新型火炬燃烧器的研究与设计

董继先, 张帅涛

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021 )

0 引言

现如今，石油化学工业发展迅猛，化工、炼油、塑料等石化及后衍生产装置更呈现出联建联产、生产规模扩大和公用工程集中供应的特点.由于这些装置的相互连带关系和规模化，在日常运行、开停车特别是突发事故发生时，装置将排放出较大量的排放气或火炬气.由于火炬气对环境有污染或有毒，不能直接向大气中排放，通常将火炬气送至火炬中经燃烧处理后再向大气中排放.因此，在石油化工装置中设置火炬气回收系统用于处理各生产装置的排放气是很有必要的[1-11].火炬燃烧器是火炬系统的关键部件，其性能的好坏将直接影响火炬系统的性能和火炬系统是否能达到环保要求.因此合格的火炬系统必须有合格的火炬燃烧器.

目前，国内外在燃烧器的研究方面已取得了一定的成就.在国内：例如，中国船舶重工集团公司第711研究所设计了一种蒸汽助燃型火炬燃烧器，该燃烧器包括筒体、环绕筒体的水蒸汽环管以及与所述水蒸汽环管套合的喷嘴、引射水蒸汽至筒体中心处的中心引射管和蒸汽空气引射管[12]；陕西金黎明石化工程有限公司设计了一种蒸汽引射预混式地面燃烧器，该燃烧器包括输气筒、燃烧筒、支管、环管和蒸汽进气管[13].图1和图2是这两种燃烧器的结构图.

图1 蒸汽助燃型火炬燃烧器

图2 蒸汽引射预混式地面燃烧器

在国外：例如，Marcin Dutka等[14]在他们的研究中指出，随着电力和工业部门对燃料柔度和CO2收集办法需要的增加，导致了对含氢燃料的更高关注.氢燃烧火焰中高的反应速率和燃烧温度是一种高氮氧化物的来源和传统干贫预混低氮氧化物燃烧技术实施的一个障碍.目前实验研究调查NOx排放物，在基于部分预混钝体策略的有前景的燃烧器方案之上说明湍流流畅.部分预混钝体燃烧器结构可用于燃料和空气中通过多级燃料喷射在加速空气流中快速混合，后面是由一个钝体控制的火焰稳定化过程.

Shuguang Ti等[15]关于新的能够加深对旋流燃烧器性能理解的研究成果如下：当一次空气喷嘴长度减少时，燃烧器的着火性能和NOx减少量增加.当内部二次空气锥形喷嘴长度增加时，燃烧器的着火性能变弱，NOx减少量增加.当外部二次空气锥形喷嘴长度增加时，燃烧器的着火性能和NOx减少量变强.

M.de Joannon等[16]在研究中指出：实验测试在一个较小尺寸的以一种较强的内部回流率为特征的燃烧器内完成.内部回流率是由一种反应堆和进给系统的几何外形所获得的低压流体动力模型所导致.这种简化被设计用于独立的不同混合物预热温度和混合物稀释水平.

虽然国内外在燃烧器的研究方面已取得了一定的成就，但并不代表所研制的燃烧器不存在问题.目前，燃烧器存在的问题如下：

(1)国内传统的燃气燃烧器NOx排放大多都在300 mg/m3左右，不符合GB13223-2011中规定的电站锅炉和工业锅炉NOx排放不高于100 mg/m3的要求.

(2)火炬气体在事故排放时，由于排放量大，会出现不完全燃烧，因此会出现冒黑烟的现象，对环境大气产生严重污染.

1 数值模拟方法

1.1 物理模型

图3为火炬燃烧器的模型图.模型基本假设分析：忽略火炬燃烧器的火炬气喷管、蒸汽喷管和预混室的壁面厚度，去掉火炬气喷管和蒸汽喷管与外界连接用的法兰，去掉火炬气喷管与预混室连接时用的筋板，去掉蒸汽喷管与火炬气喷管连接时用的筋板，只考虑由火炬气喷管、蒸汽喷管和预混室的内腔形成的模型，并用此模型模拟火炬气与空气的混合和燃烧过程.

图3 火炬燃烧器的模型图

1.2 数学模型

1.2.1 质量守恒方程

(1)

1.2.2 动量守恒方程

(2)

式(2)中：P为静压；τij为应力张量；gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力.

1.2.3 能量守恒方程

(3)

式(3)中：Cp为比热容；T为温度；k为流体的传热系数；ST为粘性耗散项.

1.2.4 组分方程

(4)

式(4)中：u、v、w为流体在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流体的密度；f、D分别是流体的组分份额、湍流扩散系数.

1.2.5 湍流模型和燃烧模型

湍流模型选取标准K-w模型.该模型包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动计算、混合层计算、射流计算，以及受到壁面限制的流动计算和自由剪切流计算.燃烧模型选用通用有限速度模型.

1.3 网格划分和边界条件

1.3.1 网格划分

图4为对火炬燃烧器模型进行网格划分后的网格图，该模型的网格划分采用的是四面体网格.

