基于C F X燃燒爐內(nèi)燃燒過程分析

宋久芳 ，劉春發(fā) ，蘭洪強(qiáng) ，劉文廣 ，劉繼銀

（1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610041；2.中國石油西氣東輸管分公司蘇浙滬管理處，江蘇南京 210037）

主燃燒爐是硫磺回收裝置中的重要設(shè)備，主燃燒爐運(yùn)行的好壞，直接影響著硫磺回收裝置的運(yùn)行效果。因此掌握主燃燒爐內(nèi)部氣流的速度場、溫度場、濃度場的分布情況就顯得非常重要。主燃燒爐內(nèi)氣流的速度場、溫度場分布狀況決定著主燃燒爐本體的大小、爐內(nèi)耐火隔熱襯里材料物理、化學(xué)性能的選擇、設(shè)備開停工操作程序的選擇。

為了詳盡地了解設(shè)備在不同工況下的“三速”場分布狀態(tài)，本文對爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行了分析計(jì)算，并且通過調(diào)整燃燒器內(nèi)空氣導(dǎo)流板的方位，對燃燒器內(nèi)空氣氣流對“三速”場影響進(jìn)行分析計(jì)算。通過以上的分析，對影響爐內(nèi)濃度場、速度場、溫度場的原因總結(jié)分析，為耐火隔熱材料選擇和開停工操作提供理論依據(jù)。

1 燃燒爐內(nèi)流動燃燒過程的數(shù)學(xué)模型

1.1 湍流流動傳熱模型

對于燃燒爐內(nèi)氣體的流動混合問題，采用RNGk~ε雙方程模型來模擬，其連續(xù)方程，動量方程，能量方程及k~ε方程的通用形式為：

式中：φ-自變量，ρ-密度，Γφ-擴(kuò)散系數(shù)，Sφ-相應(yīng)的源項(xiàng)。

1.2 燃燒模型

爐內(nèi)冷態(tài)模擬采用組份運(yùn)輸方程來求解爐內(nèi)各組分的速度及濃度分布，熱態(tài)時(shí)分別采用了渦旋（EBD）和概率密度函數(shù)PDF（Probability Density Function）模型來模擬燃燒過程。PDF模型是在一定假設(shè)條件下，將熱化學(xué)反應(yīng)簡化為只與一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)相關(guān)，給定反應(yīng)系統(tǒng)化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，流場中各組分在任一點(diǎn)的瞬時(shí)摩爾分?jǐn)?shù)、密度和溫度值都可以通過該參數(shù)計(jì)算出來。

2 甲烷當(dāng)量燃燒計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 燃料氣當(dāng)量燃燒工況計(jì)算

此次計(jì)算中以某天然氣處理廠提供的燃料氣參數(shù)（見表1），工況參數(shù)（見表2）。

根據(jù)給定的燃料氣，按燃料氣中可燃成分的化學(xué)反應(yīng)公式計(jì)算所需的空氣量，假定空氣中僅含有O2和N2，其體積分?jǐn)?shù)分別為21%和79%。

表1 煤氣主要成份%（V）

表2 工況參數(shù)

先利用公式計(jì)算出燃料氣燃燒時(shí)所需要的氧氣量，然后取空氣過剩系數(shù)為1.1，計(jì)算當(dāng)量工況下燃料氣燃燒所需要的空氣量，最后轉(zhuǎn)換為在Fluent中所需要的質(zhì)量流量，其具體值（見表3）。

表3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

2.2 當(dāng)量燃燒條件下的模擬計(jì)算結(jié)果

從燃燒器開始，到主燃燒爐內(nèi)的燃燒過程問題屬于非預(yù)混燃燒。為了得到冷態(tài)和熱態(tài)兩種不同情況下速度、濃度和溫度場分布，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)分成了兩個(gè)階段：第一階段利用組分輸運(yùn)方程計(jì)算燃料氣和空氣在燃燒器內(nèi)混合形成的冷態(tài)流場，即燃燒器內(nèi)各組分的速度分布以及濃度分布，為燃燒計(jì)算做好準(zhǔn)備；第二階段將計(jì)算模型由組分輸運(yùn)改為概率密度函數(shù)（PDF）模型，模擬混合后氣體在燃燒爐內(nèi)燃燒過程，確定燃料氣燃燒后的濃度和溫度場分布。

如圖1所示燃料氣燃燒時(shí)在主燃燒室內(nèi)的速度分布對稱性稍差，相應(yīng)的爐內(nèi)溫度分布也不太對稱。從附件1中說明這種不對稱性主要由燃燒爐后部的花墻引起。主燃燒室內(nèi)溫度分布如圖2所示，在主燃燒室入口端的上部形成了局部1 600℃高溫區(qū)（在爐體肩部偏下方），而整體溫度并未高于耐火磚的耐火溫度1 600 ℃（1 873 K）。

3 結(jié)論

本文對燃燒爐內(nèi)流動、燃燒以及傳熱過程進(jìn)行了分析，建立了相應(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型。對燃燒器內(nèi)的復(fù)雜湍流流動和傳熱過程，采用RNGk~ε雙方程模型來模擬利用Fluent軟件對硫化氫燃燒爐內(nèi)流動、燃燒及輻射傳熱過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了如下重要結(jié)論。

圖1 主燃燒爐內(nèi)的速度分布

圖2 主燃燒爐內(nèi)的溫度分布（K）

針對穩(wěn)態(tài)工況下燃燒爐內(nèi)流場、溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬結(jié)果給出了燃燒爐內(nèi)氣體流動過程中的速度、溫度和組分的詳細(xì)分布。所得的結(jié)果為全面了解燃燒爐內(nèi)情況提供了定量數(shù)據(jù)，也為燃燒爐的改進(jìn)等指明了方向。

燃料氣燃燒時(shí)在主燃燒室內(nèi)速度分布不對稱，爐內(nèi)溫度分布的不對稱。在主燃燒室入口端的上部形成了局部1 600℃高溫區(qū)。為了降低爐內(nèi)溫度，可以加入水蒸氣來保證局部高溫壁面處的溫度低于1 400℃。計(jì)算表明，0.4 MPa飽和水蒸氣加入量為370 m3/h，可以有效降低局部高溫。

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