首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工业综合论文 > 有机化工论文 > 掺混方式对天然气窑炉掺氨燃烧影响的数值模拟研究

掺混方式对天然气窑炉掺氨燃烧影响的数值模拟研究

2024-11-25 76 上传者：管理员

摘要：文章通过数值模拟的方法研究了天然气窑炉掺氨燃烧及NO生成排放特性，重点考察了NH3、CH4不同掺混方式对窑炉内流场、温度场、NO浓度场等的影响。结果表明：NH3、CH4预混掺烧方式下炉内各燃烧器出口的速度场和温度场分布较为均匀，但由于NH3火焰与CH4火焰间强烈的耦合作用，预混掺烧下NO排放浓度高达9 790 mg/m3。在NH3、CH4非预混掺烧方式下，由于NH3火焰与CH4火焰间的耦合作用削弱，NO排放降幅达到75.6%～86.3%。在所有考虑工况范围内，采用NH3在前、CH4在后的掺烧方式（即工况5）既能保证炉膛较高的热利用效率，还能实现较低的NO排放，可作为窑炉掺氨燃烧的优选方案。

关键词：
NO排放
天然气窑炉
掺氨燃烧
数值模拟
绿色低碳转型
加入收藏

工信部近期发布的《“十四五”工业绿色发展规划》明确指出，能源绿色低碳转型将是工业领域碳达峰行动的重点改造任务，钢铁、水泥、建材等工业领域将大力实施高比例绿色燃料替代[1-4]。当前，以氢和氨为代表的新型零碳替代燃料已引起国内外广泛关注，有望成为高温工业领域绿色低碳转型的潜在途径[5-7]。

与氢相比，氨具有制备工艺成熟、压缩液化成本低、安全系数高等优势，将其与天然气掺烧可有力推动工业窑炉领域的“双碳”目标的实现。然而氨气的燃烧性质与天然气有显著差异，其着火温度高、燃烧速度慢，易发生难燃脱火以及燃烧不稳定等问题，同时由于自身含有氮元素，氨气燃烧会产生较多的燃料型氮氧化物[8]。因此，如何实现氨气与天然气的高效清洁掺烧是当前国内外共同面对的重点技术挑战。

图1 炉膛和燃烧器的主要尺寸

在燃烧特性方面，周永浩等[9]实验研究发现NH3预混旋流燃烧的贫燃及富燃极限分别为0.64～0.76和1.47～1.74,且燃烧极限范围随着燃烧器旋流数或旋流器叶片数的增加而变窄。王永倩[10]等实验研究指出，当NH3/CH4燃料中掺氨比大于60%时，火焰将出现振荡现象，进而诱发火焰吹熄。靳鹏飞[11]从化学发光测量的角度实验研究了NH3/CH4预混层流火焰特性，发现掺混燃料的火焰化学发光强度随着反应物总流量、掺氨比以及当量比的提高而增强。张君[12]通过对NH3/CH4燃烧进行数值模拟，分析发现掺氨将使燃烧室中的高温区域逐渐缩小，同时掺混区和冷却区域的整体燃烧温度下降，进而提高燃烧室出口的温度均匀性。目前，国内外已提出多种方法来提高氨气燃烧的稳定性，如与活性更高的燃料掺烧、采用预分解，以及使用富氧空气等[13]。

在氮氧化物(主要是NO)排放控制方面，Tu等[14]实验对比了NH3/CH4在预混和非预混旋流燃烧方式下的NO排放特性，发现两种模式均在40%掺氨比下达到NO排放峰值，同时非预混燃烧下的NO排放更低。Jin等[15]利用射流搅拌反应器实验考察了NH3/CH4的氧化特性，指出贫燃条件下存在强烈的NH3和CH4竞争氧化现象，且H2O和CO2的加入有利于抑制NO的生成。Xie等[16]通过数值模拟指出，采用新型MILD燃烧技术能降低NH3/CH4混烧过程中NO的排放，同时MILD燃烧方式下的温度场在掺氨比不大于75%时变化不明显。Okafor等[17]将空气分级燃烧技术用于NH3/CH4燃烧的NO排放控制，发现当一级燃烧室的当量比为1.30～1.35时，可将原始NO排放降低60%以上。

从上述研究可知，NH3/CH4燃烧及其NO排放与燃空混合方式以及操作条件有重要联系。然而，已有研究大多关注单燃烧器的NH3/CH4掺烧特性，所获结论无法直接应用于具有多喷嘴布置的工业窑炉场景。为此，文章将采用数值模拟的方法，研究多喷嘴窑炉中NH3/CH4的掺烧特性，重点分析燃料的掺混方式对炉内流场、温度场、NO浓度场分布以及NO排放的影响。

