余热锅炉进气结构的改进及流场模拟

杨卫锋，孟照凯，徐金文，刘国亮，蒋国栋，尹桂超

(中国化工正和集团股份有限公司，山东 东营 257342)

众所周知，石油炼化行业在生产工程中产生大量的高温烟气，而高温烟气是石油炼化行业重要的“二次能源”，采用余热锅炉回收高温烟气余热资源是炼油行业的普遍做法和提高二次能源利用率的重要手段。CO余热锅炉作为催化装置烟气余热回收设备，如何充分挖掘余热锅炉的余热回收潜力，降低排烟温度，提高余热锅炉的烟气余热回收效率，这是需要关注的重点。从目前余热锅炉的使用效果来看，余热锅炉对烟气的回收效率还有很大的提升空间。

在现有立体圆筒结构的催化装置余热锅炉炉膛结构设计基础上进行了改进，并进行了流场数值模拟，可用于高温烟气回收，提高余热利用率。

1 催化烟气回收原理

自装置来的高温烟气进入分布环后经多路管线进入余热锅炉炉膛内，与炉膛内燃烧的燃料气与空气混合后，烟气中的CO随之燃烧，余热锅炉利用催化装置再生烟气的物理热和余热锅炉炉膛燃烧所产生的化学热，对余热锅炉产汽单元的锅炉水加热，使之产生3.8 MPa、450℃的中压过热蒸汽。

2 进气结构改进

余热锅炉为立式圆筒结构，在炉膛底部对称安装有两个气体燃烧器，余热锅炉燃烧炉膛的烟气、风的进气口大多是直接垂直进入炉膛的环向分布环，其缺点是烟风混合气体在炉膛内停留时间短，混合不均匀可能会造成不能充分燃烧，出现炉膛温度波动较大等问题。针对烟气、风道的进气结构做出了局部改进，将环向分布环上烟气、风的垂直进入改为沿相同方向倾斜一定弧度切向进入，沿相同方向进入的催化再生烟气、风很容易形成涡流并充分混合燃烧，并且可以增加在炉膛内的停留时间，进而使燃烧更充分，对于炉膛温度的稳定性调控也更容易。

3 炉膛结构的流场模拟

余热锅炉的炉膛内烟气、燃料气和风的混合气体充分燃烧于否、高温烟气在炉膛内停留时间的长短是影响余热锅炉稳定性操作的重要因素。烟气、风进气口方向的改变，无疑会影响炉膛内燃烧气流运动的流向。采用Fluent软件对余热锅炉环向分布环气体入口方向改变后炉膛内气流流向和燃烧情况进行了流场模拟，以检验其结构改进后能否满足高温烟气回收的预期效果。

3.1 模型建立

首先在SolidWorks软件中对环向分布环进气方向改进后的余热锅炉炉膛结构进行三维实体建模(如图3、4所示)。高温烟气和风沿相同方向倾斜进入炉膛，气流形成均匀混合的涡流，以保证更好的流场效果。

3.2 网格划分

将SolidWorks中建立的模型存为IGS格式文件，导入CFD前处理的软件Gambit中进行网格划分，如图1所示。

图1 网格划分

3.3 模拟计算

完成网格划分后，以msh格式导入CFD的Fluent6.3解算器中进行模拟计算(表一为流场模拟所需参数)，同时对流场模拟结果进行观察和分析，以了解气流在余热锅炉炉膛内燃烧以及流向的动态状况，如图2所示。

图2 可视化截面图

计算所涉及的基本计算方程如下：

(1)连续性方程

(2)k- ε双方程模型

湍流动能 k 方程：

湍流动能耗散率ε方程：

公式中：ρ密度；u、v、w-分别为x、y、z方向的速度；p压力；k-湍流动能；ε- 湍流动能耗散率；μ-有效粘性系数。

3.4 模拟结果及分析

通过余热锅炉炉膛气体燃烧截面I、II进气结构改变前后的压力云图3和速度云图4可明显看出，气体入口方向改变后，烟风混合气体沿炉膛壁形成旋转涡流，且随着气体流量的增加，压力逐渐增加，炉膛内的旋转气流旋转加速，并沿壁向里依此减弱；通过与压力云图的结果相对应，模拟结果达到了预期效果。

图3 截面1heng压力云图

图4 截面II速度云图

4 结束语

本文提出的余热锅炉环向分布环上烟气、风的进气方向改进后，可以实现炉膛内烟气的充分混合燃烧，形成的涡流增加了高温烟气在炉膛内的停留时间，可以使高温烟气的热量得到充分转化，进而提高了烟气的热能回收率，减少了热损失和有毒有害气体的排放。对于今后探索如何进一步提高余热锅炉的热能回收效率，降低排烟温度和有毒有害气体的排放具有积极的意义。