應(yīng)物從火炬頭流出后，濃度逐漸降低，受水平方向風(fēng)的影響，反應(yīng)物的流場(chǎng)產(chǎn)生了一定的傾斜。

圖2 火炬燃燒時(shí)的CH4濃度場(chǎng)

火炬燃燒時(shí)的O2濃度分布如圖3所示，圖中濃度為體積分?jǐn)?shù)。火炬頭出口處一段區(qū)域內(nèi)，O2的濃度較低，而對(duì)比圖2可以看出，該區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物的濃度較高，造成反應(yīng)物過(guò)量，部分CH4燃燒產(chǎn)生CO，隨著距火炬頭距離的增大，反應(yīng)物濃度逐漸降低，O2濃度逐漸升高，生成的CO逐漸繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。

圖3 火炬燃燒時(shí)的O2濃度場(chǎng)

火炬燃燒時(shí)的CO濃度分布如圖4所示，圖中濃度為體積分?jǐn)?shù)。由圖4可以看出CO主要分布在火炬頭出口附近區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)CH4濃度較高，而O2含量較低，造成CH4不完全燃燒產(chǎn)生CO，而隨著燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散及風(fēng)的進(jìn)入，O2含量逐漸升高，CO與O2繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。

圖4 火炬燃燒時(shí)的CO濃度場(chǎng)

火炬燃燒時(shí)的CO2和H2O濃度分布如圖5、圖6所示，可以看出CO2和H2O的濃度分布基本相同，均是在火炬出口處較低，隨著O2的進(jìn)入，CH4逐漸反應(yīng)，CO2和H2O的濃度逐漸提高，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，CH4濃度逐漸降低，燃燒生成CO2和H2O的量逐漸低于風(fēng)的稀釋作用，CO2和H2O的濃度逐漸降低。

火炬燃燒過(guò)程中會(huì)有少量的NOx產(chǎn)生，如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，煙氣中NO的濃度最高可達(dá)293×10-6，而NO2的濃度最高為1.02×10-6，因此火炬燃燒生成的NOx主要為NO，NO2的量較少。費(fèi)尼莫爾(Fenimore)[11]開(kāi)展的碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的軸向NO分布實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在反應(yīng)區(qū)附近會(huì)快速生成NO，于是起名為“快速”NO。燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生CH原子團(tuán)撞擊N2分子而生成CN類(lèi)化合物，然后再被氧化成NOx。Miller等指出，“快速”NO的形成與3個(gè)因素有關(guān)：CH原子團(tuán)的濃度及其形成過(guò)程、N2分子反應(yīng)生成氮化物的速率、氮化物間相互轉(zhuǎn)化率[12]。由圖9可以看出火炬燃燒時(shí)CH原子團(tuán)的濃度較低，遠(yuǎn)低于NO的濃度，因此“快速NO生成機(jī)理”不是低熱值火炬燃燒過(guò)程中NOx的生成的主要途徑。

圖5 火炬燃燒時(shí)的CO2濃度場(chǎng)

圖6 火炬燃燒時(shí)的H2O濃度場(chǎng)

圖7 火炬燃燒時(shí)的NO濃度場(chǎng)

圖8 火炬燃燒時(shí)的NO2濃度場(chǎng)

圖9 火炬燃燒時(shí)的CH原子團(tuán)濃度場(chǎng)

模擬得到低熱值火炬氣燃燒的溫度場(chǎng)如圖10所示?？梢钥闯龌鹁娉隹谔?即內(nèi)焰)溫度較低，這是由于火炬出口處CH4濃度較高，與空氣接觸不充分，O2含量較低，CH4含量過(guò)剩，發(fā)生不完全燃燒。隨著距火炬出口距離的增加，O2含量逐漸升高，火焰溫度逐漸升高，到達(dá)最高值1 578K后，由于空氣的稀釋作用，溫度逐漸降低。水平風(fēng)使火焰產(chǎn)生了一定的傾斜，下風(fēng)向側(cè)火炬頭處溫度偏高，但火焰未到達(dá)火炬頭側(cè)壁處。對(duì)比圖7與圖9可以看出，NO濃度場(chǎng)與火炬燃燒場(chǎng)的高溫區(qū)基本一致，這說(shuō)明NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx。

圖10 低熱值火炬燃燒溫度場(chǎng)

4.2 低熱值火炬燃燒效率

燃燒效率是火炬最重要的參數(shù)之一，燃燒效率低則會(huì)造成環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)可形成可燃及有毒氛圍，造成人員及財(cái)產(chǎn)損失。衡量火炬燃燒效率主要有兩個(gè)指標(biāo)：燃盡率(Combustion Efficiency，簡(jiǎn)稱(chēng)CE)和破壞去除率(Destruction and Removal Efficiencies，簡(jiǎn)稱(chēng)DRE)。燃盡率(CE)是指火炬氣中完全轉(zhuǎn)化為CO2的燃料所占的比例，其計(jì)算公式如下：

