燃料氣配風(fēng)比對加氫爐溫度及振動影響

李鵬飛，吉喆，宋偉

(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400)

0 引言

在高含硫天然氣凈化工藝流程中，加氫爐為過程氣提供所需的還原性氣體。在加氫反應(yīng)器中，過程氣中殘余的二氧化硫及硫蒸汽與加氫爐生成的還原性氣體在催化劑的作用下反應(yīng)，將其還原成硫化氫氣體，并經(jīng)脫硫溶劑吸收后送往尾氣焚燒爐。過程氣經(jīng)還原吸收后，降低了硫化物的含量，確保焚燒后尾氣二氧化硫含量符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，確保加氫爐正常工作有重大的環(huán)保意義。如果加氫爐爐頭長期超溫或振動強(qiáng)度過大，將會導(dǎo)致耐火材料產(chǎn)生裂紋甚至從本體脫落[1]，嚴(yán)重影響耐火材料的壽命，進(jìn)而影響加氫爐的正常運(yùn)行。而燃料氣與燃燒空氣的配比直接影響燃料氣的燃燒速率以及燃料氣與燃燒空氣混合均勻度[2]，因此合理調(diào)整燃料氣與燃燒空氣配比可以有效控制燃料氣燃燒程度及燃燒后產(chǎn)生的熱應(yīng)力，進(jìn)而控制加氫爐爐膛溫度及燃燒器振動強(qiáng)度。

1 加氫爐運(yùn)行狀態(tài)

自元壩凈化廠投產(chǎn)以來，加氫進(jìn)料燃燒爐作為裝置中重要的工業(yè)燃燒爐，其穩(wěn)定運(yùn)行情況一直受到重點(diǎn)關(guān)注，自加氫爐投用后便對該設(shè)備進(jìn)行定時監(jiān)測。在對加氫爐測溫測振時，發(fā)現(xiàn)各裝置中加氫爐均存在高頻振動且噪音較大的現(xiàn)象，且有局部溫度過高情況。對振動強(qiáng)度最大的三聯(lián)合進(jìn)行了處理量調(diào)整試驗(yàn)，測量不同原料氣處理量條件下加氫爐相同位置的振動強(qiáng)度，如表1所示，結(jié)果表明隨著原料氣處理量的變化，加氫爐各位置振動強(qiáng)度變化較小，因此可排除原料氣量對加氫爐振動強(qiáng)度的影響。而對測試不同配風(fēng)比下加氫爐振動強(qiáng)度的結(jié)果顯示，如表2所示，通過改變配風(fēng)比可以有效降低加氫爐振動強(qiáng)度，因此探究配風(fēng)比對加氫爐振動強(qiáng)度和燃燒室內(nèi)溫度的影響顯得尤為重要。

表1 三聯(lián)合不同原料氣處理量條件下的振動強(qiáng)度 單位：mm/s

表2 配風(fēng)比對加氫爐振動強(qiáng)度的影響

2 建模分析

由于無法直接測量加氫爐爐頭燃燒室內(nèi)溫度，因此運(yùn)用三維建模軟件建立仿真計(jì)算模型，通過設(shè)置不同燃料氣與燃燒空氣的配比來模擬燃燒室內(nèi)燃燒火焰溫度，并測試不同配風(fēng)比下加氫爐振動情況，進(jìn)而探究不同配風(fēng)比對加氫爐爐頭燃燒室溫度及加氫爐振動的影響。

燃料氣與燃燒空氣在加氫爐爐頭燃燒室內(nèi)混合后燃燒，因此高溫部位主要集中在燃燒室內(nèi)，對加氫爐爐頭燃燒室按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模分析。運(yùn)用Gambit軟件對所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對燃燒室與火焰接觸壁面局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。由于燃燒室結(jié)構(gòu)模型較大，對燃燒室接近爐頭端采用四面體等非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對遠(yuǎn)爐頭端采用正六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此種劃分方式能保證在數(shù)值模擬計(jì)算過程中的精度要求。根據(jù)網(wǎng)格劃分所得結(jié)果可知，整體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)量為447萬個，燃燒室的網(wǎng)格分布及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加氫爐爐頭燃燒室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

3 無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證指驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果對網(wǎng)格密度變化的敏感性。網(wǎng)格點(diǎn)越密集，計(jì)算結(jié)果越精確，同時也會導(dǎo)致計(jì)算量增大，延長計(jì)算周期。并且隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算其浮點(diǎn)運(yùn)算造成的舍入誤差也會增大。因此需要確定適合的網(wǎng)格密度[3]。

