气态烃非催化部分氧化转化炉内火焰燃烧特性及其调控规律研究

Gaseous hydrocarbon non-catalytic partial oxidation (NC-POX) technology is one of the key technologies for the clean and efficient utilization of low carbon energy such as gaseous hydrocarbon, and also an important technology for the production of bulk chemicals such as synthetic ammonia, methanol, ethylene glycol and synthetic oil. Although NC-POX technology has been commercialized, ablation from high temperature flame and improper temperature distribution leads to a short nozzle life and makes the surface temperature of the reformer arch easily over the allowable temperature due to the high gaseous hydrocarbon combustion rate and intensity in pure oxygen environment. This project will focus on the basic research on the combustion process in gaseous hydrocarbon NC-POX reformer, including the regulation of combustion mode and heat transfer process of the nozzle head face. The effects of nozzle channel configuration and operation conditions on combustion mode and temperature distribution, the mathematical model for the combustion process in NC-POX reformer, and the heat transfer mechanism among flame, nozzle head face and nozzle cooling system under different combustion conditions will be studied. This project aims to obtain the inner relationships among the “nozzle channel configuration- combustion mode- temperature profile” and the heat load variation of nozzle head face under different combustion conditions, which will lay the theoretical foundation for the development and design of high-efficiency and long-life nozzle of gaseous hydrocarbon NC-POX reformer.

气态烃非催化部分氧化技术是气态烃等低碳能源清洁高效利用的关键技术之一，是生产合成氨、甲醇、乙二醇、油品等大宗化学品的重要工艺技术。虽然气态烃非催化部分氧化技术已经实现工业化，由于气态烃在纯氧下燃烧速度快、强度大，目前仍普遍存在因高温火焰烧蚀以及不恰当的温度分布导致转化炉烧嘴寿命短、转化炉拱顶易超温等问题。本项目拟从气态烃非催化部分氧化转化炉内燃烧模态的控制和烧嘴端面的传热过程两方面出发开展气态烃非催化转化炉内燃烧过程的基础研究，研究不同烧嘴流道组织方式和操作条件下火焰模态和温度分布的变化规律、适用于转化炉内燃烧过程模拟的数学模型以及不同燃烧状态下火焰与烧嘴端面及冷却水系统之间的传热机理，掌握气态烃非催化部分氧化转化炉内“烧嘴流道组织—火焰模态—温度分布”之间的关系以及不同燃烧状态下烧嘴端面的热负荷变化规律，为高效长周期气态烃转化烧嘴开发和设计提供理论基础。

气态烃非催化部分氧化转化炉内发生包括湍流流动混和、燃烧反应、转化反应等在内的复杂物理和化学过程。虽然已实现工业化，但纯氧燃烧速度快、强度大，高温火焰烧蚀以及不恰当的温度分布导致转化炉烧嘴寿命短等问题。本项目从烃类燃烧火焰特征着手，揭示转化炉内湍流反应流耦合特征，建立“烧嘴流道组织-火焰模态-温度分布”关系，提出烧嘴端面热防护方法。结果表明：（1）气流速度的提升将使得外侧火焰底面逐渐升高，燃烧区域逐渐远离烧嘴端面；氧天然气体积比的提升将使得火焰变得更加细长，同时外围不完全燃烧的黄色火焰减少。水分子的作用为加速模型化合物侧链断裂和开环反应的发生，生成的小的自由基团及分子与水分子作用而被消耗，只有较少的自由基团及分子相互作用成键形成初始碳烟颗粒；氧分子多以形成氢氧自由基的形式使模型化合物分子发生氧化脱碳，使碳原子形成小分子，从而抑制化学成核过程。（2）在氧化剂中CO2含量低于45%的时候为MILD燃烧，大于45%的时候炉内的燃烧模态处于“无反应”区，CO2含量太高导致熄火；对甲烷非催化部分氧化而言，在氧化剂中加入CO2稀释后，OH自由基的浓度降低，火焰温度下降，炉内温度趋于均匀。通过追踪不同反应Da数对反应器分为三个子区域：当Da >> 1时，该区域内化学反应可由RTD预测；当Da ~ 1时，产物分布可由函数X = f (Da)预测；当Da << 1时，该区域可简化为理想反应器。（3）CO2稀释氧气共走同一流道时，气速较快能与其他气体混合较好，燃烧区域被拉长，同时其含量也处于突变区内，有效减少了烧嘴端面的辐射传热量，烧嘴端面受到的传热量较三通道烧嘴减少了9.67%。烧嘴外侧端面受到的传热量远大于内侧受到的传热量，内侧端面利用两侧流动的气体就可以保持自身的正常工作，外侧端面需要利用冷却水冷却散热。端面上温度最高处位于最外侧端面中央，热应力最高处位于最外侧端面靠近气体流道的尖角处。（4）水冷双通道烧嘴端面最高温度为543K，采用气冷三通道烧嘴，提高蒸汽流速能够显著降低端面最高温度。气冷三通道烧嘴的热应力在材料的允许范围内，气冷三通道烧嘴能满足气态烃非催化部分氧化工艺需求。