基于烟气再循环技术的燃气注汽锅炉数值模拟研究

王杰刚　史江　杨青　陆昌山　王建江　魏博

摘  要：文章对燃气注汽锅炉进行烟气再循环技术的数值模拟研究，随着烟气再循环率的升高，炉膛内燃气燃烧的最高温度平均下降约60K，炉膛内燃烧的高温区面积不断缩小，燃烧温度区间分布逐渐均匀;随烟气循环率的升高NOx的含量逐渐下降，烟气再循环率每降低5%，NOx浓度降低约11.6%，NOx的高浓度区域逐渐减少且NOx的高浓度区朝炉膛出口方向下移;烟气再循环率逐渐升高，其炉内CO含量逐渐降低。

关键词：注汽锅炉;烟气再循环技术;NOx排放;油田

中图分类号：TK224         文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2020）08-0034-04

Abstract： In this paper， the numerical simulation of flue gas re-circulation technology is carried out on a gas injection boiler. With the increase of flue gas re-circulation rate， the maximum temperature of gas combustion in the furnace decreases by about 60 K on average， and the area of high temperature zone of combustion in the furnace decreases continuously. The distribution of combustion temperature range is gradually uniform. With the increase of the flue gas recycling rate， the content of NOx decreases gradually， and the high concentration area of NOx decreases gradually when the concentration of NOx decreases by 5% and 11.6%， and the high concentration area of NOx moves down to the furnace outlet direction; the flue gas recycling rate increases gradually， and the CO content in the furnace gradually decreases.

Keywords： steam-injection boiler; flue gas recycling technology; NOx emission; oil field

前言

油田注汽锅炉是稠油热采的专用设备，属油田专用直流锅炉。其产生的高温、高压湿饱和蒸汽注入油井加热原油，降低稠油的粘度，改善稠油的流动性，大幅度提高稠油的采收率。然而，目前注汽锅炉由于随着区域油田的不断开采，需要对油田注汽，距离较远热量损失及能源消耗较大，并且注汽锅炉体积庞大，运输不便，难以在采油现场灵活运用。因此注汽锅炉小型化具有更加重要的意义[1]。

随着国家环保政策的日趋严格，锅炉的NOx的排放指标也越来越低。而对于注汽锅炉在现有燃烧状态下如何降低NOx含量越来越受到关注。目前锅炉燃烧降低NOx含量技术主要有燃烧分级[2]、空气分级[3]、烟气再循环[4]等方法。在注汽锅炉中烟气再循环是指在锅炉的尾部烟道引入一部分烟气，将烟气注入燃烧器内以降炉内NOx的一种方法。

现有研究表明烟气再循环能够有效降低炉内NOx含量实现低氮燃烧[5-6]。但在注汽锅炉中烟气再循环技术降低NOx的具体数值研究较少，因此本文对某油田的燃气注汽锅炉进行烟气再循环技术的数值模拟研究，以获得在不同烟气再循环率下温度以及NOx的含量。

1 研究对象

对新疆某注汽锅炉进行在不同循环倍率下的数值模拟工作，以研究烟气再循环技术对锅炉燃烧后产生的NOx影响。注汽锅炉型号为YZG22.5-14/360-G，结构如图1所示。

2 网格划分及模型选择

采用SolidWorks对炉膛长为12m，直径为3m的注汽锅炉进行几何划分建模;采用ICEM对燃烧器几何模型的网格进行非结构性网格划分，炉膛采用结构性网格划分，然后将燃烧器和炉膛网格相互耦合，注汽锅炉的几何模型及网格如图2所示。采用不同网格对锅炉模型进行网格无关性验证其计算结果如表1所示，综合其氮氧化物生成量误差和计算时间考虑选择网格2作为仿真计算网格。

在模型选取中湍流模型选择标准k-ε模型，采用通用速率模型模拟湍流和化学反应的相互作用，辐射模型采用DO模型，污染物的生成只考虑热力型NOx，采用概率密度函数（PDF）模型模拟氮氧化物的生成和化学反应传递的作用。燃料入口和氧化剂入口设置为速度入口，炉膛出口设置为压力出口边界，其他为壁面边界。选择基于压力的分离式求解器，并采用simple算法进行压力速度的耦合。

3 燃料特性选择

注汽锅炉燃料选取现场实际锅炉燃料发热量进行计算，其天然气发热量为35996.36kJ/m3，天然气主要成分CH4含量为91.02%，收到基其他烷烃类成分占比7.79%。

根据燃料特性選择模拟仿真烟气再循环率分别为0%、5%、10%、15%及10%进行烟气再循环，对采用不同烟气再循环率后炉内的温度及氮氧化物含量等特性进行分析。烟气再循环组分与烟气再循环率如表2所示。

