火炬燃烧器蒸汽引射结构优化研究

张杰东 刘迪，3 王雅真，3

（1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266071；2.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071；3.中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

在火炬不完全燃烧的过程中，会产生烟尘、CO、VOCs、CO2、H2O等有机中间体和其他未完全燃烧的产物（包括甲烷和其他碳氢化合物）。烟尘是导致PM2.5和PM0.1产生的一大原因，烟尘含有潜在致癌物的多环芳烃（PAHs），会导致健康威胁，包括对呼吸道和身心健康发展的影响；高反应性VOCs 可参加大气光化学反应，严重破坏臭氧层，同时危害人类健康。石化企业火炬燃烧冒黑烟和VOCs 排放问题已经成为石化企业重要的安全环保和社会焦点问题［1-4］。

事故时火炬的排放量很大，不管是否添加额外的燃料，多数火炬泄放气体燃烧时都会产生黑烟和VOCs，必须采取强制的方法补充供氧，以防止冒黑烟事故的发生。国内外常用减少火炬黑烟和VOCs的方法有以下3 种：无烟火炬燃烧器、空气助燃以及蒸汽消烟［5-6］。无烟火炬燃烧器是通过对火炬燃烧器结构设计增加火炬引风量减少黑烟的生成，但目前的火炬燃烧器在大泄放量下仍难以避免冒黑烟；减小空气助燃是利用风机向火炬燃烧器的燃烧中心区域提供燃烧所需的空气，增强火焰刚度，提高燃烧完全程度，达到消烟作用；蒸汽助燃是目前应用较为广泛的一种助燃方式，通过蒸汽与黑烟发生水煤气反应进行消除黑烟，同时高速喷射的蒸汽可携带部分空气来促进火炬燃烧［7-9］。

蒸汽携带空气能力对火炬燃烧器的无烟燃烧至关重要。本文基于CFD 数值仿真和实验测试的方法，对火炬燃烧器的蒸汽引射结构进行优化，提升其引射空气能力，从而有效提高火炬燃烧器处理能力和燃烧效率［10-14］。

1 蒸汽引射结构优化

典型的蒸汽引射装置喷嘴为多分支结构，结构示意图如图1 所示，该蒸汽引射装置共有24 个蒸汽喷嘴，高压水蒸汽从喷嘴高速喷出，卷吸周围的空气进入上部的文丘里结构，影响蒸汽引射性能的主要参数有：喷嘴与文丘里结构的间距L0、吸入室长度L1、混合室直径D 和混合室长度L2。

图1 火炬系统蒸汽引射装置结构示意

1.1 Fluent 计算数学模型

在建立蒸汽引射装置内流动计算模型时，研究主要针对的是火炬系统的引射装置，其工作机理可等效为无物理化学反应和热传导的稳态流动，整个系统和外界是绝热的，其卷吸周围空气的能力取决于流体的质量和动量交换。流体的基本方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程以及组分输运方程［15-21］。使用标准k- 湍流模型对上述过程进行模拟，其表达式如式（1）所示：式中，具体变量含义见表1 和表2。

表1 在直角坐标系下k- 双方程模型控制方程组

表2 模型常数

表中Gk为湍流动能产生项：

模型中各通用常数根据实验和计算经验取值见表2。

1.2 仿真模型建立

由于外围空间较大，考虑到蒸汽引射装置结构的几何对称性，为了减少计算量，计算区域选择如图2 所示的1/4 结构，即圆周角为90°的区域。计算区域圆周方向的2 个边界设置为对称边界条件。为了同时兼顾计算结果精度及计算工作量且考虑到蒸汽引射装置本身的结构特点，计算网格采用结构化网格，并且喷嘴结构附近的网格较密，外围流场的网格较疏。图2 为蒸汽引射装置计算网格划分示意图。

图2 蒸汽引射装置计算网格

计算采用组分输运模型，考虑到气体的可压缩性，选择密度基求解器。在计算区域有3 个流体进出边界，这3 个边界的边界条件设置如下：蒸汽入口使用压力进口边界条件，设置压力值为0.3 MPa，空气质量分数为0、蒸汽设置为可压缩流体。空气进口采用压力进口，压力值为一个标准大气压，空气质量分数为1，混合气体在外围流场的出口采用压力出口条件，压力值为一个标准大气压。

