张连杰，张同哲，张江辉，崔建波，隋春杰

(1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.中国石化胜利油田有限公司河口采油厂，山东 东营 257200；3.青岛德固特节能装备股份有限公司，山东 青岛 266300)

炭黑尾气是在炭黑的生产过程排出来的低热值、可燃、有害气体。炭黑尾气包含的化学热占炭黑总能量的51.1%，其热值约为2 512.08～3 140.1 kJ/m3(标准)。炭黑尾气中一般含有一氧化碳、氢气、甲烷、乙炔、硫化氢等可燃气体，占总尾气量的20%～23%。炭黑尾气中的可燃气直接排放会导致自然环境破坏，对人类健康有害，并且造成大量的能量损失。利用炭黑尾气作为燃料燃烧的成本明显低于燃烧速率较低的天然气[1-3]。因此，国内炭黑企业利用炭黑尾气作为厂区余热锅炉能源消耗，满足生产和生活使用。近年来采用尾气发电的炭黑企业约占我国炭黑企业的80%[4]。炭黑尾气发电成为企业新的经济增长点。然而，燃料中含氮量较多导致炭黑尾气燃烧后氮氧化物超标严重。采用烟气后处理技术例如现阶段在大型锅炉中的催化还原脱硝(SCR)法对氮氧化物进行处理存在催化剂易失效、投资运行费用高等弊端[5]。在炭黑尾气燃烧设备中采用先进低氮燃烧技术，能够从根源上减少氮氧化物的产生与排放。在低氮燃烧改造时，容易引起炭黑尾气燃烧不充分[6]。炭黑尾气热值较低，成分复杂，燃烧产生的烟气含水率为30%，高出普通燃煤炉22%左右，若不完全燃烧，烟气中可含有炭黑粒子，加剧氮氧化物排放[7]。因此，发展新型炭黑尾气炉低污染燃烧技术，通过炭黑尾气充分燃烧，降低氮氧化物排放具有重要意义。

现有各类燃烧设备中的低污染燃烧技术主要围绕降低燃烧温度、减少反应区大小、减少烟气停留时间以减少热力型NOx的生成开展，同时考虑通过初期快速混合以减少快速型NOx生成。其主要技术包括分级燃烧[8](包括空气分级、燃料分级)、贫燃预混燃烧[9]、烟气再循环[10]、无焰燃烧[11]、旋流燃烧[12]、多孔介质[13]等。多种燃烧技术可组合应用，利用复合型燃烧技术减少污染物排放[14]。

牛芳[15]对58 MW煤粉工业锅炉火上风空气分级低氮改造，在双锥燃烧器及炉内创造了合理的贫氧还原区，具有良好的低氮效果。王菲等人[16]利用Fluent软件对圆柱形甲烷燃烧炉的燃烧过程进行数值模拟研究，认为采用环形加外围多股空气入口的结构可显著降低出口NOx的排放。许鑫玮、谭厚章等人[17]设计一款用于煤粉工业锅炉的新型预燃式低氮旋流燃烧器，并在25 t/h煤粉工业锅炉上进行实验，研究了一次风率、二次风配比、旋流叶片角度等对NOx排放和燃烧效率的影响。实验证明氮氧化物随着旋流角度的增大先减小后增加。侯翠翠、朱禹洲等人[18]设计了燃气-空气双分级低氮燃烧器，通过CFD软件FLUENT建立低氮燃烧器三维数值模型，并进行模型验证，模拟结果与实际情况较为吻合，能够较为准确地预测NOx生成量的变化规律。目前，针对炭黑尾气炉低氮燃烧技术的研究较少，特别是在其他燃烧器取得良好效果的空气分级燃烧器，其中二次风旋流角度和方向对氮氧化物排放特性的影响需进一步研究。

研究基于某新型炭黑尾气燃烧炉模型，进行结构改进与优化，并对不同工况进行数值模拟，分析不同二次风旋流角度及内外旋流方向对炭黑尾气炉内燃烧过程的影响，并通过炉内流场分析及烟气成分分析，选择最佳设计方案，获得尾气燃烧炉内稳定火焰及低氮燃烧，满足节能减排要求。