4 结果分析

4.1烟气再循环率对炉膛温度影响

图3为注汽锅炉在不同烟气循环率（FGR）下仿真模拟后的炉膛截面温度云图。由图可知：烟气再循环率从0%升高至20%，炉内的最高温度分别为2201.0K、2145.1K、2082.4K、2030.9K、1961.2K，随着烟气再循环率的升高炉内温度在降低，其中烟气再循环率每提高5%，炉膛最高温度平均下降60K左右;此外随着烟气再循环率的提高，炉内高温区在不断缩小，高温区域形状随着烟气循环率的升高而降低，并且温度分布呈现逐渐均匀化状态;

图4为截面平均温度随炉膛长度变化曲线。由图可知，沿着烟气流向位置的增加炉内平均燃烧温度先升高后下降，在炉膛位置约5m处，炉内燃烧平均温度最高，此处温度约为1700K;烟气再循环率为0%，Z截面上炉膛平均最高温度为1728.4K，烟气再循环率为20%时，Z截面上炉膛平均最高温度为1689.2K，此处比烟气再循环率为0%的Z截面上平均最高温度低39K。烟气再循环率每提高5%，Z截面平均最高温度下降约10K。烟气再循环率为0%时，炉膛出口烟温1381K，烟气再循环率为20%时，炉膛出口烟温为1341K。

4.2 烟气再循环率对NOx影响

图5为不同烟气循环率下燃烧生成的NOx云图。由图可知：烟气再循环升高后，炉膛内NOx的高浓度区域减少，NOx的含量随烟气循环率的升高而下降，且NOx的高浓度区朝炉膛出口方向下移。这是由于烟气再循环升高后，炉膛中水分增加导致炉内温度下降以及氧量降低使得生成的热力型NOx浓度下降。炉膛中氮氧化物的高浓度区主要集中在炉膛4m～6m处，这与炉膛火焰温度的高温区分布规律一致。

在不同烟气再循环率情况下，炉膛出口的NOx平均浓度如图6所示。由图可知：烟气再循环率每提高5%，炉膛出口的NOx平均质量浓度下降约11.6%。在不采用烟气再循环技术时，炉膛出口NOx平均质量浓度为189.27mg/m3，在烟气再循环率升高至20%时，炉膛出口的NOx平均质量浓度为101.64mg/m3，其氮氧化物质量浓度下降了约46.3%。说明采用烟气再循环技术可以有效降低氮氧化物的浓度。

4.3 烟气再循环率对CO影响

图7为沿炉膛长度随炉膛截面平均CO体积分数曲线。由图可知：烟气再循环率相同时，在炉膛入口0m～1m处，炉内CO的平均体积分数最高，并且沿着烟气流向的方向炉内CO平均体积分数迅速下降;当烟气再循环率从0%升高至20%时，炉膛入口处的CO平均体积分数从0.025%升高到0.048%，在炉膛入口1m处，CO平均体积分数则从0.0012%上升到0.0194%;炉内CO的平均体积分数随着烟气再循环的升高而升高，并且烟气再循环率越高，炉内CO平均体积分数下降速率越低。

5 結论

（1）烟气再循环率从0%升高至20%每升高5%，炉膛内燃气燃烧的最高温度平均下降约60K。炉膛内燃烧的高温区面积不断缩小，火焰形状随着烟气掺混比例增加而变长，燃烧温度区间分布逐渐均匀化，在炉膛长度为5m处，炉膛燃烧的平均温度最高。

（2）烟气再循环率每提高5%，炉膛出口NOx的质量浓度平均下降约11.6%，炉膛内NOx的高浓度区域逐渐减少，NOx的含量随烟气循环率的升高而下降，且NOx的高浓度区朝炉膛出口方向下移。

（3）烟气再循环率相同时，炉膛燃烧器喷口处CO的体积分数最高，烟气再循环率升高，炉膛入口处的CO体积分数从0.025上升至0.048，随着炉膛长度的加长CO体积分数先快速下降后缓慢降低。

参考文献：

[1]陈军，白冰，李汉卿，等.12MPa注汽锅炉模式水冷壁传热特性数值模拟研究[J].化学工程与装备，2019（7）：258-266.

[2]宋少鹏，卓建坤，李娜，等.燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理[J].中国电机工程学报，2016，36（24）：6849-6858.

[3]孙保民，王顶辉，段二朋，等.空气分级燃烧下NOx生成特性的研究[J].动力工程学报，2013，33（4）：261-266.

[4]兰健，吕田，金永星.烟气再循环技术研究现状及发展趋势[J].节能，2015，34（10）：4-9.

[5]李高亮，王乃继，肖翠微，等.烟气再循环在煤粉工业锅炉上的数值模拟研究[J].洁净煤技术，2015，21（2）：125-128.

[6]胡满银，乔欢，杜欣，等.烟气再循环对炉内氮氧化物生成影响的数值模拟[J].华北电力大学学报（自然科学版），2007，34（6）：77-82.