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摘要：利用FLUENT软件对某石化炼油厂在用油-气联合燃烧器的燃料油入口喷射角度改进效果进行数值模拟研究，提出了4种结构改进方案，采用k-ε模型、P-1辐射模型、DPM离散相模型、污染物排放模型等对燃烧过程加以描述，得到了燃烧单元内的流场分布，推测出火焰的基本形状以及温度场分布等相关信息。模拟结果表明，调整燃料油的入口喷射角度为30°时能够强化燃料与助燃空气的混合效果，有效地降低火焰高度，减小燃烧炉内的局部高温区，降低氮氧化物排放量，提高燃料油与燃料气的利用率。
关键词：油-气联合燃烧器 管式加热炉 燃料油 喷射入口角度 数值模拟
1 概述
近年来受国际原油价格的上涨，渣油价格也随之提升，许多企业考虑到经济因素在原有燃油锅炉的基础上进行改造，把燃油燃烧器改成油-气联合燃烧器，Marek
■arlej[1]、王斌[2]等人根据实际现场情况针对燃油锅炉改成油气混烧锅炉后燃烧器的布置位置对于锅炉内的温度场、流场等参数的影响进行了研究。
根据实际调查，很多石油炼化工厂中实际烧的渣油和燃料气由于产量不稳定，也经常会把油-气联合燃烧器的气相喷孔或液相喷孔关闭一个单独使用气喷孔或油喷孔进行工作，关于这方面国内外学者[3-5]也做了大量的研究工作，这些研究主要是针对实际现场应用的某一台油-气联合燃烧器在应用中单独烧气的情况为研究对象，设计出新的喷嘴结构，优化了火焰的形状，减少了NOx的排放。
如何提高加热炉燃烧效率是多年来一直热门的课题。提高燃烧效率即改进燃烧效果，最直接有效的方法便是强化初始阶段燃料与助燃空气的混合效果。Sushenko[6]针对燃油的雾化进行了研究，对喷嘴结构进行了优化设计。Seong Cheon Kim和Young Nam Chun[7]对燃油燃烧器进行了研究，通过调整助燃空气流速、对反应物施加一定频率和振幅的外部振荡，从而增进了燃料与空气的混合，缩短了燃料在高温燃烧区的停留时间，最终达到降低NOx排放的目的。周桂娟[8]主要研究燃油燃烧器出口液雾燃烧的气液两相湍流流动、液雾扩散和蒸发、气相燃烧和传热、气体和液雾以及燃烧装置之间辐射传热等过程。任君[9]对宝钢集团热力分厂在用的旋流燃烧器进行了数值模拟研究。张财红[10]结合柱状燃烧室内液雾的实验研究，进行了不同旋流强度下液雾燃烧过程的数值模拟。
综上所述，目前国内外油-气联合燃烧器的研究都是针对单独烧油或气的情况，以及对配风方式和燃烧器布置的研究，对油-气联合燃烧器燃料油入口喷射角度研究的报道鲜见。本文结合生产实际，选用一台在役的油-气联合燃烧器，通过对其液态燃料入口喷射角度改进后的运行状况进行数值模拟，对燃烧单元内速度、温度场、火焰形状等信息的分析，验证了结构改进的合理性，对于工程实践具有一定的指导意义。
2 计算模型和边界条件确定
2.1 计算模型 计算模型的建立及网格划分在FLUENT前置软件gambit中进行。根据现场数据，建立如图1（a）所示燃烧单元整体模型，模型总高度17m，燃烧单元部分直径4m，顶部设置成圆台形出口，直径2m。燃烧器底部中心突出的部分顶端均匀分布着直径为4mm的燃料油入口，突出部分根部周围分布着如图1（b）所示的24个方形燃料气入孔，助燃空气分别从燃烧道底部和侧面两次供入。
本文通过模拟改进液体燃料喷射入口角度与原工况下的运行结果进行比较，在入口截面积大小不变的情况下，分别把燃料油入射口与竖直方向的夹角α设置成20°、25°、30°、35°、40°，其中25°出口是在用燃烧器的参数。如图2燃烧器部分采用Tet/Hybird网格，燃烧单元选择Hex/Wedge网格进行划分，整个模型划分约200万网格，网格数量能满足精度要求。
2.2 边界条件 燃料和助燃空气入口为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件，加热炉整体在负压下运行，炉膛、火道壁面设为定温壁面，温度800K，其他壁面简化为绝热壁面。
3 数学模型和计算条件
