应用计算流体力学研究低热值火炬燃烧过程

于安峰，王 鹏，张杰东，党文义

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

应用计算流体力学研究低热值火炬燃烧过程

于安峰1，2，王 鹏1，2，张杰东1，2，党文义1，2

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071)

为获得低热值火炬安全设计及运行中所需基础数据，采用计算流体动力学的方法建立了低热值火炬燃烧模型，对典型的低热值火炬燃烧过程进行了模拟研究，得到了低热值火炬气燃烧产物分布、温度场等基础数据。结果表明，低热值气体在燃烧过程中会产生NOx，其中主要为NO；NO主要是由N2在高温下氧化而生成的，即热力型NOx，低热值火炬燃烧器设计时，应注意采取措施降低热力型NOx的产生。低热值气体燃烧时的CE和DRE均小于98%，因此低热值火炬设计和运行时，应考虑燃烧效率的问题，通过掺烧或伴烧的方法提高其燃烧效率。

低热值火炬 燃烧 氮氧化物 燃尽率 破坏去除率

火炬系统是炼化企业重要的安全措施之一[1]，其主要作用是在开停工以及非正常工况下将各装置排放的烃类火炬气及时的燃烧排放。如果火炬燃烧效率低，烃类火炬气及酸性气不能完全燃烧，就会形成可燃及有毒气云，给炼厂及周边带来安全和环境风险。从调研情况看，目前炼厂火炬系统确实存在燃烧效率低的问题。而低热值气体中可燃气体含量相对较少，发热量低，着火燃烧及稳定性较差[2]，更难以获得理想的燃烧效率。火炬能否安全环保的燃烧成为世界关注的焦点之一[3]。目前，国内尚无针对低热值火炬燃烧过程的研究，低热值火炬安全设计及运行中所需的温度场、燃烧产物浓度场及燃烧效率等基础数据掌握在国外火炬供应商手中。因此，开展低热值火炬气体燃烧过程研究具有重要的意义。

1 CFD技术在火炬中应用概况

火炬泄放工况复杂，火焰高度及热辐射较大，开展火炬燃烧效率测试实验的难度较大。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是随计算机发展而逐渐成熟的一项解决流体力学问题的技术，将数值方法运用在计算机中对流体力学的控制方程进行求解[4]。David采用CFD的方法对高速射流火炬在水平横风中的湍动燃烧过程进行了模拟[5]，并研究了消烟蒸汽/火炬气及消烟空气/火炬气比值对燃烧效率的影响[6]。Kanwar等建立了一个包含50个组分的乙烯燃烧机理，并对火炬泄放速度、风速、空气计量系数、蒸汽/火炬气比及火炬气热值等火炬参数进行了研究[7]。Kanwar还分别采用EDC模型和PDF模型对John Zink火炬燃烧实验进行了CFD模拟，研究表明采用CFD的方法可以较为准确地预测火炬的燃烧效率[8]。Ajit采用多种烟灰模型对甲烷火炬燃烧时的黑烟生成过程进行了数值模拟，研究了热辐射、空气供应量、燃料组成等对黑烟生成的影响[9]。本课题采用CFD的方法对低热值火炬气体的燃烧过程进行研究。

2 数学模型的建立

2.1 控制方程

火炬泄放过程属于喷射火，采用迪卡尔坐标，描述流体流动的控制方程[10]如下：

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

组分传递方程:

2.2 湍流模型

当发生泄放事故时，大量火炬气通过火炬燃烧器高速喷射出，属于湍流流动。本文采用目前应用最广泛的湍流模型为k-ε模型。

2.3 燃烧模型

湍流燃烧理论的中心任务是确定湍流状态下的燃烧速率。具体表现为在控制方程中确定组分方程的源项，以实现方程组的封闭[10]。本文采用层流火焰面模型，该方法可用于处理非化学平衡状态的体系。

2.4 燃烧机理

碳氢燃料的氧化燃烧过程是链式分支反应，在研究反应动力学机理时，需要考虑链的引发、传播以及终止等过程。CH4作为天然气的主要成分及低碳烃的代表，国内外对其详细反应机理研究较多，其中GRI MEC 3.0是目前科研工作者认可度最高的CH4燃烧反应机理，因此本文采用GRI MEC 3.0机理对泄放气为CH4的火炬燃烧过程进行CFD模拟。

3 物理模型建立

火炬结构较为复杂，为减少计算时间，在综合考虑计算精度和计算机仿真效率的情况下，对几何模型进行了简化，忽略了点火器、长明灯等对燃烧场影响较小的部件。计算中选取DN500的火炬，建立三维模型。计算域选300 m×300 m×200 m，可以保证火炬周边的流场充分发展。网格采用六面体网格，在火炬头附近及火焰温度梯度变化较大的地方进行网格加密，在距火炬较远的地方进行拉伸，总网格数约100万。见图1。

图1 火炬物理模型及网格划分

4 结果分析

4.1 低热值火炬燃烧时的流场分析

对CH4体积含量为20%，N2含量为80%的低热值泄放气体，火炬头处泄放速度为18 m/s时的燃烧过程进行了CFD模拟。模拟得到低热值火炬燃烧时的CH4浓度分布如图2所示，图2中浓度为物质的体积分数。由图2可以看出反应物从火炬头流出后，浓度逐渐降低，受水平方向风的影响，反应物的流场产生了一定的倾斜。

图2 火炬燃烧时的CH4浓度场

火炬燃烧时的O2浓度分布如图3所示，图中浓度为体积分数。火炬头出口处一段区域内，O2的浓度较低，而对比图2可以看出，该区域内反应物的浓度较高，造成反应物过量，部分CH4燃烧产生CO，随着距火炬头距离的增大，反应物浓度逐渐降低，O2浓度逐渐升高，生成的CO逐渐继续反应生成CO2。

