蒋静硫磺回收用燃烧炉CFD数值模拟及花墙结构优化研究.doc

Master s Thesis 摘摘 要要 主燃烧炉是天然气净化厂中硫磺回收及尾气处理工艺装置的关键设备之一 主要 对脱水脱硫后的酸性气体进行燃烧 回收其中的硫单质 从而减少对环境的污染 但 是 在很长时间内 燃烧炉的设计工作大多数是基于传统经验模型完成的 不能够充 分认识燃烧炉内流场的分布规律 随着燃烧理论和计算流体动力学技术不断发展 数 值模拟方法考虑了化学反应动力学对流场分布规律的影响 在一定程度上弥补了传统 设计计算的缺陷 成为一个重要发展趋势 本文通过数值模拟计算 准确反映了硫磺 回收用燃烧炉内燃烧情况 这对提高燃烧炉工作性能 总硫磺回收率以及我国天然气 净化与处理装置水平有重要意义 首先 本文通过介绍燃烧反应基本理论 结合实际情况建立了现役燃烧炉流体域 模型以及燃烧反应的数学物理模型 湍流模型选用对旋流模拟较好的 Realizable 双方程模型 燃烧模型采用详细考虑化学反应机理的 EDC 涡耗散概念 模型 k 并利用 SIMPLC 算法进行求解 然后 计算分析了现役燃烧炉冷 热态速度场 温度 论论文文题题目目硫硫 磺磺 回回 收收 用用 燃燃 烧烧 炉炉C C F F D D 数数 值值 模模 拟拟 及及 花花 墙墙 结结 构构 优优 化化 研研 究究 场 压力场以及组分浓度场分布规律 其计算结果与现役燃烧炉实际运行值吻合 其次 本文通过对现役燃烧炉流场特性计算分析发现花墙结构对燃烧炉炉内气体 的混合 火焰稳定性及流场均布有重要影响 针对现有花墙结构的不足 本文提出了 新型中心整体边缘散装式的花墙结构 并在此基础上建立了新型燃烧炉流体域模型 对炉内燃烧场分布规律进行了计算分析 最后 通过对新型燃烧炉速度场 温度场 压力场以及组分浓度场分析可以看出 在满足燃烧反应发生的条件下 硫磺回收效率有所提高 减小了污染物的排放 具有 节能效果 因此 新型燃烧炉结构具有较高的可行性 有推广应用的价值 关键词 硫磺回收 燃烧炉 花墙 数值模拟 结构优化 Abstract In natural gas purification plant the main burner is one of the key equipments in Claus sulfur recovery and tail gas treatment process After desulfurization and dehydration process the acid gas was burnt which can reduce environmental pollution However in a very long time the design of furnace was based on the traditional experience model which fully was not aware of the internal flow field distribution laws With the development of technology using CFD Computational Fluid Dynamics method became an important trend The numerical simulation method considered the influence of flow field distribution and made up the defects of Chemical reaction kinetics in traditional design Through the numerical simulation the burning discipline was reflected accuratly which is important for improving the work performance of combustion furnace the percent of total sulfur recovery and the level of China s natural gas purification and device Firstly this paper introduces the basic theory of combustion reaction And then combining with actual equipments fluid domain model and mathematical physics model of combustion reaction are set up Turbulence model selected Realizable Model Combustion model also selected EDC vortex dissipative concept model which considered the chemical reaction mechanism and selected SIMPLC algorithm The velocity field temperature field pressure field and concentration field distribution are obtained by calculating The results accord with the existing burner design values Through calculation analysis of active combustion furnace the degree of gas mixture flame stability and flow field distribution are influented by the structure of the flame dyke Based the shortages of existing flame dyke structure this paper put forward the new flame dyke structure Then based the fluid domain model of new furnace the burning field distribution regularity is calculated and analyzed Through analysing the new velocity field temperature field pressure field and concentration field components