3.1 数学模型的设定 基于物理模型的复杂性，为燃烧器选择标准k-ε两方程湍流模型。考虑到湍流流动和化学反应之间的耦合，采用混合分数-概率密度函数模型（PDF模型）。辐射模型采用能够符合要求并且计算量较小的P-1辐射模型。采用污染物模型监测NOx的排放量。将燃料气视为连续相，液滴颗粒作为离散相，采用DPM喷射模型。在计算过程中考虑连续相与离散相的相互影响，跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失，这些量在计算连续相的时候将被作为原项。交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛为止，这样就实现了双向耦合计算。
3.2 计算条件 气体燃料成分为：C3H8占49.6%，C4H10占50.4%，液体燃料以柴油代替渣油，柴油是一种混合物，含有多种成分，主要以烷烃为主，其中正庚烷的含量约为12%，尽管正庚烷的物理性质与柴油有一定的区别，但它们的燃烧特性十分相似。过程空气系数取1.2。
4 模拟结果及讨论
4.1 流场及速度曲线 如图3所示为燃烧单元内部的流场。燃料在与氧气发生反应后产生的高温烟气经过燃烧道出口进入炉膛，通过辐射与周围布置的管道进行换热，在接近7米左右会产生负压，拉动高温烟气在炉膛内部产生回流，回流的面积和对称性会随着液体燃料喷射入口角度的变化产生一些差异，这主要是由于随着角度的变化炉膛入口的高温烟气速度会发生变化，速度慢的烟气抗干扰的能力较差导致烟气回流稳定性下降。回流面积的大小会直接影响燃烧单元内的温度分布状况。显而易见，当液体燃料入口角度为30°时的回流面积最大，这对于燃烧单元内的换热有利。
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图3 燃烧单元流场
4.2 CO质量分布 CO作为烃类燃料燃烧过程中的中间产物，我们可以用CO的质量分数分布来表征炉膛内的火焰形状。对于燃油燃烧器而言，要求火焰长度较短。一方面火焰长度过长容易造成燃油碰壁，产生严重的冒烟和燃烧不完全现象；另一方面，短火焰具有高温区域窄、火力集中、火焰温度高的优势、其燃烧效率高。 如图4所示为燃烧单元中心截面上CO的质量分数分布。在各种结构下燃料都能顺利的燃尽，但CO的分布面积有一定的差异，改进前CO要延续到7.5m左右才能燃尽，当减小燃料油入口喷射角度时，火焰的高度比改进前高，燃烧效果恶化，相反增加液体燃料喷射入口角度时，燃烧效果得到了优化，在角度为30°时，火焰的高度在7m左右，继续增大喷射入口角度时，火焰高度又开始提高，说明30°为燃料的最佳入射角度。在这一角度时，液体燃料、气体燃料、空气的混合最充分，这些都对燃料的燃烧起到了积极的作用，使燃烧过程变短，利于增加火焰的刚度和使炉膛内的温度场的分布更合理，防止偏烧。
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图4 燃烧单元内火焰形状
4.3 温度场分布 锅炉燃用渣油时，炉内的辐射成分除了CO2、H2O等三原子外，还有大量的液滴油雾和碳黑粒子存在，而这些粒子具有很强的辐射能力。这些油雾和粒子碳黑粒子也会对炉膛内部的温度分布有很大的影响。
燃烧器结构改进的最终目的是使炉膛的温度分布更加合理，如图5所示为燃烧器结构改进前后的温度场分布情况。在原始25°的结构下，炉膛内部10m位上下存在较大的局部高温区，这种情况一方面容易导致加热炉内炉管受热不均匀产生结焦现象，另一方面还助长了氮氧化物的生成，会对环境造成严重破坏。当减小喷射入口角度为20°时，局部高温区的面积扩大，燃烧单元内整体燃烧效果恶化。当增大燃料入口喷射入口角度以后都能达到改进优化炉膛温度分布的效果，喷射入口角度30°时，炉膛入口混合烟气的流速最高，燃料油，燃料气和空气的混合程度最优，火焰刚度强于其他结构，燃烧效果最理想。
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图5 燃烧单元内温度场分布
4.4 氮氧化物分布 大多数NOx形成于火焰温度达到峰值1538℃～1760℃的几秒内，也就是说，如果能够减小燃烧单元内的高温面积就能够有效的控制氮氧化物的生成，与前面的燃烧单元内温度分布相对应，从图6中可以看出，由于喷射入口角度为30°时炉膛内的高温区域面积比较小，所以在燃烧单元出口处的氧化物排放质量分数最小为0.0278%，而在火焰中心区域，虽然局部温度比较高，但是这个位置氧气浓度偏低，所以生成的氮氧化物会较少。