1、物理模型及数值模拟方法

1.1 物理模型

窑炉物理结构如图1(a)所示，其长度、宽度和高度分别为8 000、3 000和1 500 mm。沿炉膛长度方向分成燃烧区和烟气区，燃烧区两侧炉墙对称布置了4组燃烧器，间距为1 000 mm。假设炉膛的容积热负荷为200 kW/m3,计算得到炉膛总热负荷为4 800 kW,因此每支燃烧器的功率为600 kW。采用体积比例为1∶1的NH3/CH4混合物作为燃料，其对应的输入热量比例为2∶5。单支燃烧器的结构参数如图1(b)所示，其中400 ℃的预热空气经最外层旋流通道进入预燃室，旋流器角度为60°,燃料经内层环形通道进入预燃室，其尾端设置了60°的钝体，以提高燃烧器出口的火焰稳定性。

图2 数值模拟工况设置

1.2 数值模拟方法

首先采用Gambit软件对图1(a)所示的炉膛流动区域进行网格划分，使用size-function对炉膛和燃烧器关键区域进行了网格局部加密，整体计算域全部采用结构化网格进行划分，网格数量为50万。采用ANSYS Fluent软件作为计算仿真平台，考虑到燃烧器出口的旋流特性，使用Realizablek-ε模型求解湍流混合。对于燃烧反应过程，选取Okafor等[18]提出的NH3/CH4化学反应机理来描述燃料转化，同时采用涡耗散概念模型来处理湍流与化学反应间的相互作用。针对炉内的烟气辐射问题，考虑离散坐标DO模型来计算烟气的辐射传热，同时采用WSGG模型计算炉内烟气的吸收系数。值得说明的是，文章中所采用的上述模型和方法已在笔者以往的研究[19-20]中得到了验证。

1.3 计算工况

为了考察不同燃料掺混方式对NH3/CH4燃烧及排放特性的影响，设置了如图2所示的6种掺混工况。工况1为NH3、CH4预混掺烧，预混燃气均匀分配至每支燃烧器，工况2～6为NH3、CH4非预混掺烧。其中，工况2:CH4送入1号和3号燃烧器，NH3送入2号和4号燃烧器；工况3:CH4送入2号和4号燃烧器，NH3送入1号和3号燃烧器；工况4:CH4送入1号和2号燃烧器，NH3送入3号和4号燃烧器；工况5:CH4送入3号和4号燃烧器，NH3送入1号和2号燃烧器；工况6:NH3和CH4各从一侧均匀送入4支燃烧器。所有工况下炉膛的整体空气系数设置为1.2,同时每支燃烧器的局部空气系数也维持在1.2。

2、计算结果与分析

2.1 速度分布

不同工况下炉膛中心高度水平截面上的速度场分布如图3所示。在NH3/CH4完全预混方式下(工况1),由于燃料和空气处于均等分配模式，故燃烧器出口的气流动量和刚性均保持一致，流场结构十分相似。然而在非预混掺烧工况下，燃烧器出口的旋流区尺度明显不同。由于CH4完全燃烧所需的空气量远大于NH3,因此在CH4燃烧器出口形成更大尺度的旋转气流以及内回流区。在工况1～5下由于炉膛两侧燃烧器处于对称布置，气流在炉膛中心汇合后，方向发生偏转，形成指向出口方向的锥形对称流场。在工况6下，由于右侧CH4燃烧助燃空气量更大，因此形成了右侧速度高、左侧速度低的不对称流场结构。这种不对称的流场结构将导致炉膛左右两侧的对流换热强度不一致，进而影响产品加热质量，应该避免如工况6的掺烧方式。

图3 不同工况水平中心截面速度场分布

2.2 温度分布

不同燃料掺混方式的炉膛中心截面温度分布如图4所示。与速度场分布类似，水平截面上高温区面积大小也与燃料掺混方式有重要关系。工况1各燃烧器出口的高温区尺寸较为一致，工况2～6 CH4燃烧器出口的高温区面积明显比NH3燃烧器的更大，这容易导致炉内温度和热流分布不均匀，影响产品加热质量。值得说明的是，文章中NH3的整体体积掺混比为50%,其对应的热量占比仅为28.5%。因此非预混掺烧方式单支NH3燃烧器的热负荷仅为单支CH4燃烧器的28.5%。图4中工况1和工况4的1 400 K等温线完全包含在炉膛水平截面内，尤其是工况4的1 400 K等温线在接近7 000 mm的位置终止，而其他工况1的400 K等温线延伸至烟气出口以外。这表明工况1和工况4的烟气热量利用相较于其他工况更充分，即炉膛燃烧区的热量利用效率更高。

