基于煙氣再循環(huán)技術(shù)的燃?xì)庾⑵仩t數(shù)值模擬研究

王杰剛　史江　楊青　陸昌山　王建江　魏博

摘? 要：文章對(duì)燃?xì)庾⑵仩t進(jìn)行煙氣再循環(huán)技術(shù)的數(shù)值模擬研究，隨著煙氣再循環(huán)率的升高，爐膛內(nèi)燃?xì)馊紵淖罡邷囟绕骄陆导s60K，爐膛內(nèi)燃燒的高溫區(qū)面積不斷縮小，燃燒溫度區(qū)間分布逐漸均勻;隨煙氣循環(huán)率的升高NOx的含量逐漸下降，煙氣再循環(huán)率每降低5%，NOx濃度降低約11.6%，NOx的高濃度區(qū)域逐漸減少且NOx的高濃度區(qū)朝爐膛出口方向下移;煙氣再循環(huán)率逐漸升高，其爐內(nèi)CO含量逐漸降低。

關(guān)鍵詞：注汽鍋爐;煙氣再循環(huán)技術(shù);NOx排放;油田

中圖分類號(hào)：TK224? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0034-04

Abstract： In this paper， the numerical simulation of flue gas re-circulation technology is carried out on a gas injection boiler. With the increase of flue gas re-circulation rate， the maximum temperature of gas combustion in the furnace decreases by about 60 K on average， and the area of high temperature zone of combustion in the furnace decreases continuously. The distribution of combustion temperature range is gradually uniform. With the increase of the flue gas recycling rate， the content of NOx decreases gradually， and the high concentration area of NOx decreases gradually when the concentration of NOx decreases by 5% and 11.6%， and the high concentration area of NOx moves down to the furnace outlet direction; the flue gas recycling rate increases gradually， and the CO content in the furnace gradually decreases.

Keywords： steam-injection boiler; flue gas recycling technology; NOx emission; oil field

前言

油田注汽鍋爐是稠油熱采的專用設(shè)備，屬油田專用直流鍋爐。其產(chǎn)生的高溫、高壓濕飽和蒸汽注入油井加熱原油，降低稠油的粘度，改善稠油的流動(dòng)性，大幅度提高稠油的采收率。然而，目前注汽鍋爐由于隨著區(qū)域油田的不斷開采，需要對(duì)油田注汽，距離較遠(yuǎn)熱量損失及能源消耗較大，并且注汽鍋爐體積龐大，運(yùn)輸不便，難以在采油現(xiàn)場(chǎng)靈活運(yùn)用。因此注汽鍋爐小型化具有更加重要的意義[1]。

隨著國(guó)家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，鍋爐的NOx的排放指標(biāo)也越來越低。而對(duì)于注汽鍋爐在現(xiàn)有燃燒狀態(tài)下如何降低NOx含量越來越受到關(guān)注。目前鍋爐燃燒降低NOx含量技術(shù)主要有燃燒分級(jí)[2]、空氣分級(jí)[3]、煙氣再循環(huán)[4]等方法。在注汽鍋爐中煙氣再循環(huán)是指在鍋爐的尾部煙道引入一部分煙氣，將煙氣注入燃燒器內(nèi)以降爐內(nèi)NOx的一種方法。

現(xiàn)有研究表明煙氣再循環(huán)能夠有效降低爐內(nèi)NOx含量實(shí)現(xiàn)低氮燃燒[5-6]。但在注汽鍋爐中煙氣再循環(huán)技術(shù)降低NOx的具體數(shù)值研究較少，因此本文對(duì)某油田的燃?xì)庾⑵仩t進(jìn)行煙氣再循環(huán)技術(shù)的數(shù)值模擬研究，以獲得在不同煙氣再循環(huán)率下溫度以及NOx的含量。

1 研究對(duì)象

對(duì)新疆某注汽鍋爐進(jìn)行在不同循環(huán)倍率下的數(shù)值模擬工作，以研究煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)鍋爐燃燒后產(chǎn)生的NOx影響。注汽鍋爐型號(hào)為YZG22.5-14/360-G，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 網(wǎng)格劃分及模型選擇

采用SolidWorks對(duì)爐膛長(zhǎng)為12m，直徑為3m的注汽鍋爐進(jìn)行幾何劃分建模;采用ICEM對(duì)燃燒器幾何模型的網(wǎng)格進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，爐膛采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，然后將燃燒器和爐膛網(wǎng)格相互耦合，注汽鍋爐的幾何模型及網(wǎng)格如圖2所示。采用不同網(wǎng)格對(duì)鍋爐模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果如表1所示，綜合其氮氧化物生成量誤差和計(jì)算時(shí)間考慮選擇網(wǎng)格2作為仿真計(jì)算網(wǎng)格。

在模型選取中湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用通用速率模型模擬湍流和化學(xué)反應(yīng)的相互作用，輻射模型采用DO模型，污染物的生成只考慮熱力型NOx，采用概率密度函數(shù)（PDF）模型模擬氮氧化物的生成和化學(xué)反應(yīng)傳遞的作用。燃料入口和氧化劑入口設(shè)置為速度入口，爐膛出口設(shè)置為壓力出口邊界，其他為壁面邊界。選擇基于壓力的分離式求解器，并采用simple算法進(jìn)行壓力速度的耦合。

3 燃料特性選擇

注汽鍋爐燃料選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鍋爐燃料發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算，其天然氣發(fā)熱量為35996.36kJ/m3，天然氣主要成分CH4含量為91.02%，收到基其他烷烴類成分占比7.79%。