图4 火炬燃烧器模型的网格图

1.3.2 边界条件

火炬气入口和蒸汽入口采用质量流入口边界(Mass-Flow Inlet)，空气入口采用压力入口边界(Pressure Inlet)，混合气体出口和蒸汽出口采用压力出口边界(Pressure Outlet)，其余采用壁面边界(Wall).

1.4 求解所需物性参数

火炬气的比热：1 440 J/Kg·K ；火炬气的温度：56 ℃ ；火炬气的质量流量：0.277 78 Kg/s ； 水蒸气的比热：2 034 J/Kg·K ；水蒸气的温度：100 ℃；水蒸气的质量流量：0.011 75 Kg/s ； 氮气比热：1 040 J/Kg·K；氮气温度：20 ℃；氧气比热：1 007 J/Kg·K；氧气温度：20 ℃.

2 对现有火炬燃烧器的数值模拟

图5和图6为现有火炬燃烧器的三维实体图和剖面图.由图6可以看出，该燃烧器的工作过程为：火炬气由火炬气入口进入，压缩空气由空气入口进入，然后火炬气和压缩空气在预混室混合形成混合气体并由混合气出口喷出进行燃烧.图7和图8为对该现有火炬燃烧器进行数值模拟的温度云图和火炬气质量分数云图.

图5 现有火炬燃烧器的三维实体图

由图8可看出，火炬气在混合气体出口处分布不均匀，在出口的中心处浓度较大，这样导致在出口的中心处空气的含量较少，从而使火炬气在出口的中心处不能完全燃烧，易形成黑烟，对环境造成较大污染.

图6 现有火炬燃烧器的剖面图

图7 现有火炬燃烧器的温度云图

图8 现有火炬燃烧器的火炬气质量分数云图

燃料燃烧过程中产生的NOx主要包括热力型、燃料型和快速型3种.煤燃烧主要以燃料型NOx为主，而气体燃料中的氮含量很少，燃气燃烧产生的NOx主要为热力型和快速型.热力型NOx是指在高温环境下空气中的氮被氧化成NOx，控制燃烧温度是控制燃烧过程中热力型NOx的关键；快速型NOx指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团(CH)等反应生成NOx，当炉膛温度较高时，产生的快速型NOx很少，可以忽略，但当温度较低时，可在富燃料还原区，快速型NOx占主导地位，即控制炉膛温度和燃料与助燃空气在炉膛中均匀的混合燃烧是控制燃烧过程中快速型NOx的关键[17].

本次燃烧器燃烧的火炬气是丙烯，所以不存在燃料型NOx.由图7可看出，在混和气体出口处燃烧温度很高，易形成较多热力型NOx.所以该燃烧器在燃烧时会造成NOx污染.

由上述分析可知，该燃烧器存在冒黑烟和NOx排放量较高的问题，需对该燃烧器的结构进行改进.

3 新型燃烧器的结构设计和数值模拟

3.1 新型燃烧器的结构设计

原始数据[18]为：火炬气C3H6的处理量：1 t/h ；火炬气压力：92.536 KPa；火炬气C3H6的温度：56 ℃；火炬气C3H6的相对分子质量：42；火炬气的绝热指数：1.113.

3.1.1 火炬气喷管的最初尺寸：

根据API RP521标准，火炬气喷管的直径的计算公式如式(5)所示.

(5)

式(5)中：W-火炬气处理量，Kg/s；Ma-马赫数；P-火炬气压力，KPa；T-火炬气的温度，K；D-火炬气喷管的初始直径，m；M-火炬气相对分子质量；K-火炬气绝热指数.

马赫数Ma是火炬气出口流速与声波在火炬气中的传播速度之比.当马赫数小于0.2时，火炬气能稳定燃烧.当燃烧器没有稳焰圈时，若马赫数超过0.2，火炬气燃烧时的火焰开始出现不稳定.若马赫数为0.5，火炬气火焰有脱火的危险.当燃烧器有稳焰圈时，马赫数在0.5以下时，火焰均具有一定的稳定性.一般情况下，为使火焰保持稳定，马赫数取0.2～0.4.本次设计中马赫数取为0.2.

因此，可知火炬气喷管的初始直径为：

火炬气喷管的长度取为200 mm.

3.1.2 燃烧器预混室的尺寸

火炬气的燃烧分为扩散燃烧、部分预混合燃烧和完全预混合燃烧.本次设计的燃烧器采用部分预混合燃烧.燃烧器预混室的直径预先取为200 mm，长度预先取为400 mm.

3.1.3 蒸汽喷管的计算

一般情况下，消烟蒸汽量的多少由无烟处理量和火炬气组分决定.消烟蒸汽量的多少和烃类相对分子质量相关联，烃类相对分子质量越高，水蒸汽与二氧化碳之比就越低，火炬燃烧时冒烟的可能性就越大.API RP537标准中提到，通常情况下，消烟蒸汽量计算公式以美国G.R.肯特的文献《实用火炬设计》为参考，该计算公式是以水蒸汽和二氧化碳的重量比约为0.7为依据推导出来的，计算公式为：

Ws=Wx×(0.68-10.8/M)

(6)

式(6)中：Ws-消烟蒸汽量，Kg/s;W-火炬气处理量，Kg/s；M-火炬气相对分子质量.