破壞去除率(DRE)表示火炬氣中燃料氣分解破壞的比例，其計(jì)算公式如下：

一般認(rèn)為火炬的燃燒效率應(yīng)高于98%，但對(duì)于采用CE還是DRE，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并未涉及，文獻(xiàn)資料中的說(shuō)法并不統(tǒng)一，美國(guó)要求火炬的DRE應(yīng)高于98%，而有些文獻(xiàn)認(rèn)為火炬的CE應(yīng)高于98%。由上述公式可以看出，CE要小于或等于DRE，由于對(duì)燃燒效率的認(rèn)知并不統(tǒng)一，本文對(duì)低熱值氣體的CE和DRE均進(jìn)行研究。

通過(guò)對(duì)出口處各組分的含量進(jìn)行積分，求得CH4體積含量為20%，N2含量為80%的低熱值泄放氣體的燃燒效率如表1所示。由表1可以看出，低熱值火炬氣燃燒時(shí)，DRE高于CE，兩者相差0.69%。但兩者均低于98%，不符合要求。因此對(duì)于低熱值火炬，設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意其燃燒效率，可通過(guò)摻燒或伴燒的方法提高其效率。

表1 低熱值火炬氣燃燒效率 %

5 結(jié)論

a)采用CFD的方法建立了低熱值火炬燃燒模型，對(duì)典型的低熱值火炬燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了低熱值火炬氣燃燒產(chǎn)物分布、溫度場(chǎng)及燃燒效率等火炬安全設(shè)計(jì)及運(yùn)行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b)低熱值氣體在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生NOx，其中主要為NO，NO2的量較少。

c)NO濃度場(chǎng)與火炬燃燒場(chǎng)的高溫區(qū)基本一致，這說(shuō)明NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx。低熱值火炬燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意采取措施降低熱力型NOx的產(chǎn)生。

d)低熱值氣體燃燒時(shí)的CE和DRE均小于98%，因此低熱值火炬設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮燃燒效率的問(wèn)題，可通過(guò)摻燒或伴燒的方法提高其燃燒效率。

[1] 白永忠.HAZOP技術(shù)在煉油火炬系統(tǒng)工藝危害分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2011, 7(10):106-111.

[2] 郭建蘭,杜少俊. 低熱值氣體燃料的燃燒特性分析[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009, 40(3): 303-306.

[3] O Saheed Ismail, G Ezaina Umukoro. Global Impact of Gas Flaring [J]. Energy and Power Engineering, 2012, 2012(4):290-302.

[4] 王福軍. 計(jì)算流體力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7] Kanwar Devesh singh, Preeti Gangadharan, Tanaji Dabade. Parametric study of ethylene flare operations using numerical simulation [J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2014, 8(2):211-228.

[8] Kanwar Devesh singh,Tanaji Dabade,Tanaji Dabadel.Computational Fluid Dynamics Modeling of Industrial Flares Operated in Stand-By Mode [J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2012(51):12611-12620.

[9] Ajit Patki1, Xianchang Li1, Daniel Chen. On Numerical Simulation of Black Carbon (Soot) Emissions from Non-Premixed Flames [J]. Journal of Geoscience and Environment Protection, 2014(2):15-24.

[10] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001.

[11] Fenimore C P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames[C]. Symposium (International) on Combustion. Elsevier, 1971, 13(1): 373-380.

[12] Miller J A, Bowman C T. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion [J]. Progress in energy and combustion science, 1989, 15(4): 287-338.

StudyontheCombustionofLowCalorificValueGasFlareUsingCFDTechnology

Yu Anfeng1,2，Wang Peng1,2，Zhang Jiedong1,2，Dang Wenyi1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao 266071)

In order to obtain the key parameters for the safety design and operation of low calorific value gas flare the combustion model of low calorific value gas flare was built. The typical combustion of low calorific value gas flare was simulated, and the temperature field, concentration field of combustion products and combustion efficiency were obtained. The result showed that NOx was produced in the combustion of low calorific value gas flare, and NO is the primary ingredient of NOx. The NO was produced by N2 oxidation at high temperature, which was thermal NOx. So measures should be taken in the design and operation of low calorific value gas flare to control the generation of thermal NOx. The CE and DRE were both lower than 98%, so the combustion efficiency should be considered in the design and operation of low calorific value gas flare. And the combustion efficiency could be improved by blended combustion or co-combustion.

low calorific value gas flare; combustion; NOx; CE; DRE

2016-04-18

于安峰，高級(jí)工程師，注冊(cè)安全工程師，注冊(cè)安全評(píng)價(jià)師，2008年畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石化安全工程研究院從事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、火炬及燃燒安全方面的工作。