張連杰，張同哲，張江輝，崔建波，隋春杰

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.中國(guó)石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營(yíng) 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(chǎn)過(guò)程排出來(lái)的低熱值、可燃、有害氣體。炭黑尾氣包含的化學(xué)熱占炭黑總能量的51.1%，其熱值約為2 512.08～3 140.1 kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))。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?xì)怏w，占總尾氣量的20%～23%。炭黑尾氣中的可燃?xì)庵苯优欧艜?huì)導(dǎo)致自然環(huán)境破壞，對(duì)人類(lèi)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(guó)內(nèi)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(chǎn)和生活使用。近年來(lái)采用尾氣發(fā)電的炭黑企業(yè)約占我國(guó)炭黑企業(yè)的80%[4]。炭黑尾氣發(fā)電成為企業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。然而，燃料中含氮量較多導(dǎo)致炭黑尾氣燃燒后氮氧化物超標(biāo)嚴(yán)重。采用煙氣后處理技術(shù)例如現(xiàn)階段在大型鍋爐中的催化還原脫硝(SCR)法對(duì)氮氧化物進(jìn)行處理存在催化劑易失效、投資運(yùn)行費(fèi)用高等弊端[5]。在炭黑尾氣燃燒設(shè)備中采用先進(jìn)低氮燃燒技術(shù)，能夠從根源上減少氮氧化物的產(chǎn)生與排放。在低氮燃燒改造時(shí)，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(fù)雜，燃燒產(chǎn)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(shù)，通過(guò)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(lèi)燃燒設(shè)備中的低污染燃燒技術(shù)主要圍繞降低燃燒溫度、減少反應(yīng)區(qū)大小、減少煙氣停留時(shí)間以減少熱力型NOx的生成開(kāi)展，同時(shí)考慮通過(guò)初期快速混合以減少快速型NOx生成。其主要技術(shù)包括分級(jí)燃燒[8](包括空氣分級(jí)、燃料分級(jí))、貧燃預(yù)混燃燒[9]、煙氣再循環(huán)[10]、無(wú)焰燃燒[11]、旋流燃燒[12]、多孔介質(zhì)[13]等。多種燃燒技術(shù)可組合應(yīng)用，利用復(fù)合型燃燒技術(shù)減少污染物排放[14]。

牛芳[15]對(duì)58 MW煤粉工業(yè)鍋爐火上風(fēng)空氣分級(jí)低氮改造，在雙錐燃燒器及爐內(nèi)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(duì)圓柱形甲烷燃燒爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，認(rèn)為采用環(huán)形加外圍多股空氣入口的結(jié)構(gòu)可顯著降低出口NOx的排放。許鑫瑋、譚厚章等人[17]設(shè)計(jì)一款用于煤粉工業(yè)鍋爐的新型預(yù)燃式低氮旋流燃燒器，并在25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了一次風(fēng)率、二次風(fēng)配比、旋流葉片角度等對(duì)NOx排放和燃燒效率的影響。實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)了燃?xì)?空氣雙分級(jí)低氮燃燒器，通過(guò)CFD軟件FLUENT建立低氮燃燒器三維數(shù)值模型，并進(jìn)行模型驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)NOx生成量的變化規(guī)律。目前，針對(duì)炭黑尾氣爐低氮燃燒技術(shù)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(jí)燃燒器，其中二次風(fēng)旋流角度和方向?qū)Φ趸锱欧盘匦缘挠绊懶柽M(jìn)一步研究。

研究基于某新型炭黑尾氣燃燒爐模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，并對(duì)不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同二次風(fēng)旋流角度及內(nèi)外旋流方向?qū)μ亢谖矚鉅t內(nèi)燃燒過(guò)程的影響，并通過(guò)爐內(nèi)流場(chǎng)分析及煙氣成分分析，選擇最佳設(shè)計(jì)方案，獲得尾氣燃燒爐內(nèi)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(wǎng)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(jí)的燃燒方法，炭黑尾氣由靠近中心的較大尺寸旋流器進(jìn)入燃燒爐，空氣一次風(fēng)及二次風(fēng)則分別從由內(nèi)向外的第二層及第三層旋流器進(jìn)入，燃盡風(fēng)則從燃燒爐壁面上開(kāi)設(shè)的燃盡風(fēng)入口進(jìn)入。在燃燒爐頭部保持富燃料燃燒，過(guò)量空氣系數(shù)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(xì)節(jié)圖以及總體網(wǎng)格劃分示意圖。圖1(a)中燃燒器中心為點(diǎn)火助燃噴嘴，由于在本研究中主要關(guān)注炭黑尾氣燃燒設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行階段，不涉及點(diǎn)火過(guò)程，故模擬過(guò)程中對(duì)此部分予以忽略。