则Ws=(1 000/3 600)×(0.68-10.8/42)=0.117 5 Kg/s.

水蒸汽有中压和高压，中压蒸汽压力为10～40 Kgf/cm2，流速为20～40 m/s，高压蒸汽压力为40～120 Kgf/cm2，流速为40～60 m/s.本次设计采用中压水蒸汽，其压力为30 Kgf/cm2，流速为30 m/s.查饱和蒸汽温度密度压力对照表，可知水蒸汽密度为p=1.627 Kg/m3，则水蒸汽体积流量为：V=WS/P=0.117 5/1.627=0.072 2m3/s.

蒸汽喷管的直径为：

为了确保较好的消烟效果，用10根围绕预混室的蒸汽喷管代替单根中央蒸汽喷管，取围绕预混室的蒸汽喷管直径D=10 mm，且每根蒸汽喷管中的蒸汽流量为0.011 75 Kg/s.

3.2 新型燃烧器的数值模拟

前面设计的燃烧器的结构所依据的计算方法都是由标准API RP521所得，所计算的结果都是一些经验值，不能准确反映燃烧结果，因此需用Fluent对燃烧器结构进行模拟并对燃烧器的初始尺寸进行修改，从而得到准确的结果.

3.2.1 火炬气喷管和预混室结构尺寸的确定

(1)当火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=200 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.044 3 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图9所示.

图9 火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=200 mm时的速度云图

(2)当火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=400 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=1.264 2 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图10所示.

图10 火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=400 mm时的速度云图

(3)当火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=200 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.746 8 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图11所示.

图11 火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=200 mm时的速度云图

(4)当火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=400 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=4.664 4 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图12所示.

图12 火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=400 mm时的速度云图

(5)当火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=250 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.239 4Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图13所示.

图13 火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=250 mm时的速度云图

(6)当火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=300 mm、火炬气处理量w=1t/h时，引射的空气量为：q=0.324 7 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图14所示.

图14 火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=300 mm时的速度云图

(7)当火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=350 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.455 2 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图15所示.

图15 火炬气喷管直径d=68 mm、预混室直径D=350 mm时的速度云图

(8)当火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=250 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.524 8 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图16所示.

图16 火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=250 mm时的速度云图

(9)当火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=300 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.639 5 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图17所示.

图17 火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=300 mm时的速度云图

(10)当火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=350 mm、火炬气处理量w=1 t/h时，引射的空气量为：q=0.767 9 Kg/s,用Fluent模拟的速度云图如图18所示.

图18 火炬气喷管直径d=38 mm、预混室直径D=350 mm时的速度云图

由上述10组数据对比可知，火炬气喷管直径d=38 mm，预混室直径D=400 mm时，引射的空气量最大，且由上面10个速度云图可知火炬气喷管直径d=38 mm，预混室直径D=400 mm时，火炬气与空气混合的越均匀，越有利于火炬气的燃烧，因此取燃烧器的火炬气喷管直径d=38 mm，预混室直径D=400 mm.

3.2.2 新型燃烧器对NOx含量的控制

图19和图20分别是温度云图和火炬气的质量分数云图.将图19与图7对比发现，图19的高温区域的温度较图7的高温区域的温度低很多，其次图19的高温区域较小，所以新型燃烧器在燃烧火炬气时生成的热力型NOx很少.由火炬气的质量分数云图图20可以看出，火炬气在空气中分布较为均匀，则不易形成快速型NOx，所以该燃烧器在燃烧火炬气时生成的NOx的量很少，对环境的污染也很小.

图19 温度云图

图20 火炬气的质量分数云图

3.2.3 新型燃烧器对火炬气燃烧时产生黑烟的控制

由于黑烟对环境污染较大，因此应对火炬气燃烧时产生的黑烟进行控制.本次设计对黑烟的控制方法是蒸汽消烟.蒸汽消烟原理：喷放的蒸汽在高温下与烃类分解出的游离碳发生水煤气反应，促进完全燃烧，实现无烟燃烧.其反应方程式如下：

C + H2O↑→CO↑+H2↑

2CO↑+O2↑→2CO2↑

2H2↑+O2↑→2H2O↑

将图20与图8比较发现，图20中火炬气燃烧过程较图8多了个蒸汽消烟，即使火炬气在燃烧时有游离碳析出，也会与水蒸汽发生水煤气反应，且图20中火炬气燃烧时较图8中的火炬气分布均匀，所以图20中的火炬气燃烧时不会产生黑烟，从而达到消烟的目的.

火炬燃烧器的三维图如图21所示.

图21 火炬燃烧器的三维图

4 结论

火炬气燃烧时生成NOx和冒黑烟是一个普遍现象[19]，只有准确把握其产生原因才有可能获得合理的治理措施.本文通过合理设计燃烧器结构，发现当火炬气喷管直径为38 mm，预混室直径为400 mm，并辅以蒸汽消烟装置时，可控制NOx排放量超标和冒黑烟问题，为保护环境提供了一种措施，也为燃烧器结构优化提供了一种新思路.