图3 火炬燃烧时的O2浓度场

火炬燃烧时的CO浓度分布如图4所示，图中浓度为体积分数。由图4可以看出CO主要分布在火炬头出口附近区域，该区域内CH4浓度较高，而O2含量较低，造成CH4不完全燃烧产生CO，而随着燃烧产物的扩散及风的进入，O2含量逐渐升高，CO与O2继续反应生成CO2。

图4 火炬燃烧时的CO浓度场

火炬燃烧时的CO2和H2O浓度分布如图5、图6所示，可以看出CO2和H2O的浓度分布基本相同，均是在火炬出口处较低，随着O2的进入，CH4逐渐反应，CO2和H2O的浓度逐渐提高，随着燃烧反应的进行，CH4浓度逐渐降低，燃烧生成CO2和H2O的量逐渐低于风的稀释作用，CO2和H2O的浓度逐渐降低。

火炬燃烧过程中会有少量的NOx产生，如图7、图8所示。可以看出，烟气中NO的浓度最高可达293×10-6，而NO2的浓度最高为1.02×10-6，因此火炬燃烧生成的NOx主要为NO，NO2的量较少。费尼莫尔(Fenimore)[11]开展的碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验研究，结果表明在反应区附近会快速生成NO，于是起名为“快速”NO。燃料燃烧时产生CH原子团撞击N2分子而生成CN类化合物，然后再被氧化成NOx。Miller等指出，“快速”NO的形成与3个因素有关：CH原子团的浓度及其形成过程、N2分子反应生成氮化物的速率、氮化物间相互转化率[12]。由图9可以看出火炬燃烧时CH原子团的浓度较低，远低于NO的浓度，因此“快速NO生成机理”不是低热值火炬燃烧过程中NOx的生成的主要途径。

图5 火炬燃烧时的CO2浓度场

图6 火炬燃烧时的H2O浓度场

图7 火炬燃烧时的NO浓度场

图8 火炬燃烧时的NO2浓度场

图9 火炬燃烧时的CH原子团浓度场

模拟得到低热值火炬气燃烧的温度场如图10所示。可以看出火炬出口处(即内焰)温度较低，这是由于火炬出口处CH4浓度较高，与空气接触不充分，O2含量较低，CH4含量过剩，发生不完全燃烧。随着距火炬出口距离的增加，O2含量逐渐升高，火焰温度逐渐升高，到达最高值1 578K后，由于空气的稀释作用，温度逐渐降低。水平风使火焰产生了一定的倾斜，下风向侧火炬头处温度偏高，但火焰未到达火炬头侧壁处。对比图7与图9可以看出，NO浓度场与火炬燃烧场的高温区基本一致，这说明NO主要是由N2在高温下氧化而生成的，即热力型NOx。

图10 低热值火炬燃烧温度场

4.2 低热值火炬燃烧效率

燃烧效率是火炬最重要的参数之一，燃烧效率低则会造成环境污染，严重时可形成可燃及有毒氛围，造成人员及财产损失。衡量火炬燃烧效率主要有两个指标：燃尽率(Combustion Efficiency，简称CE)和破坏去除率(Destruction and Removal Efficiencies，简称DRE)。燃尽率(CE)是指火炬气中完全转化为CO2的燃料所占的比例，其计算公式如下：

破坏去除率(DRE)表示火炬气中燃料气分解破坏的比例，其计算公式如下：

一般认为火炬的燃烧效率应高于98%，但对于采用CE还是DRE，我国标准并未涉及，文献资料中的说法并不统一，美国要求火炬的DRE应高于98%，而有些文献认为火炬的CE应高于98%。由上述公式可以看出，CE要小于或等于DRE，由于对燃烧效率的认知并不统一，本文对低热值气体的CE和DRE均进行研究。

通过对出口处各组分的含量进行积分，求得CH4体积含量为20%，N2含量为80%的低热值泄放气体的燃烧效率如表1所示。由表1可以看出，低热值火炬气燃烧时，DRE高于CE，两者相差0.69%。但两者均低于98%，不符合要求。因此对于低热值火炬，设计及运行时应注意其燃烧效率，可通过掺烧或伴烧的方法提高其效率。

表1 低热值火炬气燃烧效率 %

5 结论

a)采用CFD的方法建立了低热值火炬燃烧模型，对典型的低热值火炬燃烧过程进行了模拟，得到了低热值火炬气燃烧产物分布、温度场及燃烧效率等火炬安全设计及运行所需的基础数据。

b)低热值气体在燃烧过程中会产生NOx，其中主要为NO，NO2的量较少。

c)NO浓度场与火炬燃烧场的高温区基本一致，这说明NO主要是由N2在高温下氧化而生成的，即热力型NOx。低热值火炬燃烧器设计时，应注意采取措施降低热力型NOx的产生。

d)低热值气体燃烧时的CE和DRE均小于98%，因此低热值火炬设计和运行时，应考虑燃烧效率的问题，可通过掺烧或伴烧的方法提高其燃烧效率。

[1] 白永忠.HAZOP技术在炼油火炬系统工艺危害分析中的应用[J].中国安全生产科学技术， 2011, 7(10):106-111.

[2] 郭建兰,杜少俊. 低热值气体燃料的燃烧特性分析[J]. 太原理工大学学报， 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] 王福军. 计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社,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] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 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，高级工程师，注册安全工程师，注册安全评价师，2008年毕业于清华大学化学工程与技术专业，现在中国石化安全工程研究院从事风险评估、火炬及燃烧安全方面的工作。