图3为CFD 模拟得到的火炬系统蒸汽引射装置的速度云图。由图3 可以看出，蒸汽在喷口处高速喷出并产生拥塞效应，在喷嘴出口处蒸汽的速度在700 m/s 左右。随着离开喷口处的距离的增加，流速迅速减弱，主要由于蒸汽和周围空气碰撞剪切动能减弱。图4 为蒸汽引射装置的压力云图，由图4 可以看出，蒸汽在文丘里管内部形成负压。图5 为蒸汽引射装置的速度矢量图，由图5 可以看出在压力场的作用下，喷嘴周围的大量的空气被卷吸入管道。

图3 蒸汽引射装置速度云图

图4 蒸汽引射装置压力云图

图5 蒸汽引射装置速度矢量

1.3 结果分析

引射系数是衡量火炬燃烧器蒸汽引射装置性能的重要指标，引射系数是引射流体质量流量与工作流体质量流量之比，即

式中，M1、Mh分别为低压流体和高压流体的质量流量。

1.3.1 喷嘴与文丘里结构的间距L0对引射系数的影响

间距L0是影响配风效果的一个重要因素。在研究间距对配风性能的影响时，保持其他结构参数的初步设计值不变，通过上下移动上部管道改变它的大小，考察不同间距对配风性能的影响。

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图6给出了引射系数与间距之间的关系曲线，由图中可以看出，间距从25 mm 增加到45 mm 的过程中，引射系数从8.33 增至8.84；继续移动喷嘴的位置，两者间距从45 mm 增加到50 mm 的过程中，引射系数保持稳定；继续移动喷嘴位置使两者间距增大，引射系数减小，当两者间距达到60 mm 时，引射系数下降到8.7。火炬系统的蒸汽引射装置存在最优的间距L0使得引射系数最大。

图6 引射系数随喷嘴出口位置变化曲线

原因分析：低压气体是通过高压气体的剪切作用被引射到混合室的，间距越小，即喷嘴出口位置越接近上部管道，缺少足够的距离夹带低压气体，因此引射系数并不高；间距增大时，即喷嘴出口位置远离上部管道时，高压气体在进入混合室之前有足够的距离来夹带低压气体，因此低压气体流量随着增大，引射系数增加；间距继续增加，沿程摩擦损失增大，高压气体能量降低，引射系数减小。

1.3.2 混合室直径D 对配风效果的影响

在研究混合室直径D 对配风效果的影响时，喷嘴间距取优化后的45 mm，并保持其他结构参数的初步设计值不变，仅改变混合室直径D，考察混合室直径D 对引射系数的影响。

图7给出了引射系数与混合室直径之间的关系曲线，由图可以看出当混合室直径D偏离最优值时，引射系数急剧下降。混合室直径D 从180 mm 增加到220 mm 的过程中，引射系数从9.4 增加到9.7，继续增大混合室直径D，引射系数急剧下降。混合室直径D 增加到300 mm 左右时，引射系数变化减缓，此时引射系数为8.4 左右。

图7 引射系数随混合室直径变化曲线

原因分析：混合室直径D偏小时，混合室内气体的流通面积较小，低压气体的卷吸受限，使得引射系数偏小；混合室直径D 增大时，混合室的作用在减弱，引射系数降低。

1.3.3 吸入室长度L1对配风效果的影响

图8给出了引射系数与吸入室长度L1之间的关系曲线。由图可以看出存在最优的吸入室长度L1使得引射系数最大。吸入室长度L1从25 mm 增加至200 mm 的过程中，引射系数先增加后减小，吸入室长度L1为175 mm 时引射系数达到最大，其值大约为11.2。

图8 引射系数随吸入室长度变化曲线

原因分析：在入口直径和混合室直径固定时，吸入室长度L1较小意味着吸入室锥角较大，锥角过大不能对低压气体起到较好的导流作用。同理，当吸入室长度较大时，吸入室锥角较小，锥角过小亦不能对低压气体起到较好的导流作用。因此，存在一个最优的吸入室长度L1，使吸入室的锥角与被卷吸的低压气体的流动方向一致，对卷吸的低压气体起到最好的导流作用，使引射系数最大。

1.3.4 混合室长度L2对配风效果的影响

在研究混合室长度L2对配风效果的影响时，喷嘴间距、混合室直径和吸入室长度取优化后的值，并保持其他结构参数的初步设计值不变，仅改变混合室长度L2，考察混合室长度L2对引射系数的影响。

图9给出了引射系数与混合室长度L2之间的关系曲线。由图可以看出存在最优的混合室长度L2使得引射系数最大。混合室长度L2从100 mm 增加至1 100 mm的过程中，引射系数先增加后减小，混合室长度L2为700 mm 时引射系数达到最大，其值大约为16.0。