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图6 燃烧单元NOx排放质量分数ω
5 结论
综上所述，通过改进油-气联合燃烧器燃料油的喷射入口角度能够优化燃料与空气的混合，炉膛入口混合气的速度有了比较明显的提高，增加了火焰的刚度，大大降低了炉膛内部的局部高温区，减少氮氧化物的排放量，在提出的四种改进方案中，燃料油入口30°时对提高燃烧器燃烧效果的改进最为明显。
参考文献：
[1]张财红.漩流强度对液雾燃烧影响的数值模拟[D].天津：河北工业大学，2007.
[2]王斌.燃油锅炉改油气混烧炉内燃烧过程及NOx生成的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.
[3]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.
[4]G Colson，F peters，J De Ruyck. Experimental in-flame study of a 15MW dual fuel gas/oil burner.Fuel，1999，78（11）：1253-1261.
[5]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.
[6]Sushenko，leshchenko.Gas-oil burner for open-hearth furnace.Intermet Inzhiniring，2005，12：26-28.
[7]Seong Cheon Kim， Young Nam Chun. Improvement of combustion efficiency and reduction of NOx emission by external oscillation of reactants in an oil burner. Korean Journal of Chemical Engineering，2008，25：73-77.
[8]周桂娟，毛羽，王娟，逄晓明.燃油燃烧器出口液雾燃烧及NOx生成的数值模拟研究[J].石油炼制与化工，2007，38（2）：6-10.
[9]任君，缪正清，陈开潮.135t/h锅炉旋流燃烧器的数值模拟研究[J].宝钢技术，2007（5）：1-4.
[10]张财红.漩流强度对液雾燃烧影响的数值模拟[D].天津：河北工业大学，2007.
关键词：油-气联合燃烧器 管式加热炉 燃料油 喷射入口角度 数值模拟
1 概述
近年来受国际原油价格的上涨，渣油价格也随之提升，许多企业考虑到经济因素在原有燃油锅炉的基础上进行改造，把燃油燃烧器改成油-气联合燃烧器，Marek
■arlej[1]、王斌[2]等人根据实际现场情况针对燃油锅炉改成油气混烧锅炉后燃烧器的布置位置对于锅炉内的温度场、流场等参数的影响进行了研究。
根据实际调查，很多石油炼化工厂中实际烧的渣油和燃料气由于产量不稳定，也经常会把油-气联合燃烧器的气相喷孔或液相喷孔关闭一个单独使用气喷孔或油喷孔进行工作，关于这方面国内外学者[3-5]也做了大量的研究工作，这些研究主要是针对实际现场应用的某一台油-气联合燃烧器在应用中单独烧气的情况为研究对象，设计出新的喷嘴结构，优化了火焰的形状，减少了NOx的排放。
如何提高加热炉燃烧效率是多年来一直热门的课题。提高燃烧效率即改进燃烧效果，最直接有效的方法便是强化初始阶段燃料与助燃空气的混合效果。Sushenko[6]针对燃油的雾化进行了研究，对喷嘴结构进行了优化设计。Seong Cheon Kim和Young Nam Chun[7]对燃油燃烧器进行了研究，通过调整助燃空气流速、对反应物施加一定频率和振幅的外部振荡，从而增进了燃料与空气的混合，缩短了燃料在高温燃烧区的停留时间，最终达到降低NOx排放的目的。周桂娟[8]主要研究燃油燃烧器出口液雾燃烧的气液两相湍流流动、液雾扩散和蒸发、气相燃烧和传热、气体和液雾以及燃烧装置之间辐射传热等过程。任君[9]对宝钢集团热力分厂在用的旋流燃烧器进行了数值模拟研究。张财红[10]结合柱状燃烧室内液雾的实验研究，进行了不同旋流强度下液雾燃烧过程的数值模拟。
