單井燃?xì)饧訜釥t燃燒器低氮氧化物排放研究

周宏斌, 宋春燕, 楊寶剛,周 磊, 趙金剛、 , 常 峰, 孫恩呈

(1.中石化勝利油田分公司 工程技術(shù)管理中心， 山東 東營 257000； 2.勝利油田分公司技術(shù)檢測中心， 山東 東營 257000； 3.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 200092；4.勝利油田檢測評價研究有限公司， 山東 東營 257000)

1 概述

某油田有燃?xì)饧訜釥t逾4 000臺，主要用于單井、計量站、多功能罐等加熱，熱功率大多為50～800 kW，其中小型單井燃?xì)饧訜釥t超過2 000臺，氣源以套管氣為主。按照氣源、油藏特點，2020年管理部門選取逾400臺單井燃?xì)饧訜釥t進(jìn)行煙氣外排檢測，其中氮氧化物排放量超過50 mg/m3的單井燃?xì)饧訜釥t占60%。隨著國家和地方環(huán)保要求的一再提升，氮氧化物排放成為制約油田綠色發(fā)展的突出問題。

現(xiàn)有油田單井燃?xì)饧訜釥t大多為開發(fā)初期投用，考慮到室外全天運行所面臨的可靠性問題，一般不配備燃燒控制器、助燃風(fēng)機、引風(fēng)機等設(shè)備。燃燒器形式主要為自然引風(fēng)擴散式，采取人工點火，沒有熄火保護(hù)，存在著一定的安全隱患；手動調(diào)節(jié)燃?xì)饬亢椭伎諝饬?，很難準(zhǔn)確控制燃燒空燃比，極易造成加熱爐運行效率低下和排放性能不達(dá)標(biāo)。

自然引風(fēng)擴散式燃燒器具有原理清晰、操作簡單、燃燒穩(wěn)定的特點。但隨著近年愈加嚴(yán)格的國家環(huán)保法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的密集出臺，企業(yè)也越來越重視環(huán)境排放問題。為此，2020年起開展油田注汽鍋爐及單井燃?xì)饧訜釥t綠色達(dá)標(biāo)排放技術(shù)研究，希望通過對小型單井燃?xì)饧訜釥t燃燒機理的深入研究，在獲得理論支撐的基礎(chǔ)上，使NOx減排工作少走彎路。

近年來，國內(nèi)外研究人員已對低NOx燃?xì)馊紵骷霸诩訜釥t上降低NOx的排放做了深入的研究[1-4]，數(shù)值模擬計算已成為研究NOx減排的有效手段[5-6]，尤其在燃燒器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵控制參數(shù)的優(yōu)化方面作用明顯，如分級燃燒技術(shù)(濃淡燃燒器)中尋找最優(yōu)濃淡比例[7-8]、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)中獲取最理想煙氣循環(huán)量[9-11]以及全預(yù)混燃燒技術(shù)中確定火焰穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[12-13]等。

本文主要針對NOx生成機理，借助計算流體力學(xué)(CFD)工具，探討在用單井燃?xì)饧訜釥t的降低氮氧化物排放的適用方法。

2 在用燃燒器污染物排放分析

單井燃?xì)饧訜釥t多采用自然引風(fēng)擴散式燃燒器，究其原因，主要為：早期開發(fā)油井時加熱爐可選成熟適用的燃?xì)馊紵O(shè)備較少；單井燃?xì)饧訜釥t一般需室外全天運行，電源供應(yīng)不理想；早期對加熱爐的污染物排放要求不高。

① 自然引風(fēng)擴散式燃燒器NOx排放分析

在用的自然引風(fēng)擴散式燃?xì)馊紵?，燃?xì)庖揽孔陨淼膲毫?jīng)多個燃?xì)饪卓冢瑖娚涞郊訜釥t爐膛，燃?xì)饬坑扇紵髑罢{(diào)節(jié)閥手動控制；助燃空氣依靠煙囪抽力，通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度控制。

傳統(tǒng)的燃?xì)馊紵鱊Ox排放量大多都在300 mg/m3左右，通過采用低過?？諝庀禂?shù)運行是一種降低NOx生成量的簡單方法[1]。優(yōu)點是無需對燃燒裝置做結(jié)構(gòu)改造，并有可能在降低NOx排放量的同時，提高加熱爐的運行效率。

