炭黑尾氣燃燒爐污染物排放特性的數值模擬研究

張連杰，張同哲，張江輝，崔建波，隋春杰

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.中國石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營 257200；3.青島德固特節(jié)能裝備股份有限公司，山東 青島 266300)

炭黑尾氣是在炭黑的生產過程排出來的低熱值、可燃、有害氣體。炭黑尾氣包含的化學熱占炭黑總能量的51.1%，其熱值約為2 512.08～3 140.1 kJ/m3(標準)。炭黑尾氣中一般含有一氧化碳、氫氣、甲烷、乙炔、硫化氫等可燃氣體，占總尾氣量的20%～23%。炭黑尾氣中的可燃氣直接排放會導致自然環(huán)境破壞，對人類健康有害，并且造成大量的能量損失。利用炭黑尾氣作為燃料燃燒的成本明顯低于燃燒速率較低的天然氣[1-3]。因此，國內炭黑企業(yè)利用炭黑尾氣作為廠區(qū)余熱鍋爐能源消耗，滿足生產和生活使用。近年來采用尾氣發(fā)電的炭黑企業(yè)約占我國炭黑企業(yè)的80%[4]。炭黑尾氣發(fā)電成為企業(yè)新的經濟增長點。然而，燃料中含氮量較多導致炭黑尾氣燃燒后氮氧化物超標嚴重。采用煙氣后處理技術例如現(xiàn)階段在大型鍋爐中的催化還原脫硝(SCR)法對氮氧化物進行處理存在催化劑易失效、投資運行費用高等弊端[5]。在炭黑尾氣燃燒設備中采用先進低氮燃燒技術，能夠從根源上減少氮氧化物的產生與排放。在低氮燃燒改造時，容易引起炭黑尾氣燃燒不充分[6]。炭黑尾氣熱值較低，成分復雜，燃燒產生的煙氣含水率為30%，高出普通燃煤爐22%左右，若不完全燃燒，煙氣中可含有炭黑粒子，加劇氮氧化物排放[7]。因此，發(fā)展新型炭黑尾氣爐低污染燃燒技術，通過炭黑尾氣充分燃燒，降低氮氧化物排放具有重要意義。

現(xiàn)有各類燃燒設備中的低污染燃燒技術主要圍繞降低燃燒溫度、減少反應區(qū)大小、減少煙氣停留時間以減少熱力型NOx的生成開展，同時考慮通過初期快速混合以減少快速型NOx生成。其主要技術包括分級燃燒[8](包括空氣分級、燃料分級)、貧燃預混燃燒[9]、煙氣再循環(huán)[10]、無焰燃燒[11]、旋流燃燒[12]、多孔介質[13]等。多種燃燒技術可組合應用，利用復合型燃燒技術減少污染物排放[14]。

牛芳[15]對58 MW煤粉工業(yè)鍋爐火上風空氣分級低氮改造，在雙錐燃燒器及爐內創(chuàng)造了合理的貧氧還原區(qū)，具有良好的低氮效果。王菲等人[16]利用Fluent軟件對圓柱形甲烷燃燒爐的燃燒過程進行數值模擬研究，認為采用環(huán)形加外圍多股空氣入口的結構可顯著降低出口NOx的排放。許鑫瑋、譚厚章等人[17]設計一款用于煤粉工業(yè)鍋爐的新型預燃式低氮旋流燃燒器，并在25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐上進行實驗，研究了一次風率、二次風配比、旋流葉片角度等對NOx排放和燃燒效率的影響。實驗證明氮氧化物隨著旋流角度的增大先減小后增加。侯翠翠、朱禹洲等人[18]設計了燃氣-空氣雙分級低氮燃燒器，通過CFD軟件FLUENT建立低氮燃燒器三維數值模型，并進行模型驗證，模擬結果與實際情況較為吻合，能夠較為準確地預測NOx生成量的變化規(guī)律。目前，針對炭黑尾氣爐低氮燃燒技術的研究較少，特別是在其他燃燒器取得良好效果的空氣分級燃燒器，其中二次風旋流角度和方向對氮氧化物排放特性的影響需進一步研究。

研究基于某新型炭黑尾氣燃燒爐模型，進行結構改進與優(yōu)化，并對不同工況進行數值模擬，分析不同二次風旋流角度及內外旋流方向對炭黑尾氣爐內燃燒過程的影響，并通過爐內流場分析及煙氣成分分析，選擇最佳設計方案，獲得尾氣燃燒爐內穩(wěn)定火焰及低氮燃燒，滿足節(jié)能減排要求。