根據(jù)燃料特性選擇模擬仿真煙氣再循環(huán)率分別為0%、5%、10%、15%及10%進(jìn)行煙氣再循環(huán)，對(duì)采用不同煙氣再循環(huán)率后爐內(nèi)的溫度及氮氧化物含量等特性進(jìn)行分析。煙氣再循環(huán)組分與煙氣再循環(huán)率如表2所示。

4 結(jié)果分析

4.1煙氣再循環(huán)率對(duì)爐膛溫度影響

圖3為注汽鍋爐在不同煙氣循環(huán)率（FGR）下仿真模擬后的爐膛截面溫度云圖。由圖可知：煙氣再循環(huán)率從0%升高至20%，爐內(nèi)的最高溫度分別為2201.0K、2145.1K、2082.4K、2030.9K、1961.2K，隨著煙氣再循環(huán)率的升高爐內(nèi)溫度在降低，其中煙氣再循環(huán)率每提高5%，爐膛最高溫度平均下降60K左右;此外隨著煙氣再循環(huán)率的提高，爐內(nèi)高溫區(qū)在不斷縮小，高溫區(qū)域形狀隨著煙氣循環(huán)率的升高而降低，并且溫度分布呈現(xiàn)逐漸均勻化狀態(tài);

圖4為截面平均溫度隨爐膛長(zhǎng)度變化曲線。由圖可知，沿著煙氣流向位置的增加爐內(nèi)平均燃燒溫度先升高后下降，在爐膛位置約5m處，爐內(nèi)燃燒平均溫度最高，此處溫度約為1700K;煙氣再循環(huán)率為0%，Z截面上爐膛平均最高溫度為1728.4K，煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，Z截面上爐膛平均最高溫度為1689.2K，此處比煙氣再循環(huán)率為0%的Z截面上平均最高溫度低39K。煙氣再循環(huán)率每提高5%，Z截面平均最高溫度下降約10K。煙氣再循環(huán)率為0%時(shí)，爐膛出口煙溫1381K，煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，爐膛出口煙溫為1341K。

4.2 煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx影響

圖5為不同煙氣循環(huán)率下燃燒生成的NOx云圖。由圖可知：煙氣再循環(huán)升高后，爐膛內(nèi)NOx的高濃度區(qū)域減少，NOx的含量隨煙氣循環(huán)率的升高而下降，且NOx的高濃度區(qū)朝爐膛出口方向下移。這是由于煙氣再循環(huán)升高后，爐膛中水分增加導(dǎo)致爐內(nèi)溫度下降以及氧量降低使得生成的熱力型NOx濃度下降。爐膛中氮氧化物的高濃度區(qū)主要集中在爐膛4m～6m處，這與爐膛火焰溫度的高溫區(qū)分布規(guī)律一致。

在不同煙氣再循環(huán)率情況下，爐膛出口的NOx平均濃度如圖6所示。由圖可知：煙氣再循環(huán)率每提高5%，爐膛出口的NOx平均質(zhì)量濃度下降約11.6%。在不采用煙氣再循環(huán)技術(shù)時(shí)，爐膛出口NOx平均質(zhì)量濃度為189.27mg/m3，在煙氣再循環(huán)率升高至20%時(shí)，爐膛出口的NOx平均質(zhì)量濃度為101.64mg/m3，其氮氧化物質(zhì)量濃度下降了約46.3%。說明采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效降低氮氧化物的濃度。

4.3 煙氣再循環(huán)率對(duì)CO影響

圖7為沿爐膛長(zhǎng)度隨爐膛截面平均CO體積分?jǐn)?shù)曲線。由圖可知：煙氣再循環(huán)率相同時(shí)，在爐膛入口0m～1m處，爐內(nèi)CO的平均體積分?jǐn)?shù)最高，并且沿著煙氣流向的方向爐內(nèi)CO平均體積分?jǐn)?shù)迅速下降;當(dāng)煙氣再循環(huán)率從0%升高至20%時(shí)，爐膛入口處的CO平均體積分?jǐn)?shù)從0.025%升高到0.048%，在爐膛入口1m處，CO平均體積分?jǐn)?shù)則從0.0012%上升到0.0194%;爐內(nèi)CO的平均體積分?jǐn)?shù)隨著煙氣再循環(huán)的升高而升高，并且煙氣再循環(huán)率越高，爐內(nèi)CO平均體積分?jǐn)?shù)下降速率越低。

5 結(jié)論

（1）煙氣再循環(huán)率從0%升高至20%每升高5%，爐膛內(nèi)燃?xì)馊紵淖罡邷囟绕骄陆导s60K。爐膛內(nèi)燃燒的高溫區(qū)面積不斷縮小，火焰形狀隨著煙氣摻混比例增加而變長(zhǎng)，燃燒溫度區(qū)間分布逐漸均勻化，在爐膛長(zhǎng)度為5m處，爐膛燃燒的平均溫度最高。

（2）煙氣再循環(huán)率每提高5%，爐膛出口NOx的質(zhì)量濃度平均下降約11.6%，爐膛內(nèi)NOx的高濃度區(qū)域逐漸減少，NOx的含量隨煙氣循環(huán)率的升高而下降，且NOx的高濃度區(qū)朝爐膛出口方向下移。

（3）煙氣再循環(huán)率相同時(shí)，爐膛燃燒器噴口處CO的體積分?jǐn)?shù)最高，煙氣再循環(huán)率升高，爐膛入口處的CO體積分?jǐn)?shù)從0.025上升至0.048，隨著爐膛長(zhǎng)度的加長(zhǎng)CO體積分?jǐn)?shù)先快速下降后緩慢降低。

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