為了驗證該觀點，本文開展CFD模擬研究。模擬計算時，燃燒器模型構(gòu)建為一根DN 25 mm管子，端部為9個直徑2 mm的圓孔，熱功率50 kW；加熱爐構(gòu)建為直徑200 mm的燃燒室， 排煙口直徑為100 mm。燃燒器頭部至排煙口距離為1 000 mm，且假定燃燒器頭部橫截面處空氣、燃?xì)馑俣染鶆?。模擬時，燃?xì)庥眉兗淄橛嬎悖細(xì)鉁囟葹?7 ℃，管內(nèi)燃?xì)饬魉贋?.4 m/s；環(huán)境溫度為20 ℃，空氣流速則根據(jù)不同過?？諝庀禂?shù)計算得到。

模型計算網(wǎng)格劃分時采用icem非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對燃燒器頭部局部加密。Fluent模擬計算時，采用基于壓力的分離求解器，設(shè)置重力工況與能量方程，選擇K-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、DO輻射傳熱模型和通用有限速率渦耗散模型，并開啟NOx生成模型選項。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法與二階迎風(fēng)格式。燃燒室壁面設(shè)置為恒溫(315 K)狀態(tài)，排煙口環(huán)境為大氣。

式中:“∝”表示“等價于”, 0<λ> <1 為遺忘因子。但由于無法獲得{yk,i},問題(P1)很難直接求解?？紤]到條件概率密度函數(shù) p(dk,i|yk,i)與 w不相關(guān),可得從而λ

② NOx排放模擬結(jié)果分析

在不同過?？諝庀禂?shù)下燃燒工況模擬計算后，對排煙口的CO和NOx排放量取平均值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即折算為煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為3.5 %時的CO和NOx的排放量(單位為mg/m3)。標(biāo)準(zhǔn)化處理后CO和NOx排放量隨過?？諝庀禂?shù)的變化見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化處理后CO和NOx隨過?？諝庀禂?shù)的變化

從計算結(jié)果可以看出，過剩空氣系數(shù)為1.1～1.5范圍內(nèi)，減小過?？諝庀禂?shù)可以減少NOx的排放，但CO排放量會增大。這與我們一般對NOx生成規(guī)律的認(rèn)知有所區(qū)別，即減小過?？諝庀禂?shù)雖然提高了整體爐溫，卻減少了氮氧化物的排放。這是因為對于擴散式燃燒，減少助燃空氣量，減緩了燃?xì)馀c空氣的擴散混合速度，于是更多比例的燃?xì)庠诖笥诨瘜W(xué)計量比下發(fā)生反應(yīng)，從而降低了反應(yīng)區(qū)的燃燒溫度，顯然這有助于NOx排放的減少。但與此同時，空氣的不足造成更嚴(yán)重的不完全燃燒。如果這些不完全燃燒產(chǎn)物能再次與一定量的空氣燃燒發(fā)生反應(yīng)，可以大大減少CO的排放，這也是區(qū)域分級燃燒作為低氮燃燒技術(shù)的理論依據(jù)。遺憾的是擴散式燃燒器所需的助燃空氣依靠煙囪抽力引入，其動力有限，無法對助燃空氣分級控制，較難在一個燃燒器上形成不同空燃比的燃燒區(qū)域。

對于擴散式燃燒器，通過優(yōu)化擴散燃燒器噴嘴形式和結(jié)構(gòu)尺寸，其最佳排放只能為70 mg/m3[14]；增加濃淡區(qū)域的分級燃燒，其氮氧化物的排放也只能在60 mg/m3左右[3]，均不能滿足當(dāng)前的排放要求。

3 加熱爐的低氮燃燒技術(shù)方案

尋找小型單井燃?xì)饧訜釥t低氮排放技術(shù)方案所遵循的基本原則是技術(shù)可靠、經(jīng)濟可行。文獻(xiàn)[15]介紹了采用煙氣再循環(huán)技術(shù)能把NOx排放量基本控制在40～50 mg/m3，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。但煙氣再循環(huán)燃燒器系統(tǒng)較復(fù)雜，適合較大熱功率的燃燒器，通常應(yīng)用于熱功率在350 kW以上的情況[11]。

文獻(xiàn)[16]介紹了熱功率為50 kW全預(yù)混燃燒器的NOx排放性能，過?？諝庀禂?shù)越大，NOx排放量越低，在過?？諝庀禂?shù)1.4時，NOx排放量小于31 mg/m3。

通過比較，無論從NOx的減排潛力、系統(tǒng)的經(jīng)濟性，還是燃燒器熱功率，全預(yù)混燃燒技術(shù)更適合小型單井燃?xì)饧訜釥t的工況要求?；诖?，本文對全預(yù)混燃燒器進(jìn)行CFD模擬計算分析。