图4 不同工况水平中心截面温度场分布

图5 不同工况沿炉膛长度方向烟气平均温度分布

沿炉膛长度方向上烟气平均温度曲线分布如图5所示。各工况炉内温度呈现出周期性变化规律，4个温度峰值均出现在燃烧器布置位置。从6个工况整体温度分布曲线来看，最高温度在工况4下获得，且出现在2号燃烧器位置；同时，工况4的炉膛出口的排烟平均温度最低，其原因为该工况燃烧区的温度峰值较高，提高了火焰与壁面的辐射换热量，增加了热量利用效率。相反，工况6的排烟温度最高，表明非对称掺烧方式下炉膛热利用效率最低。

2.3 NO排放

燃料掺烧方式不仅影响炉内的速度场和温度场分布，还会改变CH4与NH3火焰之间的相互耦合作用，进而影响NO生成速率。各工况炉膛中心水平截面上的NO浓度场分布，如图6所示。工况1(即NH3与CH4预混)各燃烧器出口的NO浓度高达到1%,且随着中间产物的进一步转化，炉膛出口的NO浓度居高不下。在NH3、CH4非预混掺烧工况下，NO主要产生于NH3燃烧器，但相对于工况1浓度明显较低，因此炉内整体NO浓度有所下降。这是由于预混掺烧模式下，CH4火焰可为NH3火焰提供大量的OH、O自由基，这将促进NH3经过HNO路径向NO的转化[21]。在非预混掺烧模式下，CH4火焰与NH3火焰之间缺乏足够的CHi-NHi基团相互耦合作用，因此NO转化率较低。

图6 不同工况水平中心截面NO浓度场分布

6种工况炉膛出口的NO排放浓度如表1。值得说明的是，所有工况炉膛出口的CO、NH3、H2浓度都接近零，说明各工况的燃烧效率都接近100%。由表1可知，非预混掺烧工况的NO排放相对于预混掺烧工况的要降低75.6%～86.3%。其中，工况6的NO排放最低浓度，其次为工况5。考虑到工况6的炉膛热利用效率最低，同时炉内温度分布呈现出明显的左右不对称性，在实际应用中更加推荐工况5作为优选的NH3、CH4掺烧方案。分析其原因认为主要是因为NH3和CH4先后喷入炉膛削弱3C-H的交互反应，且NH3喷嘴优先布置的方式有利于促进下游CHi基团对上游NO的再燃还原作用，该再燃还原作用可以从图6工况5的2号和3号燃烧器之间的低NO区域看出。但仍然需要指出的是，直接将NH3与CH4在窑炉中进行掺烧，无论是采用预混还是非预混方式都难以达到现有环保政策的要求。因此，未来仍需进一步提出低氮燃烧技术(如空气分级)或者采用尾气脱硝。当采用尾气脱硝方案时，实施工况5的NH3与CH4非预混掺烧将相较于预混掺烧方案显著降低设备运行成本。

表1 炉膛出口NO排放浓度

3、结语

文章利用数值模拟方法研究了不同燃料掺混方式对天然气工业窑炉掺氨燃烧及其排放特性的影响规律，重点分析了炉膛内的流场、温度场以及NO浓度场的分布及其变化，从排烟温度以及NO排放浓度的角度确定了最佳的NH3掺混方式，主要的研究结论如下：

(1)NH3和CH4预混掺烧下各燃烧器出口的速度场和温度场较为一致，但非预混掺烧时CH4燃烧器出口的旋流尺度较大，且高温区范围较广，容易导致温度和热流分布的不均匀。

(2)不同掺烧方式下沿炉膛长度方向上的烟气温度分布呈现出周期性变化规律，其中工况4在燃烧器区域的温度峰值最高，增强了烟气与炉壁的辐射换热量，提高了热利用效率，因此其排烟温度最低。

(3)预混掺烧方式NH3火焰与CH4火焰间的耦合作用较强，CH4火焰产生的OH和O自由基促进了NH3向NO的转化率，因此采用非预混掺烧可削弱NH3火焰与CH4火焰的耦合作用，并有效降低NO排放75.6%～86.3%。

(4)采用NH3在前、CH4在后的顺序掺烧(即工况5)方式既能保证较高的热利用效率，又能获得较低的NO排放，可作为实际天然气窑炉掺氨燃烧的优选方案。

参考文献:

[1]《“十四五”工业绿色发展规划》.工业和信息化部,2021年11月15日.

[2]佟帅,艾立群,洪陆阔,等.微波-氢气协同还原在钢铁工业中的应用前景[J].钢铁,2023,58(10):151-162.

[3]王海风,平晓东,周继程,等.中国钢铁工业绿色发展回顾及展望[J].钢铁,2023,58(2):8-18.

[4]肖学文,王刚,李牧明,等.基于富氢/含碳煤气用于冶炼还原剂的减碳策略分析[J].中国冶金,2023,33(5):121-127.