综上所述，目前国内外油-气联合燃烧器的研究都是针对单独烧油或气的情况，以及对配风方式和燃烧器布置的研究，对油-气联合燃烧器燃料油入口喷射角度研究的报道鲜见。本文结合生产实际，选用一台在役的油-气联合燃烧器，通过对其液态燃料入口喷射角度改进后的运行状况进行数值模拟，对燃烧单元内速度、温度场、火焰形状等信息的分析，验证了结构改进的合理性，对于工程实践具有一定的指导意义。
2 计算模型和边界条件确定
2.1 计算模型 计算模型的建立及网格划分在FLUENT前置软件gambit中进行。根据现场数据，建立如图1（a）所示燃烧单元整体模型，模型总高度17m，燃烧单元部分直径4m，顶部设置成圆台形出口，直径2m。燃烧器底部中心突出的部分顶端均匀分布着直径为4mm的燃料油入口，突出部分根部周围分布着如图1（b）所示的24个方形燃料气入孔，助燃空气分别从燃烧道底部和侧面两次供入。
本文通过模拟改进液体燃料喷射入口角度与原工况下的运行结果进行比较，在入口截面积大小不变的情况下，分别把燃料油入射口与竖直方向的夹角α设置成20°、25°、30°、35°、40°，其中25°出口是在用燃烧器的参数。如图2燃烧器部分采用Tet/Hybird网格，燃烧单元选择Hex/Wedge网格进行划分，整个模型划分约200万网格，网格数量能满足精度要求。
2.2 边界条件 燃料和助燃空气入口为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件，加热炉整体在负压下运行，炉膛、火道壁面设为定温壁面，温度800K，其他壁面简化为绝热壁面。
3 数学模型和计算条件
3.1 数学模型的设定 基于物理模型的复杂性，为燃烧器选择标准k-ε两方程湍流模型。考虑到湍流流动和化学反应之间的耦合，采用混合分数-概率密度函数模型（PDF模型）。辐射模型采用能够符合要求并且计算量较小的P-1辐射模型。采用污染物模型监测NOx的排放量。将燃料气视为连续相，液滴颗粒作为离散相，采用DPM喷射模型。在计算过程中考虑连续相与离散相的相互影响，跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失，这些量在计算连续相的时候将被作为原项。交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛为止，这样就实现了双向耦合计算。
3.2 计算条件 气体燃料成分为：C3H8占49.6%，C4H10占50.4%，液体燃料以柴油代替渣油，柴油是一种混合物，含有多种成分，主要以烷烃为主，其中正庚烷的含量约为12%，尽管正庚烷的物理性质与柴油有一定的区别，但它们的燃烧特性十分相似。过程空气系数取1.2。
4 模拟结果及讨论
4.1 流场及速度曲线 如图3所示为燃烧单元内部的流场。燃料在与氧气发生反应后产生的高温烟气经过燃烧道出口进入炉膛，通过辐射与周围布置的管道进行换热，在接近7米左右会产生负压，拉动高温烟气在炉膛内部产生回流，回流的面积和对称性会随着液体燃料喷射入口角度的变化产生一些差异，这主要是由于随着角度的变化炉膛入口的高温烟气速度会发生变化，速度慢的烟气抗干扰的能力较差导致烟气回流稳定性下降。回流面积的大小会直接影响燃烧单元内的温度分布状况。显而易见，当液体燃料入口角度为30°时的回流面积最大，这对于燃烧单元内的换热有利。
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图3 燃烧单元流场
4.2 CO质量分布 CO作为烃类燃料燃烧过程中的中间产物，我们可以用CO的质量分数分布来表征炉膛内的火焰形状。对于燃油燃烧器而言，要求火焰长度较短。一方面火焰长度过长容易造成燃油碰壁，产生严重的冒烟和燃烧不完全现象；另一方面，短火焰具有高温区域窄、火力集中、火焰温度高的优势、其燃烧效率高。 如图4所示为燃烧单元中心截面上CO的质量分数分布。在各种结构下燃料都能顺利的燃尽，但CO的分布面积有一定的差异，改进前CO要延续到7.5m左右才能燃尽，当减小燃料油入口喷射角度时，火焰的高度比改进前高，燃烧效果恶化，相反增加液体燃料喷射入口角度时，燃烧效果得到了优化，在角度为30°时，火焰的高度在7m左右，继续增大喷射入口角度时，火焰高度又开始提高，说明30°为燃料的最佳入射角度。在这一角度时，液体燃料、气体燃料、空气的混合最充分，这些都对燃料的燃烧起到了积极的作用，使燃烧过程变短，利于增加火焰的刚度和使炉膛内的温度场的分布更合理，防止偏烧。
