應(yīng)用計算流體力學(xué)研究低熱值火炬燃燒過程

于安峰，王 鵬，張杰東，黨文義

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 2660712.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

應(yīng)用計算流體力學(xué)研究低熱值火炬燃燒過程

于安峰1，2，王 鵬1，2，張杰東1，2，黨文義1，2

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島2660712.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島266071)

為獲得低熱值火炬安全設(shè)計及運行中所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用計算流體動力學(xué)的方法建立了低熱值火炬燃燒模型，對典型的低熱值火炬燃燒過程進行了模擬研究，得到了低熱值火炬氣燃燒產(chǎn)物分布、溫度場等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，低熱值氣體在燃燒過程中會產(chǎn)生NOx，其中主要為NO；NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx，低熱值火炬燃燒器設(shè)計時，應(yīng)注意采取措施降低熱力型NOx的產(chǎn)生。低熱值氣體燃燒時的CE和DRE均小于98%，因此低熱值火炬設(shè)計和運行時，應(yīng)考慮燃燒效率的問題，通過摻燒或伴燒的方法提高其燃燒效率。

低熱值火炬 燃燒 氮氧化物 燃盡率 破壞去除率

火炬系統(tǒng)是煉化企業(yè)重要的安全措施之一[1]，其主要作用是在開停工以及非正常工況下將各裝置排放的烴類火炬氣及時的燃燒排放。如果火炬燃燒效率低，烴類火炬氣及酸性氣不能完全燃燒，就會形成可燃及有毒氣云，給煉廠及周邊帶來安全和環(huán)境風(fēng)險。從調(diào)研情況看，目前煉廠火炬系統(tǒng)確實存在燃燒效率低的問題。而低熱值氣體中可燃氣體含量相對較少，發(fā)熱量低，著火燃燒及穩(wěn)定性較差[2]，更難以獲得理想的燃燒效率。火炬能否安全環(huán)保的燃燒成為世界關(guān)注的焦點之一[3]。目前，國內(nèi)尚無針對低熱值火炬燃燒過程的研究，低熱值火炬安全設(shè)計及運行中所需的溫度場、燃燒產(chǎn)物濃度場及燃燒效率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)掌握在國外火炬供應(yīng)商手中。因此，開展低熱值火炬氣體燃燒過程研究具有重要的意義。

1 CFD技術(shù)在火炬中應(yīng)用概況

火炬泄放工況復(fù)雜，火焰高度及熱輻射較大，開展火炬燃燒效率測試實驗的難度較大。計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是隨計算機發(fā)展而逐漸成熟的一項解決流體力學(xué)問題的技術(shù)，將數(shù)值方法運用在計算機中對流體力學(xué)的控制方程進行求解[4]。David采用CFD的方法對高速射流火炬在水平橫風(fēng)中的湍動燃燒過程進行了模擬[5]，并研究了消煙蒸汽/火炬氣及消煙空氣/火炬氣比值對燃燒效率的影響[6]。Kanwar等建立了一個包含50個組分的乙烯燃燒機理，并對火炬泄放速度、風(fēng)速、空氣計量系數(shù)、蒸汽/火炬氣比及火炬氣熱值等火炬參數(shù)進行了研究[7]。Kanwar還分別采用EDC模型和PDF模型對John Zink火炬燃燒實驗進行了CFD模擬，研究表明采用CFD的方法可以較為準確地預(yù)測火炬的燃燒效率[8]。Ajit采用多種煙灰模型對甲烷火炬燃燒時的黑煙生成過程進行了數(shù)值模擬，研究了熱輻射、空氣供應(yīng)量、燃料組成等對黑煙生成的影響[9]。本課題采用CFD的方法對低熱值火炬氣體的燃燒過程進行研究。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 控制方程

火炬泄放過程屬于噴射火，采用迪卡爾坐標，描述流體流動的控制方程[10]如下：

連續(xù)性方程:

動量方程:

能量方程:

組分傳遞方程:

2.2 湍流模型

當發(fā)生泄放事故時，大量火炬氣通過火炬燃燒器高速噴射出，屬于湍流流動。本文采用目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型為k-ε模型。

2.3 燃燒模型

湍流燃燒理論的中心任務(wù)是確定湍流狀態(tài)下的燃燒速率。具體表現(xiàn)為在控制方程中確定組分方程的源項，以實現(xiàn)方程組的封閉[10]。本文采用層流火焰面模型，該方法可用于處理非化學(xué)平衡狀態(tài)的體系。

