基于C F X燃烧炉内燃烧过程分析

2013-05-10宋久芳刘春发兰洪强刘文广刘继银

石油化工应用 2013年2期

宋久芳，刘春发，兰洪强，刘文广，刘继银

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610041；2.中国石油西气东输管分公司苏浙沪管理处，江苏南京 210037）

主燃烧炉是硫磺回收装置中的重要设备，主燃烧炉运行的好坏，直接影响着硫磺回收装置的运行效果。因此掌握主燃烧炉内部气流的速度场、温度场、浓度场的分布情况就显得非常重要。主燃烧炉内气流的速度场、温度场分布状况决定着主燃烧炉本体的大小、炉内耐火隔热衬里材料物理、化学性能的选择、设备开停工操作程序的选择。

为了详尽地了解设备在不同工况下的“三速”场分布状态，本文对炉内燃烧情况进行了分析计算，并且通过调整燃烧器内空气导流板的方位，对燃烧器内空气气流对“三速”场影响进行分析计算。通过以上的分析，对影响炉内浓度场、速度场、温度场的原因总结分析，为耐火隔热材料选择和开停工操作提供理论依据。

1 燃烧炉内流动燃烧过程的数学模型

1.1 湍流流动传热模型

对于燃烧炉内气体的流动混合问题，采用RNGk~ε双方程模型来模拟，其连续方程，动量方程，能量方程及k~ε方程的通用形式为：

式中：φ-自变量，ρ-密度，Γφ-扩散系数，Sφ-相应的源项。

1.2 燃烧模型

炉内冷态模拟采用组份运输方程来求解炉内各组分的速度及浓度分布，热态时分别采用了涡旋（EBD）和概率密度函数PDF（Probability Density Function）模型来模拟燃烧过程。PDF模型是在一定假设条件下，将热化学反应简化为只与一个单独的参数相关，给定反应系统化学性质和化学反应，流场中各组分在任一点的瞬时摩尔分数、密度和温度值都可以通过该参数计算出来。

2 甲烷当量燃烧计算结果及分析

2.1 燃料气当量燃烧工况计算

此次计算中以某天然气处理厂提供的燃料气参数（见表1），工况参数（见表2）。

根据给定的燃料气，按燃料气中可燃成分的化学反应公式计算所需的空气量，假定空气中仅含有O2和N2，其体积分数分别为21%和79%。

表1 煤气主要成份%（V）

表2 工况参数

先利用公式计算出燃料气燃烧时所需要的氧气量，然后取空气过剩系数为1.1，计算当量工况下燃料气燃烧所需要的空气量，最后转换为在Fluent中所需要的质量流量，其具体值（见表3）。

表3 计算参数设置

2.2 当量燃烧条件下的模拟计算结果

从燃烧器开始，到主燃烧炉内的燃烧过程问题属于非预混燃烧。为了得到冷态和热态两种不同情况下速度、浓度和温度场分布，在进行数值模拟计算时分成了两个阶段：第一阶段利用组分输运方程计算燃料气和空气在燃烧器内混合形成的冷态流场，即燃烧器内各组分的速度分布以及浓度分布，为燃烧计算做好准备；第二阶段将计算模型由组分输运改为概率密度函数（PDF）模型，模拟混合后气体在燃烧炉内燃烧过程，确定燃料气燃烧后的浓度和温度场分布。

如图1所示燃料气燃烧时在主燃烧室内的速度分布对称性稍差，相应的炉内温度分布也不太对称。从附件1中说明这种不对称性主要由燃烧炉后部的花墙引起。主燃烧室内温度分布如图2所示，在主燃烧室入口端的上部形成了局部1 600℃高温区（在炉体肩部偏下方），而整体温度并未高于耐火砖的耐火温度1 600 ℃（1 873 K）。