對(duì)此模型采用四面體網(wǎng)格劃分，在噴嘴及燃燒等重點(diǎn)部位進(jìn)行尺度加密，研究分別獲得網(wǎng)格數(shù)為512萬(wàn)、1 130萬(wàn)和2 304萬(wàn)的三組網(wǎng)格，并對(duì)尾氣燃燒爐進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。512萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格獲得爐內(nèi)流場(chǎng)分布與其余兩種數(shù)量網(wǎng)格之間計(jì)算結(jié)果差異較大；1 130萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格和2 304萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格之間計(jì)算結(jié)果差異較小，但1 130萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格計(jì)算時(shí)間較短，因此研究后續(xù)將采用1 130萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

炭黑尾氣入口采用質(zhì)量流率邊界條件，質(zhì)量流率按照燃燒爐基準(zhǔn)工況設(shè)置為2.6 kg/s，溫度根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置為200 ℃，壓力為1 atm。所有空氣入口均采用質(zhì)量入口邊界條件，空氣總質(zhì)量流率為2.35 kg/s，空氣溫度為室溫25 ℃，壓力為1 atm，原始設(shè)計(jì)中尾氣旋流器的旋流角度為41°，一次風(fēng)旋流角度為35°，二次風(fēng)旋流角度為51°。燃燒爐在總過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的情況下運(yùn)行，一次風(fēng)、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)配比按照原始工況設(shè)置，即6∶3∶2。炭黑尾氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)按照工況如表1所示。

表1 炭黑尾氣成分 %

2 數(shù)值方法

燃燒室內(nèi)處于強(qiáng)旋流、強(qiáng)湍流狀態(tài)，模擬求解質(zhì)量及動(dòng)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(qiáng)，Pa;μ為流體動(dòng)力濃度，Pa·s。式(2)中的湍流應(yīng)力項(xiàng)采用Realizablek-ε模型?；?，此模型可對(duì)射流撞擊、分離流、二次流和旋流等復(fù)雜工況進(jìn)行適配。

因炭黑尾氣燃燒爐模擬網(wǎng)格數(shù)目較多，燃燒室內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，因而燃燒模型選用基于混合物分?jǐn)?shù)的小火焰面模型，此模擬被廣泛用于各類(lèi)擴(kuò)散燃燒設(shè)備的數(shù)值模擬研究，能覆蓋多種組分的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[19]，計(jì)算資源耗費(fèi)滿足工程實(shí)踐需求?；旌衔锓?jǐn)?shù)及其耗散率通過(guò)求解輸運(yùn)方程(3)和(4)得到。

(3)

(4)

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

研究數(shù)值模擬基于Fluent平臺(tái)運(yùn)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(jì)算需求。模擬計(jì)算運(yùn)行于青島科技大學(xué)虛擬仿真中心的高性能服務(wù)器，滿足研究龐大的計(jì)算需求。對(duì)模擬工況模擬計(jì)算運(yùn)行30 000步后，殘差小于0.0001且保持穩(wěn)定。此時(shí)進(jìn)出口流量已基本保持恒定且守恒。基于以上兩項(xiàng)依據(jù)判斷模擬已經(jīng)達(dá)到收斂，取得炭黑尾氣燃燒爐內(nèi)燃燒過(guò)程的最終模擬結(jié)果。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 二次風(fēng)旋流角度的影響