图9 引射系数随混合室长度变化曲线

原因分析：混合室长度较小时，混合室作用较弱，高速喷出的工作流体无法在混合室中形成活塞作用，不能再吸入室中形成低压区，进而对低压气体的卷吸作用较弱。当混合室长度较长时，流体在混合室中的沿程摩擦损失增大，阻碍了流体的流动。

以CFD 仿真所得的数据为原始数据，采用线性回归的方式对原始数据进行拟合，对输入的不同结构参数的模型的引射系数进行预测，然后再对预测值较高的几个模型进行运算，取引射系数最高的模型作为结构参数最优模型，仿真结果如图10 所示。

由图10 可以看出，模型编号1 的引射系数最优，最优引射系数是16.48，其结构参数为间距L0=45 mm、吸入室长度L1=175 mm、混合室直径D=110 mm 和混合室长度L2=700 mm。

2 基于PDPA 的火炬燃烧器蒸汽引射测试实验

2.1 实验原理

粒子动态分析（PDPA）用于测量粒子速度与大小，在流体研究领域得到广泛应用。它是一种非接触式的测量工具，并具有不需标定、测量精度高等特点。其基本工作原理是利用多普勒频移原理测量粒子速度，利用多普勒相位差原理测粒径大小，还根据粒子速度和粒径大小计算颗粒浓度［22-26］。

2.2 实验装置

利用PDPA 搭建实验平台，如图11 所示。其主要包括动力系统、实验系统和测试系统。实验采用正压状态进行，具体流程为：经空气压缩机1 压缩后的空气进入稳压罐2，经压力表3 测压、流量计4 计量后流入实验系统管路，同时高压烟雾发生器6 产生的示踪粒子由气体送入实验系统管路，携带示踪粒子的气体经热线风速仪7 测速计量后进入引射器喷管8，由引射器喷管8 喷出的气体携带一定空气经引射器9 后排空。搭建的实验装置如图12 所示。

表3 室内实验的设备尺寸

图11 火炬燃烧器引射装置流场测试方案

图12 实验装置

在实验过程中，采用PDPA系统对经引射器9 放空的气体流动进行测量。由激光器13 产生的激光经分光器14 分成6 束，经处理器处理后进入发射探头11，经发射探头11 出来的激光在流场待测点相交形成测量体，示踪粒子流经测量体时产生多普勒效应，折射或者反射的激光由接收探头11 接收后经光纤18 传递至光电转换器16 转换成电信号，经处理器17 处理后送至计算机19 进行数据处理，根据需求采用傅里叶变换等数据处理方法，得到流场的速度分布。

高压气体经过引射器喷管8 高速喷入引射器9中，射流速度很大，因此重力对射流过程的影响可以忽略不计，所以实验装置采用水平放置。

对于引射装置内的流动过程，流动黏性阻力对流动过程起主要作用，因此可采用雷诺相似准则设计模型。根据雷诺相似准则，模型引射器和原型引射器的尺寸、流速以及流量之间存在如下关系：

根据上述公式，采用相同的空气介质作为实验介质时，保证流量比例尺与长度比例尺相同，即可保证模型中的流动过程与原型中的流动过程完全相似，即模型流动反应的流动特性与原型相同。

根据实验室动力系统的条件，采用长度比例尺2进行模型设计，得到的室内实验设备尺寸如表3 所示。为保证流动相似，实验过程中采用的供气量为0.335 m3/min。

2.3 实验结论

利用Fluent 软件在文丘里管直径D=50 mm、锥角=45°、间距为20 mm、工作压力为0.3 MPa 的情况下对距文丘里管出口10、110、210 和310 mm 截面上水平线速度进行实验和仿真结果分析，对实验结果进行验证。

对距文丘里管出口10 mm 和110 mm 截面上水平线速度进行实验和仿真结果分析，对实验结果进行验证，结果如图13 和图14 所示。

图13 距离出口10 mm 中心线速度对比

3 结论

1）实验和仿真测得的速度变化趋势和数值大小均一致，CFD 模型及优化结果的准确性得到验证。

2）通过CFD 仿真优化研究，对于典型的火炬燃烧器，当间距L0=45 mm、吸入室长度L1=175 mm、混合室直径D=110 mm 和混合室长度L2=700 mm 时，最优引射系数是16.48。

3）通过优化蒸汽引射结构，可以提升空气携带量，有助于火炬高效燃烧，减少火炬冒黑烟和VOCs排放。