1 尾气炉几何模型及网格划分

新型炭黑尾气燃烧炉采用炭黑尾气-空气旋流、空气分级的燃烧方法，炭黑尾气由靠近中心的较大尺寸旋流器进入燃烧炉，空气一次风及二次风则分别从由内向外的第二层及第三层旋流器进入，燃尽风则从燃烧炉壁面上开设的燃尽风入口进入。在燃烧炉头部保持富燃料燃烧，过量空气系数小于1，从而降低火焰温度、保持还原性气氛，降低NOx排放。图1分别展示了喷嘴处细节图以及总体网格划分示意图。图1(a)中燃烧器中心为点火助燃喷嘴，由于在本研究中主要关注炭黑尾气燃烧设备稳定运行阶段，不涉及点火过程，故模拟过程中对此部分予以忽略。

对此模型采用四面体网格划分，在喷嘴及燃烧等重点部位进行尺度加密，研究分别获得网格数为512万、1 130万和2 304万的三组网格，并对尾气燃烧炉进行数值模拟进行网格无关性验证。512万数量的网格获得炉内流场分布与其余两种数量网格之间计算结果差异较大；1 130万数量的网格和2 304万数量的网格之间计算结果差异较小，但1 130万数量的网格计算时间较短，因此研究后续将采用1 130万数量的网格进行模拟。

炭黑尾气入口采用质量流率边界条件，质量流率按照燃烧炉基准工况设置为2.6 kg/s，温度根据实际工况设置为200 ℃，压力为1 atm。所有空气入口均采用质量入口边界条件，空气总质量流率为2.35 kg/s，空气温度为室温25 ℃，压力为1 atm，原始设计中尾气旋流器的旋流角度为41°，一次风旋流角度为35°，二次风旋流角度为51°。燃烧炉在总过量空气系数为1.1的情况下运行，一次风、二次风及燃尽风配比按照原始工况设置，即6∶3∶2。炭黑尾气中各组分的体积分数按照工况如表1所示。

表1 炭黑尾气成分 %

2 数值方法

燃烧室内处于强旋流、强湍流状态，模拟求解质量及动量守恒方程组，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：u为速度，m/s；ρ为密度，kg/m3；p为压强，Pa;μ为流体动力浓度，Pa·s。式(2)中的湍流应力项采用Realizablek-ε模型模化，此模型可对射流撞击、分离流、二次流和旋流等复杂工况进行适配。

因炭黑尾气燃烧炉模拟网格数目较多，燃烧室内化学反应过程复杂，因而燃烧模型选用基于混合物分数的小火焰面模型，此模拟被广泛用于各类扩散燃烧设备的数值模拟研究，能覆盖多种组分的详细化学反应机理[19]，计算资源耗费满足工程实践需求。混合物分数及其耗散率通过求解输运方程(3)和(4)得到。

(3)

(4)

式中：k为混合物的层流导热系数，W/(m·K)；cp为混合物体的比热容，J/(kg·K);σt为普朗特数；μt为湍流黏度，Pa·s；σt、cp、Cd分别为默认值0.85、2.86和2.0。为更准确反映燃烧器内燃烧过程以及NOx的生成过程，模拟所用燃烧机理选用GRI-Mech 3.0并耦合低温NOx生成机理。GRI-Mech 3.0机理包含53种组分，324步基元反应。低温NOx机理为Bell针对较低温度的燃烧工况提出，此机理在热力型NOx机理基础上，加入NNH及N2O中间体型NOx生成机理，全面考虑低温情况下NOx的生成过程，取得更准确计算结果[20-21]。将低温NOx生成机理替换掉GRI-Mech 3.0中NOx生成基元反应，更适用于此研究的低温燃烧工况。

研究数值模拟基于Fluent平台运行，采用三维双精度格式求解器，并采用二阶精度的离散格式，满足计算需求。模拟计算运行于青岛科技大学虚拟仿真中心的高性能服务器，满足研究庞大的计算需求。对模拟工况模拟计算运行30 000步后，残差小于0.0001且保持稳定。此时进出口流量已基本保持恒定且守恒。基于以上两项依据判断模拟已经达到收敛，取得炭黑尾气燃烧炉内燃烧过程的最终模拟结果。

3 模拟结果及分析

3.1 二次风旋流角度的影响

图2展示了3种不同二次风旋流角工况的旋流器几何结构。其中原始工况二次风旋流角度为51°。S39工况和S33工况分别为二次风旋流叶片与流向夹角为39°和33°。所有设计工况均按照原有策略重新划分网格，网格总数分别为1 130万、1 207万和1 211万。

