馬家樂，王宗明，馬卓群，賴金鑫

(1.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.山東億維新材料有限責(zé)任公司)

目前,世界能源形勢日益嚴(yán)峻,國內(nèi)外海洋油氣開發(fā)正在迅猛發(fā)展,由于油藏的地質(zhì)因素和成藏條件的不同,海上油田所開采出的原油和伴生氣性質(zhì)存在差異,導(dǎo)致放空火炬燃燒不充分,并且在燃燒的過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的黑煙。隨著對石油開采過程環(huán)保要求的日益提高,放空火炬黑煙問題成為限制海上油氣田生產(chǎn)的瓶頸[1-4]。陸上火炬大多采用向火炬中通入高壓蒸汽使黑煙沉降的方式消除黑煙,而海上平臺(tái)由于空間限制,無法增設(shè)蒸汽系統(tǒng),也不允許黑煙沉降,因此迫切需要對海上平臺(tái)無煙放空火炬進(jìn)行研究。

目前,關(guān)于放空火炬的研究在國內(nèi)外已取得了一定的成果。Archer等[5]和Kovash等[6]開發(fā)了兩種火炬污染物排放檢測系統(tǒng),可通過控制空氣供給量,強(qiáng)化燃燒效果,減少有機(jī)廢物的排放;Karkow等[7]開發(fā)了一種火炬燃燒器,在殼體出口處設(shè)置多孔板,保證了燃燒火焰的穩(wěn)定;Bacon[8]提出了一種氣體輔助強(qiáng)化火炬燃燒裝置,強(qiáng)化燃?xì)馀c周圍空氣的混合,提高燃燒效率,減少黑煙的生成。張丙忠等[9]提出了一種應(yīng)急放空火炬燃燒器,通過設(shè)置混合器和穩(wěn)焰器,燃燒穩(wěn)定充分,不易產(chǎn)生黑煙;周龍等[10]和高莉[11]對火炬頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,將蒸汽引入火炬頭內(nèi)部,在卷吸空氣,加快與空氣混合的同時(shí),可以達(dá)到消煙的目的;王瑞星等[12]和斯文杰等[13]開發(fā)了兩種預(yù)混式火炬燃燒器。前者利用預(yù)混燃燒室使酸性氣與空氣充分預(yù)混燃燒,提高了酸性氣的燃凈率;后者燃燒器燃?xì)獠捎枚鄧娮於嗉墖娙?加強(qiáng)了燃?xì)馀c空氣的預(yù)混,降低了火焰長度,減少了有害燃燒產(chǎn)物排放。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于改變放空火炬結(jié)構(gòu)以減少黑煙排放方面的研究較少。鑒于此,本課題基于引射增氧機(jī)理提出一種三級引射放空火炬,并對其筒體擴(kuò)張角、防風(fēng)罩間隙、文丘里引射器數(shù)量、火炬氣主排放管道深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化探索研究。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

依據(jù)海上平臺(tái)常見作業(yè)參數(shù)[14],取放空氣流馬赫數(shù)為0.3、火炬的最大排氣量為15 000 m3/h,基于引射增氧機(jī)理,提出多級引射混合方案,構(gòu)建三級引射火炬頭結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)和尺寸見圖1。

圖1 火炬結(jié)構(gòu)示意1—防風(fēng)罩; 2—文丘里引射器; 3—主放空管; 4—二級引射器; 5—一級引射器

1.2 模型網(wǎng)格劃分

放空火炬的流動(dòng)燃燒過程主要包括火炬頭內(nèi)部的燃?xì)馀c空氣的混合過程及火炬頭上方的燃燒過程。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特性,將整個(gè)計(jì)算區(qū)域按火炬頭和流動(dòng)燃燒區(qū)兩部分劃分網(wǎng)格?；鹁骖^結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,對局部區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理;流動(dòng)燃燒區(qū)的形狀比較簡單,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

1.3 控制方程

不論流體處于何種流動(dòng)狀態(tài),流動(dòng)都受到質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程和能量方程的制約,其通式見下式。

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;φ為通用形式的變量;div(u)為速度場散度;u為速度,m/s;Jφ為輸出通量;Sφ為源項(xiàng)。

1.4 模型選擇

燃燒模型選用部分預(yù)混燃燒模型。本課題重點(diǎn)對燃燒過程中產(chǎn)生的黑煙進(jìn)行模擬研究,選用Moss-Brookes模型進(jìn)行燃燒過程中的煙灰預(yù)測。輻射模型采用DO輻射模型。

湍流模型選取Realizablek-ε模型,相比于標(biāo)準(zhǔn)模型,此模型能夠更準(zhǔn)確地模擬射流撞擊、分離流、二次流、旋流等中等復(fù)雜流動(dòng)。

1.5 邊界條件

主放空管燃?xì)?石油伴生氣)入口采用速度入口,速率為50 m/s,燃?xì)獾慕M成如表1所示?？諝馊肟诰捎脡毫M(jìn)口,壓力為常壓;燃燒域部分采用壓力出口;文丘里引射器入口采用速度入口,速率為32 m/s。