圖2展示了3種不同二次風(fēng)旋流角工況的旋流器幾何結(jié)構(gòu)。其中原始工況二次風(fēng)旋流角度為51°。S39工況和S33工況分別為二次風(fēng)旋流葉片與流向夾角為39°和33°。所有設(shè)計(jì)工況均按照原有策略重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)分別為1 130萬(wàn)、1 207萬(wàn)和1 211萬(wàn)。

圖2 不同二次風(fēng)旋流角幾何結(jié)構(gòu)

圖3給出了不同二次風(fēng)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(chǎng)整體結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(qiáng)，有利于完全燃燒。

圖3 不同二次風(fēng)旋流角下y=0截面軸向速度分布

圖4給出不同二次風(fēng)旋流角下y=0截面的溫度分布。

圖4 不同二次風(fēng)旋流角下y=0截面溫度分布

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

基于模擬數(shù)據(jù)，研究統(tǒng)計(jì)了燃燒爐出口處CO、NO和O2的摩爾濃度，并按照國(guó)標(biāo)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[22]中新建燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)折算為煙氣氧濃度3.5%的情況對(duì)CO和NO按照式(5)和式(6)進(jìn)行折算，折算結(jié)果如表2所示。

(5)

(6)

根據(jù)折算后的數(shù)值可以看出，在現(xiàn)有工況基礎(chǔ)上降低二次風(fēng)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(shè)計(jì)更有利于降低炭黑尾氣污染物排放。

3.2 內(nèi)外旋流方向的影響

圖5展示了3種不同內(nèi)外旋流方向工況的旋流器幾何結(jié)構(gòu)。其中原始工況為三個(gè)旋流器均同向，與流向夾角為39度。將二次風(fēng)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(shè)計(jì)工況均按照原有策略重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)分別為1 104萬(wàn)、1 211萬(wàn)和1 195萬(wàn)。計(jì)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(jié)構(gòu)

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(fēng)和尾氣旋流方向，對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)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(fēng)葉片旋向和尾氣旋流方向分別調(diào)至反向時(shí)，中央回流區(qū)變小，角回流區(qū)變大，由于蝸殼使空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)使角回流區(qū)沿中心軸分布不對(duì)稱(chēng)[23]，燃料與氧氣在上游主要摻混位置的改變，有利于加快燃?xì)夂涂諝馍郎厮俣群突旌?，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(kuò)散狀。RS39工況的燃燒區(qū)域在頭部廣泛展開(kāi)，使得燃燒室頭部區(qū)域附近溫度較低，利于降低NOx的產(chǎn)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(méi)有產(chǎn)生較好的結(jié)果。

圖7 不同旋向工況中截面溫速度分布

基于模擬數(shù)據(jù)，研究統(tǒng)計(jì)了燃燒爐出口處CO、NO和O2的摩爾濃度，并按照國(guó)標(biāo)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[22]中新建燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)折算為煙氣氧濃度3.5%的情況對(duì)CO和NO按照式(5)和式(6)進(jìn)行折算，折算結(jié)果如表4所示。

表4 不同旋向CO、NOx折算濃度

根據(jù)折算后的數(shù)值可以看出，在現(xiàn)有工況基礎(chǔ)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(dǎo)致CO大量排放。綜合考慮NOx和CO排放情況后，最終認(rèn)為RS39設(shè)計(jì)更有利于降低炭黑尾氣污染物排放。

4 結(jié) 論

本研究在新型炭黑尾氣燃燒爐模型已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次風(fēng)旋流角度和內(nèi)外旋流方向的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)炭黑尾氣爐內(nèi)燃燒過(guò)程分析，結(jié)果表明：

(1)研究利用數(shù)值模擬展示了炭黑尾氣燃燒爐內(nèi)部的速度及溫度分布情況，獲得合理流場(chǎng)和燃燒場(chǎng)，模擬結(jié)果對(duì)設(shè)備改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

(2)二次風(fēng)旋流角度對(duì)NOx及CO排放有顯著影響，采用二次風(fēng)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(fēng)旋流方向?yàn)?9°的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將尾氣旋流方向調(diào)至反向的工況能夠獲得更低的污染物排放，實(shí)現(xiàn)炭黑尾氣清潔高效利用。