選擇監(jiān)測點(diǎn)位于測試爐膛中心軸線上，距離燃燒器出口1 m。根據(jù)圖2可知，流體運(yùn)動速度隨著網(wǎng)格數(shù)增加呈先增大后平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過300萬個后，流體流動速度穩(wěn)定在15.6 m·s-1左右，這表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過300萬個之后，滿足網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。綜合考慮計(jì)算結(jié)果精確度及計(jì)算周期，本次模擬中采用的網(wǎng)格數(shù)量為347萬個。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

4 多相流模型求解

本次數(shù)值模擬計(jì)算對加氫爐爐頭燃料氣與燃燒空氣采用混合歐拉多相流模型進(jìn)行求解，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來分析燃燒室內(nèi)部燃燒流動特性[4]；選擇DO輻射模型計(jì)算爐膛內(nèi)部輻射換熱[5]；在加氫爐正常工況下，加氫進(jìn)料燃燒爐內(nèi)的氣體流動主要以湍流的形式存在，對于湍流燃燒采用Finiterate/Eddy-Dissipation模型[6]。

5 燃燒室中間剖面溫度分布

在設(shè)置流體邊界條件時，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將燃料氣與燃燒空氣進(jìn)口設(shè)為體積流量入口邊界，延期出口為壓力出口，燃燒室其余邊界全部設(shè)為絕熱，將燃燒室外壁面設(shè)置為等溫面。在燃燒空氣與燃料氣的配比為7.5、7.9、8.3、8.7、9.1、9.5時，模擬計(jì)算燃燒室內(nèi)火焰溫度。不同配比條件下計(jì)算得到燃燒室中間剖面上的溫度分布情況圖如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著配風(fēng)比的增大，火焰的長度有明顯的增加，且燃燒火焰的溫度也隨配風(fēng)比增大而升高。這是由于配風(fēng)比增大，燃料氣由不完全燃燒趨于完全燃燒，使得爐膛內(nèi)部燃料氣燃燒更為充分，釋放出更多的熱量，故而燃燒室內(nèi)溫度升高。此外，火焰有一定程度的向上偏斜，這是因?yàn)榧淄槿紵笮纬傻臒煔饷芏容^小，煙氣向上流動從而導(dǎo)致火焰向上偏斜，這與聯(lián)合裝置現(xiàn)場燃燒室上部耐火磚失效情況基本一致，從側(cè)面證明了數(shù)值模擬計(jì)算的有效性。

圖3 燃燒室中間剖面上的溫度分布云圖

6 優(yōu)化前后振動強(qiáng)度變化

燃料氣與燃燒空氣的配比直接影響兩者混合的均勻程度，而配風(fēng)比過大會造成燃料氣與燃燒空氣混合不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致燃料氣燃燒后產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，使得燃燒器受力不均振動強(qiáng)度增大。通過調(diào)整配風(fēng)比測試加氫爐爐頭振動強(qiáng)度的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減小配風(fēng)比可以有效降低加氫爐爐頭振動強(qiáng)度。測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，減小配風(fēng)比有效降低了加氫爐爐頭低頻及高頻的振動強(qiáng)度。當(dāng)配風(fēng)比為8.5時振動強(qiáng)度較大且頻率分布較廣，低于100 Hz及高于300 Hz均有較高強(qiáng)度的振動。當(dāng)配風(fēng)比為7.7時，振動強(qiáng)度有明顯降低，低于100 Hz及高于300 Hz高強(qiáng)度振動幾乎消失，振動強(qiáng)度較大的情況主要集中頻率為150～250 Hz的區(qū)間。對比不同配風(fēng)比的條件下，頻率為150～250 Hz區(qū)間的振動強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，減小配風(fēng)比此區(qū)間內(nèi)振動強(qiáng)度也有明顯的降低。這表明，減小配風(fēng)比能有效降低加氫爐爐頭的振動強(qiáng)度。

圖4 不同配風(fēng)比爐頭振動強(qiáng)度

7 結(jié)語

通過模擬計(jì)算不同配風(fēng)比燃燒室溫度及測試不同配風(fēng)比爐頭振動強(qiáng)度得出以下結(jié)論。

(1)隨著配風(fēng)比的增大，爐膛內(nèi)部燃料氣燃燒更為充分，釋放出更多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致加氫爐爐膛溫度升高。且燃燒火焰有一定程度的向上偏斜，對燃燒室上部耐火磚存在沖擊，與現(xiàn)場觀察燃燒室上部耐火磚失效情況基本一致。

(2)減小配風(fēng)比有效降低了加氫爐爐頭低于100 Hz及高于300 Hz區(qū)間的振動強(qiáng)度，頻率為100～300 Hz區(qū)間的振動強(qiáng)度也有明顯的減弱。表明，減小配風(fēng)比能有效降低加氫爐爐頭的振動強(qiáng)度。

(3)在滿足加氫爐正常工況條件下應(yīng)盡量將加氫爐燃料氣配風(fēng)比控制在8.3以下，有利于延長耐火磚的使用壽命，保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。