表1 燃?xì)獾慕M成 φ,%

1.6 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

選取5種不同數(shù)量(1.09×106,1.43×106,1.78×106,2.09×106,2.30×106)的網(wǎng)格模型,采用相同的邊界條件和計(jì)算模型,以燃燒域中軸線上一點(diǎn)的溫度值作為判定標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于1.78×106時(shí),監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算溫度值基本保持不變。因此,選擇網(wǎng)格數(shù)量為1.78×106進(jìn)行分析研究。

1.7 模型正確性驗(yàn)證

基于文獻(xiàn)[15]研究對象,采用CH4作為燃料,選取直徑為2 mm的噴管,CH4射流雷諾數(shù)為2 891,空氣流速為0.11 m/s,火焰前緣的位置由反應(yīng)進(jìn)程變量χ確定[16]。

數(shù)值模擬測得最大火焰溫度(Tmax)為1 960 K,按反應(yīng)進(jìn)程變量0.7計(jì)算可得火焰前緣位置溫度為1 462 K?；鹧嫘螤钤囼?yàn)圖[15]與數(shù)值模擬結(jié)果的對比如圖4所示。文獻(xiàn)[15]中測得的黃色火焰的高度為350 mm,模擬得到溫度為1 462 K時(shí)的等值線高度為380 mm,與試驗(yàn)值的相對誤差為8.6%,說明本課題選取的計(jì)算模型具有足夠的準(zhǔn)確性。

圖4 火焰形狀對比

2 基本型火炬計(jì)算結(jié)果及分析

對基本型火炬結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到中截面上火炬頭內(nèi)部的速度分布如圖5所示。由圖5可以看出,在主排放管道和引射器兩側(cè)的空氣流道內(nèi),空氣的流速(v)較高,大量空氣被引射進(jìn)入火炬頭內(nèi)與放空氣體混合。經(jīng)計(jì)算可得進(jìn)口A,B,C的空氣體積流量分別為0.47,1.01,0.54 m3/s,進(jìn)口B的空氣流量最高,說明輔助引射器在火炬頭內(nèi)的引射效果最好。防風(fēng)罩內(nèi)側(cè)的空氣進(jìn)口C由于其面積較大,導(dǎo)致其引射量也較大。計(jì)算得到火炬結(jié)構(gòu)的引射系數(shù)為0.77。

圖5 火炬頭內(nèi)部中截面速度分布

中截面上的溫度分布情況如圖6所示。由圖6可以看出,火焰剛直,燃燒穩(wěn)定。高溫區(qū)與火炬頭的距離較大,這是由于火炬氣的流速很高,遠(yuǎn)大于燃燒火焰的傳播速度,導(dǎo)致燃燒發(fā)生的區(qū)域與火炬頭存在一定距離。在不發(fā)生脫火的前提下,有利于延長放空火炬的使用壽命,防止火炬頭被燒壞。根據(jù)反應(yīng)進(jìn)程變量χ計(jì)算得到圖中所示的火焰面輪廓線,計(jì)算得到其燃燒火焰高度為32.9 m。

圖6 中截面上溫度分布

圖7為中截面上的NO和碳煙的分布情況。由圖7(a)可以看出,NO在中部含量最大,并從中心向四周逐漸遞減。這是因?yàn)?在中部區(qū)域燃燒溫度最高,而NO含量隨著溫度的增加呈指數(shù)增長趨勢。由圖7(b)可以看出,碳煙含量分布的輪廓線為火焰面形狀,碳煙主要分布在燃燒火焰的上游,并且主要位于中心軸線上,表現(xiàn)為在燃燒區(qū)域中部含量最高,且從中心向四周遞減。

圖7 NO和碳煙分布情況

碳煙的產(chǎn)生有聚集和氧化兩個(gè)過程,聚集過程與多環(huán)芳烴的含量相關(guān),·H自由基在多環(huán)芳烴的形成過程中起到鏈接作用。碳煙的氧化過程主要受到·OH自由基和O2含量的影響。圖8所示為中軸線上·OH自由基與·H自由基隨高度的分布情況。由圖8可以看出,在燃燒區(qū)域上游,·OH自由基的生成量小,·H自由基的生成量較大,促進(jìn)了多環(huán)芳烴的形成,進(jìn)而生成碳煙,表現(xiàn)為碳煙濃度隨高度增加。隨著高度的增加,燃燒反應(yīng)更加劇烈,·OH自由基含量急速增加,使得碳煙氧化,含量降低。

圖8 中軸線上·OH和·H的分布

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 正交分析

根據(jù)強(qiáng)引射火炬頭的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn),并結(jié)合上述文丘里引射器引射特性影響因素,選取筒體擴(kuò)張角(A)、火炬氣管道深度(B)、文丘里引射器數(shù)量(C)和防風(fēng)罩間隙(D)這4個(gè)因素作為正交分析對象,分別對其選取不同的取值,探究火炬頭的燃燒特性。4個(gè)因素的具體表示見圖9。