1 尾氣爐幾何模型及網格劃分

新型炭黑尾氣燃燒爐采用炭黑尾氣-空氣旋流、空氣分級的燃燒方法，炭黑尾氣由靠近中心的較大尺寸旋流器進入燃燒爐，空氣一次風及二次風則分別從由內向外的第二層及第三層旋流器進入，燃盡風則從燃燒爐壁面上開設的燃盡風入口進入。在燃燒爐頭部保持富燃料燃燒，過量空氣系數小于1，從而降低火焰溫度、保持還原性氣氛，降低NOx排放。圖1分別展示了噴嘴處細節(jié)圖以及總體網格劃分示意圖。圖1(a)中燃燒器中心為點火助燃噴嘴，由于在本研究中主要關注炭黑尾氣燃燒設備穩(wěn)定運行階段，不涉及點火過程，故模擬過程中對此部分予以忽略。

對此模型采用四面體網格劃分，在噴嘴及燃燒等重點部位進行尺度加密，研究分別獲得網格數為512萬、1 130萬和2 304萬的三組網格，并對尾氣燃燒爐進行數值模擬進行網格無關性驗證。512萬數量的網格獲得爐內流場分布與其余兩種數量網格之間計算結果差異較大；1 130萬數量的網格和2 304萬數量的網格之間計算結果差異較小，但1 130萬數量的網格計算時間較短，因此研究后續(xù)將采用1 130萬數量的網格進行模擬。

炭黑尾氣入口采用質量流率邊界條件，質量流率按照燃燒爐基準工況設置為2.6 kg/s，溫度根據實際工況設置為200 ℃，壓力為1 atm。所有空氣入口均采用質量入口邊界條件，空氣總質量流率為2.35 kg/s，空氣溫度為室溫25 ℃，壓力為1 atm，原始設計中尾氣旋流器的旋流角度為41°，一次風旋流角度為35°，二次風旋流角度為51°。燃燒爐在總過量空氣系數為1.1的情況下運行，一次風、二次風及燃盡風配比按照原始工況設置，即6∶3∶2。炭黑尾氣中各組分的體積分數按照工況如表1所示。

表1 炭黑尾氣成分 %

2 數值方法

燃燒室內處于強旋流、強湍流狀態(tài)，模擬求解質量及動量守恒方程組，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：u為速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；p為壓強，Pa;μ為流體動力濃度，Pa·s。式(2)中的湍流應力項采用Realizablek-ε模型模化，此模型可對射流撞擊、分離流、二次流和旋流等復雜工況進行適配。

因炭黑尾氣燃燒爐模擬網格數目較多，燃燒室內化學反應過程復雜，因而燃燒模型選用基于混合物分數的小火焰面模型，此模擬被廣泛用于各類擴散燃燒設備的數值模擬研究，能覆蓋多種組分的詳細化學反應機理[19]，計算資源耗費滿足工程實踐需求?；旌衔锓謹导捌浜纳⒙释ㄟ^求解輸運方程(3)和(4)得到。

(3)

(4)

式中：k為混合物的層流導熱系數，W/(m·K)；cp為混合物體的比熱容，J/(kg·K);σt為普朗特數；μt為湍流黏度，Pa·s；σt、cp、Cd分別為默認值0.85、2.86和2.0。為更準確反映燃燒器內燃燒過程以及NOx的生成過程，模擬所用燃燒機理選用GRI-Mech 3.0并耦合低溫NOx生成機理。GRI-Mech 3.0機理包含53種組分，324步基元反應。低溫NOx機理為Bell針對較低溫度的燃燒工況提出，此機理在熱力型NOx機理基礎上，加入NNH及N2O中間體型NOx生成機理，全面考慮低溫情況下NOx的生成過程，取得更準確計算結果[20-21]。將低溫NOx生成機理替換掉GRI-Mech 3.0中NOx生成基元反應，更適用于此研究的低溫燃燒工況。

研究數值模擬基于Fluent平臺運行，采用三維雙精度格式求解器，并采用二階精度的離散格式，滿足計算需求。模擬計算運行于青島科技大學虛擬仿真中心的高性能服務器，滿足研究龐大的計算需求。對模擬工況模擬計算運行30 000步后，殘差小于0.0001且保持穩(wěn)定。此時進出口流量已基本保持恒定且守恒。基于以上兩項依據判斷模擬已經達到收斂，取得炭黑尾氣燃燒爐內燃燒過程的最終模擬結果。

3 模擬結果及分析

3.1 二次風旋流角度的影響

圖2展示了3種不同二次風旋流角工況的旋流器幾何結構。其中原始工況二次風旋流角度為51°。S39工況和S33工況分別為二次風旋流葉片與流向夾角為39°和33°。所有設計工況均按照原有策略重新劃分網格，網格總數分別為1 130萬、1 207萬和1 211萬。