① 物理模型及計算結(jié)果

單井燃?xì)饧訜釥t的全預(yù)混燃燒器模型設(shè)計為內(nèi)燃式，環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)直徑為125 mm，長度為100 mm；加熱爐爐膛直徑為200 mm，壁厚10 mm,長為1 650 mm，煙道出口直徑為100 mm，假定混合均勻的燃?xì)饪諝饣旌衔飶?0 mm×4 mm的密布的矩形環(huán)縫中勻速噴出。全預(yù)混燃燒器模型尺寸見圖2。

圖2 全預(yù)混燃燒器模型尺寸

模擬計算時，邊界條件和湍流、輻射等模型設(shè)定與擴散式燃燒器相同。本文分別計算了2組工況：不同過剩空氣系數(shù)(燃?xì)饪諝饣旌衔餃囟葹?7 ℃)和不同混合氣初始溫度(過?？諝庀禂?shù)為1.5)下的NOx排放量。全預(yù)混燃燒器不同過?？諝庀禂?shù)下的NOx排放量見圖3，全預(yù)混燃燒器不同混合氣初始溫度下的NOx排放量見圖4，過?？諝庀禂?shù)為1.5、混合氣初始溫度為150 ℃時的爐膛內(nèi)溫度分布云圖見圖5。

圖3 全預(yù)混燃燒器不同過?？諝庀禂?shù)下的NOx排放量

圖4 全預(yù)混燃燒器不同混合氣初始溫度下的NOx排放量

圖5 過剩空氣系數(shù)為1.5、混合氣初始溫度為150 ℃時爐膛內(nèi)溫度分布云圖

由圖3～5可以看出，全預(yù)混式燃燒的高溫區(qū)域相對較小，溫度更均勻，局部高溫點明顯減少。高過?？諝庀禂?shù)可以有效地降低燃燒溫度，過?？諝庀禂?shù)越大，NOx排放量越低；同樣，燃?xì)饪諝饣旌衔锏某鯗匾矔绊慛Ox排放量，初始溫度越低，NOx排放量越小。

② 全預(yù)混燃燒低氮排放的技術(shù)要求

理想狀態(tài)下，燃?xì)夂涂諝庠诎l(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前已經(jīng)混合均勻，因此燃燒溫度也均勻，圖5中的溫度分布變化是因為燃燒反應(yīng)后高溫?zé)煔膺呄蚯斑\動邊放熱(輻射傳熱)造成。因此對于全預(yù)混燃燒器來講，實現(xiàn)NOx排放量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵是控制燃燒溫度。

燃?xì)馊紵臏囟萾c可以用下式表示[17]：

式中tc——燃?xì)馊紵郎囟龋?/p>

Hi——燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3

cg——燃?xì)? ℃～tp平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

α——過?？諝庀禂?shù)

ca1——空氣0 ℃～tp平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

tp——燃?xì)饪諝饣旌衔锶紵俺跏紲囟?，?/p>

cf——理論煙氣0 ℃～tc平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

ca2——空氣0 ℃～tc平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

從上式可以看出，由于燃燒溫度tc遠(yuǎn)大于混合氣初始溫度tp，所以過剩空氣系數(shù)α增大，燃燒溫度tc減小,有助于NOx排放量降低；而tp增大則燃燒溫度tc升高，不利于NOx排放量降低。

因此，研發(fā)出能適應(yīng)油田氣質(zhì)在高過?？諝庀禂?shù)下穩(wěn)定運行的全預(yù)混燃燒器是單井燃?xì)饧訜釥t低氮改造成功的關(guān)鍵。具體來講，全預(yù)混燃燒器應(yīng)滿足以下條件：

a.能在高過?？諝庀禂?shù)下穩(wěn)定運行；b.有良好的燃燒器頭部隔熱措施，即控制好燃?xì)饪諝饣旌蠚獬跏紲囟?；c.有較理想的燃?xì)饪諝饣旌暇鶆蛐浴?/p>

實際上，初步研發(fā)的全預(yù)混燃燒器經(jīng)測試，完全能滿足50 mg/m3的排放量要求。

4 結(jié)論

① 自然引風(fēng)擴散式燃燒器可以通過減小過?？諝庀禂?shù)的方法降低NOx排放量，理論上可以勉強滿足NOx的排放量達(dá)標(biāo)要求，但無法同時實現(xiàn)CO排放量達(dá)標(biāo)。

② 由于自然引風(fēng)擴散式燃燒器沒有自動點火和熄火保護(hù)功能，已不符合污染物排放量達(dá)標(biāo)要求，小型單井燃?xì)饧訜釥t的燃燒器應(yīng)采用全預(yù)混燃燒技術(shù)進(jìn)行低氮改造。

③ 小型單井燃?xì)饧訜釥tNOx排放量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵為研發(fā)出能適用于油田應(yīng)用場景的全預(yù)混燃燒器。