2.4 燃燒機理

碳氫燃料的氧化燃燒過程是鏈式分支反應(yīng)，在研究反應(yīng)動力學(xué)機理時，需要考慮鏈的引發(fā)、傳播以及終止等過程。CH4作為天然氣的主要成分及低碳烴的代表，國內(nèi)外對其詳細反應(yīng)機理研究較多，其中GRI MEC 3.0是目前科研工作者認可度最高的CH4燃燒反應(yīng)機理，因此本文采用GRI MEC 3.0機理對泄放氣為CH4的火炬燃燒過程進行CFD模擬。

3 物理模型建立

火炬結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為減少計算時間，在綜合考慮計算精度和計算機仿真效率的情況下，對幾何模型進行了簡化，忽略了點火器、長明燈等對燃燒場影響較小的部件。計算中選取DN500的火炬，建立三維模型。計算域選300 m×300 m×200 m，可以保證火炬周邊的流場充分發(fā)展。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，在火炬頭附近及火焰溫度梯度變化較大的地方進行網(wǎng)格加密，在距火炬較遠的地方進行拉伸，總網(wǎng)格數(shù)約100萬。見圖1。

圖1 火炬物理模型及網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

4.1 低熱值火炬燃燒時的流場分析

對CH4體積含量為20%，N2含量為80%的低熱值泄放氣體，火炬頭處泄放速度為18 m/s時的燃燒過程進行了CFD模擬。模擬得到低熱值火炬燃燒時的CH4濃度分布如圖2所示，圖2中濃度為物質(zhì)的體積分數(shù)。由圖2可以看出反應(yīng)物從火炬頭流出后，濃度逐漸降低，受水平方向風(fēng)的影響，反應(yīng)物的流場產(chǎn)生了一定的傾斜。

圖2 火炬燃燒時的CH4濃度場

火炬燃燒時的O2濃度分布如圖3所示，圖中濃度為體積分數(shù)?；鹁骖^出口處一段區(qū)域內(nèi)，O2的濃度較低，而對比圖2可以看出，該區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物的濃度較高，造成反應(yīng)物過量，部分CH4燃燒產(chǎn)生CO，隨著距火炬頭距離的增大，反應(yīng)物濃度逐漸降低，O2濃度逐漸升高，生成的CO逐漸繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。

圖3 火炬燃燒時的O2濃度場

火炬燃燒時的CO濃度分布如圖4所示，圖中濃度為體積分數(shù)。由圖4可以看出CO主要分布在火炬頭出口附近區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)CH4濃度較高，而O2含量較低，造成CH4不完全燃燒產(chǎn)生CO，而隨著燃燒產(chǎn)物的擴散及風(fēng)的進入，O2含量逐漸升高，CO與O2繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。

圖4 火炬燃燒時的CO濃度場

火炬燃燒時的CO2和H2O濃度分布如圖5、圖6所示，可以看出CO2和H2O的濃度分布基本相同，均是在火炬出口處較低，隨著O2的進入，CH4逐漸反應(yīng)，CO2和H2O的濃度逐漸提高，隨著燃燒反應(yīng)的進行，CH4濃度逐漸降低，燃燒生成CO2和H2O的量逐漸低于風(fēng)的稀釋作用，CO2和H2O的濃度逐漸降低。

火炬燃燒過程中會有少量的NOx產(chǎn)生，如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，煙氣中NO的濃度最高可達293×10-6，而NO2的濃度最高為1.02×10-6，因此火炬燃燒生成的NOx主要為NO，NO2的量較少。費尼莫爾(Fenimore)[11]開展的碳氫燃料預(yù)混火焰的軸向NO分布實驗研究，結(jié)果表明在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成NO，于是起名為“快速”NO。燃料燃燒時產(chǎn)生CH原子團撞擊N2分子而生成CN類化合物，然后再被氧化成NOx。Miller等指出，“快速”NO的形成與3個因素有關(guān)：CH原子團的濃度及其形成過程、N2分子反應(yīng)生成氮化物的速率、氮化物間相互轉(zhuǎn)化率[12]。由圖9可以看出火炬燃燒時CH原子團的濃度較低，遠低于NO的濃度，因此“快速NO生成機理”不是低熱值火炬燃燒過程中NOx的生成的主要途徑。