圖9 正交分析各因素的示意

以上述火炬結(jié)構(gòu)的尺寸為標(biāo)準(zhǔn),在一定范圍下改變各因素的取值,最終確定正交分析試驗(yàn)各因素的水平取值如表2所示。

以火炬頭出口截面上的平均CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為目標(biāo)參數(shù),CH4的含量越低,說明其引射的空氣量越大。選取四因素三水平的正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),共需9次試驗(yàn)。正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果見表4,表中k值為同一因素在3種不同水平下的均值。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

比較4個(gè)因素在不同水平下的R,可以得出,改變因素的取值大小對火炬頭引射性能的影響由大到小的順序?yàn)锳>C>D>B。比較每個(gè)因素k值,可以得到每個(gè)因素的水平與引射的關(guān)系。當(dāng)筒體擴(kuò)張角從5°增加到9°時(shí),火炬頭的引射性能先增加后減小;當(dāng)防風(fēng)罩間隙從127 mm增加到207 mm時(shí),火炬頭的引射性能單調(diào)增加;當(dāng)文丘里引射器的數(shù)量由6增加到10時(shí),火炬頭的引射性能先增加后減小;當(dāng)火炬氣主排放管道的深度由162 mm增加到242 mm時(shí),引射器的性能單調(diào)增加。由正交分析結(jié)果可知,引射性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:筒體擴(kuò)張角7°,防風(fēng)罩間隙207 mm,文丘里引射器數(shù)量8,火炬氣主排放管道深度242 mm。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)上節(jié)正交分析得到的最優(yōu)組合參數(shù)重新進(jìn)行模擬研究,優(yōu)化后空氣進(jìn)口A,B,C的體積流量分別為0.54,1.15,0.64 m3/s,相比優(yōu)化前3個(gè)進(jìn)口的空氣引射量均有所增加。計(jì)算燃?xì)饬髁亢捅灰淇諝饬髁康玫揭湎禂?shù)為0.89,相比原始結(jié)構(gòu)下有所增加,說明正交分析有效地提升了火炬頭的空氣引射性能。

圖10為火焰中截面上的溫度分布情況,圖11為基本型與優(yōu)化型火焰中軸線上溫度對比情況。由圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn),整體的溫度分布與原始結(jié)構(gòu)基本一致,但優(yōu)化以后相比基本型火焰高度有所降低。這是由于優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的火炬頭在其內(nèi)部引射了更多的空氣,使得火炬氣與空氣在流動(dòng)過程中的混合加快,燃燒反應(yīng)的區(qū)域向上游移動(dòng),增加了燃燒的穩(wěn)定性。

圖10 中截面上溫度分布情況

圖11 優(yōu)化前后不同高度火焰溫度對比

圖12為基本型與優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的火炬頭在燃燒過程中,火焰中軸線上的碳煙質(zhì)量分布情況。由圖12可以看出,經(jīng)過正交分析后,優(yōu)化型的碳煙分布與基本型的分布趨勢基本一致,表現(xiàn)為中間含量高,兩側(cè)含量低。但碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的峰值從2.2 mg/g下降到1.5 mg/g,碳煙的生成量明顯降低,說明正交優(yōu)化后的火炬燃燒器結(jié)構(gòu)在降低碳煙方面有明顯的效果。

圖12 優(yōu)化前后碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

圖13為優(yōu)化結(jié)構(gòu)下火炬中截面上的碳煙分布云圖。由圖13可以看出,在火焰面外側(cè),碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2 mg/g,根據(jù)文獻(xiàn)[17]描述,當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果中火焰面上碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.45 mg/g時(shí),在試驗(yàn)中已觀察不到黑煙現(xiàn)象?？梢?本研究所開發(fā)的火炬結(jié)構(gòu)對黑煙有明顯的抑制作用。

圖13 碳煙分布云圖

4 結(jié) 論

(1)對基本型的火炬流動(dòng)與燃燒過程進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明火炬頭的引射效果明顯,火炬整體結(jié)構(gòu)的引射系數(shù)為0.77,確保了火炬點(diǎn)火燃燒的穩(wěn)定性。

(2)對基本型火炬正交試驗(yàn)優(yōu)化得出,各結(jié)構(gòu)參數(shù)對火炬頭引射性能的影響由大到小的順序?yàn)橥搀w擴(kuò)張角>引射器數(shù)量>防風(fēng)罩間隙>火炬氣管道深度;引射性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:擴(kuò)張角7°、防風(fēng)罩間隙207 mm、文丘里引射器數(shù)量8、火炬氣主排放管深度242 mm。

(3)對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的火炬結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,計(jì)算得到引射系數(shù)為0.89,引射性能增強(qiáng)。碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的峰值從2.2 mg/g下降到1.5 mg/g,火焰面上的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2 mg/g,火炬燃燒器結(jié)構(gòu)在降低碳煙方面有明顯的效果,達(dá)到降低黑煙的目的。