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图4 燃烧单元内火焰形状
4.3 温度场分布 锅炉燃用渣油时，炉内的辐射成分除了CO2、H2O等三原子外，还有大量的液滴油雾和碳黑粒子存在，而这些粒子具有很强的辐射能力。这些油雾和粒子碳黑粒子也会对炉膛内部的温度分布有很大的影响。
燃烧器结构改进的最终目的是使炉膛的温度分布更加合理，如图5所示为燃烧器结构改进前后的温度场分布情况。在原始25°的结构下，炉膛内部10m位上下存在较大的局部高温区，这种情况一方面容易导致加热炉内炉管受热不均匀产生结焦现象，另一方面还助长了氮氧化物的生成，会对环境造成严重破坏。当减小喷射入口角度为20°时，局部高温区的面积扩大，燃烧单元内整体燃烧效果恶化。当增大燃料入口喷射入口角度以后都能达到改进优化炉膛温度分布的效果，喷射入口角度30°时，炉膛入口混合烟气的流速最高，燃料油，燃料气和空气的混合程度最优，火焰刚度强于其他结构，燃烧效果最理想。
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图5 燃烧单元内温度场分布
4.4 氮氧化物分布 大多数NOx形成于火焰温度达到峰值1538℃～1760℃的几秒内，也就是说，如果能够减小燃烧单元内的高温面积就能够有效的控制氮氧化物的生成，与前面的燃烧单元内温度分布相对应，从图6中可以看出，由于喷射入口角度为30°时炉膛内的高温区域面积比较小，所以在燃烧单元出口处的氧化物排放质量分数最小为0.0278%，而在火焰中心区域，虽然局部温度比较高，但是这个位置氧气浓度偏低，所以生成的氮氧化物会较少。
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图6 燃烧单元NOx排放质量分数ω
5 结论
综上所述，通过改进油-气联合燃烧器燃料油的喷射入口角度能够优化燃料与空气的混合，炉膛入口混合气的速度有了比较明显的提高，增加了火焰的刚度，大大降低了炉膛内部的局部高温区，减少氮氧化物的排放量，在提出的四种改进方案中，燃料油入口30°时对提高燃烧器燃烧效果的改进最为明显。
参考文献：
[1]张财红.漩流强度对液雾燃烧影响的数值模拟[D].天津：河北工业大学，2007.
[2]王斌.燃油锅炉改油气混烧炉内燃烧过程及NOx生成的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.
[3]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.
[4]G Colson，F peters，J De Ruyck. Experimental in-flame study of a 15MW dual fuel gas/oil burner.Fuel，1999，78（11）：1253-1261.
[5]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.
[6]Sushenko，leshchenko.Gas-oil burner for open-hearth furnace.Intermet Inzhiniring，2005，12：26-28.
[7]Seong Cheon Kim， Young Nam Chun. Improvement of combustion efficiency and reduction of NOx emission by external oscillation of reactants in an oil burner. Korean Journal of Chemical Engineering，2008，25：73-77.
[8]周桂娟，毛羽，王娟，逄晓明.燃油燃烧器出口液雾燃烧及NOx生成的数值模拟研究[J].石油炼制与化工，2007，38（2）：6-10.
[9]任君，缪正清，陈开潮.135t/h锅炉旋流燃烧器的数值模拟研究[J].宝钢技术，2007（5）：1-4.
[10]张财红.漩流强度对液雾燃烧影响的数值模拟[D].天津：河北工业大学，2007.