圖5 火炬燃燒時的CO2濃度場

圖6 火炬燃燒時的H2O濃度場

圖7 火炬燃燒時的NO濃度場

圖8 火炬燃燒時的NO2濃度場

圖9 火炬燃燒時的CH原子團濃度場

模擬得到低熱值火炬氣燃燒的溫度場如圖10所示?？梢钥闯龌鹁娉隹谔?即內(nèi)焰)溫度較低，這是由于火炬出口處CH4濃度較高，與空氣接觸不充分，O2含量較低，CH4含量過剩，發(fā)生不完全燃燒。隨著距火炬出口距離的增加，O2含量逐漸升高，火焰溫度逐漸升高，到達最高值1 578K后，由于空氣的稀釋作用，溫度逐漸降低。水平風(fēng)使火焰產(chǎn)生了一定的傾斜，下風(fēng)向側(cè)火炬頭處溫度偏高，但火焰未到達火炬頭側(cè)壁處。對比圖7與圖9可以看出，NO濃度場與火炬燃燒場的高溫區(qū)基本一致，這說明NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx。

圖10 低熱值火炬燃燒溫度場

4.2 低熱值火炬燃燒效率

燃燒效率是火炬最重要的參數(shù)之一，燃燒效率低則會造成環(huán)境污染，嚴重時可形成可燃及有毒氛圍，造成人員及財產(chǎn)損失。衡量火炬燃燒效率主要有兩個指標：燃盡率(Combustion Efficiency，簡稱CE)和破壞去除率(Destruction and Removal Efficiencies，簡稱DRE)。燃盡率(CE)是指火炬氣中完全轉(zhuǎn)化為CO2的燃料所占的比例，其計算公式如下：

破壞去除率(DRE)表示火炬氣中燃料氣分解破壞的比例，其計算公式如下：

一般認為火炬的燃燒效率應(yīng)高于98%，但對于采用CE還是DRE，我國標準并未涉及，文獻資料中的說法并不統(tǒng)一，美國要求火炬的DRE應(yīng)高于98%，而有些文獻認為火炬的CE應(yīng)高于98%。由上述公式可以看出，CE要小于或等于DRE，由于對燃燒效率的認知并不統(tǒng)一，本文對低熱值氣體的CE和DRE均進行研究。

通過對出口處各組分的含量進行積分，求得CH4體積含量為20%，N2含量為80%的低熱值泄放氣體的燃燒效率如表1所示。由表1可以看出，低熱值火炬氣燃燒時，DRE高于CE，兩者相差0.69%。但兩者均低于98%，不符合要求。因此對于低熱值火炬，設(shè)計及運行時應(yīng)注意其燃燒效率，可通過摻燒或伴燒的方法提高其效率。

表1 低熱值火炬氣燃燒效率 %

5 結(jié)論

a)采用CFD的方法建立了低熱值火炬燃燒模型，對典型的低熱值火炬燃燒過程進行了模擬，得到了低熱值火炬氣燃燒產(chǎn)物分布、溫度場及燃燒效率等火炬安全設(shè)計及運行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b)低熱值氣體在燃燒過程中會產(chǎn)生NOx，其中主要為NO，NO2的量較少。

c)NO濃度場與火炬燃燒場的高溫區(qū)基本一致，這說明NO主要是由N2在高溫下氧化而生成的，即熱力型NOx。低熱值火炬燃燒器設(shè)計時，應(yīng)注意采取措施降低熱力型NOx的產(chǎn)生。

d)低熱值氣體燃燒時的CE和DRE均小于98%，因此低熱值火炬設(shè)計和運行時，應(yīng)考慮燃燒效率的問題，可通過摻燒或伴燒的方法提高其燃燒效率。

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StudyontheCombustionofLowCalorificValueGasFlareUsingCFDTechnology

Yu Anfeng1,2，Wang Peng1,2，Zhang Jiedong1,2，Dang Wenyi1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao 266071)

In order to obtain the key parameters for the safety design and operation of low calorific value gas flare the combustion model of low calorific value gas flare was built. The typical combustion of low calorific value gas flare was simulated, and the temperature field, concentration field of combustion products and combustion efficiency were obtained. The result showed that NOx was produced in the combustion of low calorific value gas flare, and NO is the primary ingredient of NOx. The NO was produced by N2 oxidation at high temperature, which was thermal NOx. So measures should be taken in the design and operation of low calorific value gas flare to control the generation of thermal NOx. The CE and DRE were both lower than 98%, so the combustion efficiency should be considered in the design and operation of low calorific value gas flare. And the combustion efficiency could be improved by blended combustion or co-combustion.

low calorific value gas flare; combustion; NOx; CE; DRE

2016-04-18

于安峰，高級工程師，注冊安全工程師，注冊安全評價師，2008年畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在中國石化安全工程研究院從事風(fēng)險評估、火炬及燃燒安全方面的工作。