图2 不同二次风旋流角几何结构

图3给出了不同二次风旋流角下y=0截面轴向速度分布。从图3看出，截面z轴方向速度分布和流场整体结构相似，具有中央回流区和角回流区。随着旋流角度的变小，角回流区逐渐远离喷嘴，中央回流区逐渐靠近喷嘴。回流区的变短能使燃烧室头部附近掺混加强，有利于完全燃烧。

图3 不同二次风旋流角下y=0截面轴向速度分布

图4给出不同二次风旋流角下y=0截面的温度分布。

图4 不同二次风旋流角下y=0截面温度分布

从图4看出，减小二次风旋流角度时，红色所显示的高温度区域略微减小。相对较低的温度会降低NOx的生成速率，对降低NOx排放有利。

基于模拟数据，研究统计了燃烧炉出口处CO、NO和O2的摩尔浓度，并按照国标《锅炉大气污染物排放标准》[22]中新建燃气锅炉标准折算为烟气氧浓度3.5%的情况对CO和NO按照式(5)和式(6)进行折算，折算结果如表2所示。

(5)

(6)

根据折算后的数值可以看出，在现有工况基础上降低二次风旋流角度可降低NOx排放，在模拟工况中，折算后S39工况的NOx和CO排放最低。S39工况和S33工况CO排放变化不大。综合考虑NOx和CO排放情况后，S39设计更有利于降低炭黑尾气污染物排放。

3.2 内外旋流方向的影响

图5展示了3种不同内外旋流方向工况的旋流器几何结构。其中原始工况为三个旋流器均同向，与流向夹角为39度。将二次风叶片旋向相反得到RS39工况；将尾气旋流方向反向得到RSW工况。所有设计工况均按照原有策略重新划分网格，网格总数分别为1 104万、1 211万和1 195万。计算方法、收敛条件等均与前一节中保持一致。

图5 不同旋向工况几何结构

图6给出了不同旋向工况中截面轴向速度分布。改变二次风和尾气旋流方向，对流场产生了明显的影响。在S39工况下，中央回流区比较明显。将二次风叶片旋向和尾气旋流方向分别调至反向时，中央回流区变小，角回流区变大，由于蜗壳使空气产生强烈旋转使角回流区沿中心轴分布不对称[23]，燃料与氧气在上游主要掺混位置的改变，有利于加快燃气和空气升温速度和混合，保持着火稳定，提高燃烧效率。

图6 不同旋向工况中截面轴向速度分布

图7给出了不同旋向工况中截面的温度分布。S39工况的燃烧区域集中在头部，呈现规则的扩散状。RS39工况的燃烧区域在头部广泛展开，使得燃烧室头部区域附近温度较低，利于降低NOx的产生。RSW工况的燃烧区域主要集中在头部较小的范围，燃烧不充分，没有产生较好的结果。

图7 不同旋向工况中截面温速度分布

基于模拟数据，研究统计了燃烧炉出口处CO、NO和O2的摩尔浓度，并按照国标《锅炉大气污染物排放标准》[22]中新建燃气锅炉标准折算为烟气氧浓度3.5%的情况对CO和NO按照式(5)和式(6)进行折算，折算结果如表4所示。

表4 不同旋向CO、NOx折算浓度

根据折算后的数值可以看出，在现有工况基础上改变尾气旋流方向可降低NOx排放，并且在模拟工况中，折算后NOx排放总体变化不大。RSW工况虽然NOx排放最低，但燃烧不充分导致CO大量排放。综合考虑NOx和CO排放情况后，最终认为RS39设计更有利于降低炭黑尾气污染物排放。

4 结 论

本研究在新型炭黑尾气燃烧炉模型已有设计基础上进行二次风旋流角度和内外旋流方向的结构改进，并采用数值模拟方法对炭黑尾气炉内燃烧过程分析，结果表明：

(1)研究利用数值模拟展示了炭黑尾气燃烧炉内部的速度及温度分布情况，获得合理流场和燃烧场，模拟结果对设备改进具有指导意义。

(2)二次风旋流角度对NOx及CO排放有显著影响，采用二次风旋流方向与流向夹角为39 °的工况能有效降低污染物排放总量。

(3)在二次风旋流方向为39°的基础上进一步将尾气旋流方向调至反向的工况能够获得更低的污染物排放，实现炭黑尾气清洁高效利用。