圖2 不同二次風旋流角幾何結構

圖3給出了不同二次風旋流角下y=0截面軸向速度分布。從圖3看出，截面z軸方向速度分布和流場整體結構相似，具有中央回流區(qū)和角回流區(qū)。隨著旋流角度的變小，角回流區(qū)逐漸遠離噴嘴，中央回流區(qū)逐漸靠近噴嘴?；亓鲄^(qū)的變短能使燃燒室頭部附近摻混加強，有利于完全燃燒。

圖3 不同二次風旋流角下y=0截面軸向速度分布

圖4給出不同二次風旋流角下y=0截面的溫度分布。

圖4 不同二次風旋流角下y=0截面溫度分布

從圖4看出，減小二次風旋流角度時，紅色所顯示的高溫度區(qū)域略微減小。相對較低的溫度會降低NOx的生成速率，對降低NOx排放有利。

基于模擬數據，研究統(tǒng)計了燃燒爐出口處CO、NO和O2的摩爾濃度，并按照國標《鍋爐大氣污染物排放標準》[22]中新建燃氣鍋爐標準折算為煙氣氧濃度3.5%的情況對CO和NO按照式(5)和式(6)進行折算，折算結果如表2所示。

(5)

(6)

根據折算后的數值可以看出，在現(xiàn)有工況基礎上降低二次風旋流角度可降低NOx排放，在模擬工況中，折算后S39工況的NOx和CO排放最低。S39工況和S33工況CO排放變化不大。綜合考慮NOx和CO排放情況后，S39設計更有利于降低炭黑尾氣污染物排放。

3.2 內外旋流方向的影響

圖5展示了3種不同內外旋流方向工況的旋流器幾何結構。其中原始工況為三個旋流器均同向，與流向夾角為39度。將二次風葉片旋向相反得到RS39工況；將尾氣旋流方向反向得到RSW工況。所有設計工況均按照原有策略重新劃分網格，網格總數分別為1 104萬、1 211萬和1 195萬。計算方法、收斂條件等均與前一節(jié)中保持一致。

圖5 不同旋向工況幾何結構

圖6給出了不同旋向工況中截面軸向速度分布。改變二次風和尾氣旋流方向，對流場產生了明顯的影響。在S39工況下，中央回流區(qū)比較明顯。將二次風葉片旋向和尾氣旋流方向分別調至反向時，中央回流區(qū)變小，角回流區(qū)變大，由于蝸殼使空氣產生強烈旋轉使角回流區(qū)沿中心軸分布不對稱[23]，燃料與氧氣在上游主要摻混位置的改變，有利于加快燃氣和空氣升溫速度和混合，保持著火穩(wěn)定，提高燃燒效率。

圖6 不同旋向工況中截面軸向速度分布

圖7給出了不同旋向工況中截面的溫度分布。S39工況的燃燒區(qū)域集中在頭部，呈現(xiàn)規(guī)則的擴散狀。RS39工況的燃燒區(qū)域在頭部廣泛展開，使得燃燒室頭部區(qū)域附近溫度較低，利于降低NOx的產生。RSW工況的燃燒區(qū)域主要集中在頭部較小的范圍，燃燒不充分，沒有產生較好的結果。

圖7 不同旋向工況中截面溫速度分布

基于模擬數據，研究統(tǒng)計了燃燒爐出口處CO、NO和O2的摩爾濃度，并按照國標《鍋爐大氣污染物排放標準》[22]中新建燃氣鍋爐標準折算為煙氣氧濃度3.5%的情況對CO和NO按照式(5)和式(6)進行折算，折算結果如表4所示。

表4 不同旋向CO、NOx折算濃度

根據折算后的數值可以看出，在現(xiàn)有工況基礎上改變尾氣旋流方向可降低NOx排放，并且在模擬工況中，折算后NOx排放總體變化不大。RSW工況雖然NOx排放最低，但燃燒不充分導致CO大量排放。綜合考慮NOx和CO排放情況后，最終認為RS39設計更有利于降低炭黑尾氣污染物排放。

4 結 論

本研究在新型炭黑尾氣燃燒爐模型已有設計基礎上進行二次風旋流角度和內外旋流方向的結構改進，并采用數值模擬方法對炭黑尾氣爐內燃燒過程分析，結果表明：

(1)研究利用數值模擬展示了炭黑尾氣燃燒爐內部的速度及溫度分布情況，獲得合理流場和燃燒場，模擬結果對設備改進具有指導意義。

(2)二次風旋流角度對NOx及CO排放有顯著影響，采用二次風旋流方向與流向夾角為39 °的工況能有效降低污染物排放總量。

(3)在二次風旋流方向為39°的基礎上進一步將尾氣旋流方向調至反向的工況能夠獲得更低的污染物排放，實現(xiàn)炭黑尾氣清潔高效利用。