藍(lán)星安迪蘇項(xiàng)目梯臺(tái)爐燃燒狀態(tài)模擬

【摘 要】二硫化碳梯臺(tái)爐燃燒器以天然氣為原料，燃燒放熱，為爐膛管式反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)提供熱量。燃燒狀況直接影響反應(yīng)爐的最終產(chǎn)率。本文針對(duì)本項(xiàng)目中，燃燒器安裝位置變化時(shí)的燃燒狀況進(jìn)行了模擬，對(duì)比得出了燃燒器的安裝位置應(yīng)保證噴孔在燒嘴磚喉部直段內(nèi)，為燃燒器的設(shè)計(jì)和安裝提供了指導(dǎo)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】反應(yīng)爐；燃燒器；燃燒性能

1 課題背景

該反應(yīng)爐是以甲烷硫化法生產(chǎn)二硫化碳的裝置。輻射段管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的是物料甲烷與硫磺的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)所需熱量由燃燒器供給。反應(yīng)爐采用梯臺(tái)形式，燃燒器均勻分布在爐膛兩側(cè)的爐壁上，布置形式見圖1。燃燒器采用自吸式半預(yù)混形式，燃料先與一部分空氣混合，進(jìn)入爐膛后與二次空氣邊混合邊燃燒。

應(yīng)客戶要求，該反應(yīng)爐外壁溫度不能超過80℃，襯里厚度需相應(yīng)增加，導(dǎo)致燒嘴磚頂面與爐壁的間距增大。而燃燒器的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不變，在燃燒器本身的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，噴孔的位置在燒嘴磚中的相對(duì)位置會(huì)有所改變，位置的變動(dòng)使燃料氣的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起燃燒狀況的變化。本文以燃燒器噴孔在燒嘴磚中的四種位置為模擬工況。四種工況下的相對(duì)位置示意圖見圖2。

圖1 燃燒器整體分布圖

圖2 四種工況下燃燒器與燒嘴磚的相對(duì)位置

2 網(wǎng)格模型的建立

本文只以燃燒器及周圍燃燒區(qū)域?yàn)檠芯糠秶W(wǎng)格模型如圖3所示。模型大部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為降低速度耗散和溫度耗散，燒嘴附近采用非

3 計(jì)算數(shù)學(xué)模型

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。采用組分傳輸模型，ED燃燒模型。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算收斂性驗(yàn)證

燃燒計(jì)算的收斂性不僅要從質(zhì)量守恒和殘差曲線的穩(wěn)定性判斷，還要從以下幾方面共同驗(yàn)證：1）燃燒火焰形狀固定；2）模型出口燃料氣中可燃可分的含量基本為0；3）模型出口溫度不變。將模型出口組分的C1至C4的濃度以及出口溫度進(jìn)行匯總，四種工況的計(jì)算結(jié)果見表2。由此可看出，四種工況的模型出口燃料含量基本為零，說明燃燒充分，守恒計(jì)算說明模擬達(dá)到收斂，計(jì)算結(jié)果可靠。

4.2 四種工況下的燃燒狀況對(duì)比

圖4顯示了四種工況下的燒嘴磚內(nèi)部及附近的流場(chǎng)。

對(duì)比四種工況下的流場(chǎng)可以看出，燃燒器在燒嘴磚喉部直段的位置變化時(shí)，對(duì)二次空氣在喉部的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，但到達(dá)燒嘴磚擴(kuò)張段及以上部位后，這種影響逐漸消失。此外，噴孔位置的下降使燃料氣的流動(dòng)速度在豎直方向有所降低，但影響程度不大。這是由于燒嘴磚采用外擴(kuò)式結(jié)構(gòu)，而燒嘴噴孔的開孔方位使得燃料氣向燒嘴磚中心方向?qū)ι洌@種結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了噴孔的設(shè)計(jì)方位是影響燃料氣流動(dòng)狀態(tài)的主要因素，而燒嘴磚的結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不大。

圖4 四種工況下的流場(chǎng)對(duì)比圖

圖5顯示了四種工況下的燃燒火焰形式。以1700K為界，火焰長(zhǎng)度由約30cm縮短為約20cm。

從圖5可以看出，噴孔位置在燒嘴磚喉部范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，火焰的長(zhǎng)度及溫度分布形式?jīng)]有大的變化，當(dāng)噴孔位置下移到喉部底端，即第三種工況時(shí)，火焰長(zhǎng)度明顯變短。當(dāng)噴孔位置降到喉部直段以下，即第四種工況時(shí)，火焰形態(tài)在工況三的基礎(chǔ)上稍有拉長(zhǎng)，但變化不大。對(duì)比四種燃燒狀況，燃燒器噴孔到達(dá)燒嘴磚喉部底面時(shí)，成為火焰形態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。火焰長(zhǎng)度開始明顯變短，不利于熱量在爐膛內(nèi)的傳遞。因此，燃燒器的設(shè)計(jì)余量和安裝方式必須滿足能夠使噴孔在燒嘴磚喉部直段內(nèi)。

5 結(jié)論

通過對(duì)梯臺(tái)爐燃燒器燃燒狀況的模擬，可以得出以下結(jié)論：

圖5 四種工況下的溫度場(chǎng)對(duì)比

（1）燃燒器噴孔位置在燒嘴磚喉部直段內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)流場(chǎng)及燃燒火焰的影響不大；

（2）燃燒器噴孔由燒嘴磚喉部頂端下移至喉部直段以下位置時(shí)，燃燒火焰長(zhǎng)度由30cm縮短為20cm。

燃燒器噴孔位置位于燒嘴磚喉部底端時(shí)，燃燒火焰形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)折，火焰長(zhǎng)度明細(xì)變短，不利于爐膛內(nèi)熱量傳遞。燃燒器設(shè)計(jì)及安裝時(shí)，應(yīng)保證噴孔位置能夠位于燒嘴磚喉部直內(nèi)。

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[責(zé)任編輯：劉帥]