the results showed that when the combustion reaction was happened the sulfur recovery efficiency is improved and the emissions of pollutants is reduced with energy saving effect Therefore the new combustion furnace is very feasible and it can be popularized Keywords Sulfur Recovery Furnace Flame Dyke Numerical Simulation Structural Optimization I 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外研究动态 2 1 2 1 燃烧炉国内外研究动态 2 1 2 2 花墙国内外研究动态 5 1 3 主要工作内容 5 1 3 1 研究对象 5 1 3 2 研究内容 5 1 4 技术路线 6 第第 2 2 章章 燃烧基本理论研究燃烧基本理论研究 7 7 2 1 火焰类型 7 2 2 可燃极限 7 2 3 气体湍流扩散燃烧 8 2 4 硫磺回收用燃烧炉燃烧 8 2 4 1 硫磺回收用燃烧炉结构 8 2 4 2 硫磺回收用燃烧炉燃烧 9 第第 3 3 章章 燃烧炉燃烧炉 CFDCFD 数值模拟基本理论及方法数值模拟基本理论及方法 1111 3 1 数学模型 11 3 1 1 质量守恒方程 11 3 1 2 动量守恒方程 11 3 1 3 能量守恒方程 12 3 1 4 组分质量守恒方程 12 3 2 湍流模型 13 3 2 1 标准 模型 14 3 2 2 RNG 模型 15 3 2 3 Realizable 模型 16 3 3 湍流燃烧模型 16 3 4 控制方程的离散 20 3 4 1 网格划分 20 3 4 2 离散格式 21 3 4 3 算法 21 3 4 4 迭代方法及松弛因子 22 3 5 本章小结 22 II 第第 4 4 章章 燃烧炉数值模拟燃烧炉数值模拟 2323 4 1 计算工况 23 4 2 计算区域 24 4 3 网格划分 24 4 4 边界条件及求解方法 25 4 4 1 边界条件 25 4 4 2 求解方法 27 4 5 收敛情况 28 4 6 燃烧炉冷态场计算分析 29 4 6 1 速度场分布 29 4 6 2 压力场分布 31 4 6 3 温度场分布 31 4 7 燃烧炉热态场计算分析 32 4 7 1 速度场分布 32 4 7 2 温度场分布 33 4 7 3 压力场分布 34 4 7 4 组分浓度场分布 34 4 8 本章小结 38 第第 5 5 章章 燃烧炉花墙结构设计燃烧炉花墙结构设计 4040 5 1 燃烧炉花墙流场分析 40 5 1 1 速度场分布 40 5 1 2 温度场分布 41 5 1 3 压力场分布 41 5 1 4 组分浓度场分布 42 5 2 燃烧炉花墙结构设计 44 5 3 本章小结 44 第第 6 6 章章 新型燃烧炉数值模拟新型燃烧炉数值模拟 4545 6 1 计算区域及网格划分 45 6 2 边界条件及求解方法 45 6 3 新型燃烧炉热态场计算分析 46 6 3 1 速度场分布 46 6 3 2 温度场分布 48 6 3 3 压力场分布 49 6 3 4 组分浓度场分布 50 6 4 本章小结 55 III 第第 7 7 章章 总结与展望总结与展望 5656 7 1 主要结论 56 7 2 主要创新点 56 7 3 工作展望 56 致致 谢谢 5858 参考文献参考文献 5959 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 6262 西南石油大学硕士研究生学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景及意义及意义 随着全球含硫原油以及天然气资源的大量开发 采用克劳斯法从酸气中回收硫单 质的工艺已成为天然气净化 或炼厂气 加工的重要组成部分之一 据英国 硫磺 杂志 不完全统计 截至 2002 年 世界上共计有克劳斯法硫磺回收工艺装置 548 套 设计处 理能力约为 5400 104t a 其中天然气净化装置回收硫磺的设计处理能力达到 2850 104t a 所占比例达到 52 到 2004 年 全球采用克劳斯法工艺生产的硫磺产量 已达到 4600 I04t 以上 比 2003 年增加了约 350 l04t 年平均增长率达到 3 8 1 自 21 世纪初以来 我国在四川省东北部地区相继发现了罗家寨 渡口河 普光等 高含量硫化氢大型天然气田 其 H2S 平均含量为 l0 20 摩尔分数 正在规划和建 设中的克劳斯法装置的规模已达到或超过 30 104t a 与此同时 我国从 20 世纪 90 年 代起 炼油工业大量加工进口含硫原油 也相继 或正在 建设了近 10 套大型的克劳斯 法硫磺回收装置 最大处理规模也已达到 10 104t a 左右 而且为了达到国家标推 GBl6297 1996 对排放民气中二氧化硫含量的要求 对含硫原料气而言 装置相应的 总硫回收率必须达到不低于 99 8 的水平 因此 在此背景下 进一步加强克劳斯法 硫磺回收及其尾气处理流程中关键设备的性能研究 对我国油气加工工业的发展极具 现实意义 2 燃烧炉又称为反应炉 是克劳斯法制硫工艺中最重要的设备之一 它主要有以下 两个功能 1 将原料气中 1 3 体积的 H2S 转化为 SO2 部分燃烧法 2 使原料气中的杂 质组分 如氨 烃类等 在燃烧过程中转化为 N2 CO2等惰性气体 燃烧炉入口处的酸气流量 组分受原料气及工艺流程影响较大 而这种变化将直 接对燃烧炉性能造成影响 如西南油气田卧龙河天然气净化厂硫磺回收单元中入口原 料气的 H2S 浓度设计值为 4 5 而随着井场天然气气质条件变化 H2S 浓度逐年降低 已远低于设计值 结果导致硫磺回收装置中的进料酸气流量和 H2S 浓度都出现了较大 幅度降低 超出了主燃烧炉的操作下限 这种情况使主燃烧炉燃烧状况发生了较大变 化 直接导致主燃烧炉燃烧状态差 配风过低不能提高 最终使硫回收率大大降低 单质硫颜色变差 3 因此 主燃烧炉不仅要保证正常工况下硫回收率及硫质量要求 还 需要在入口条件出现波动时 尤其是 H2S 浓度降低时 依然能够保证炉内温度 气体 的混合程度及硫回收率等满足工艺要求 燃烧炉传统设计中最关键的三个因素为 湍流混合程度 Turbulance mixing 反 应温度 Temperature 停留时间 Time residence 也就是设计人员常说的三 T 4 三因素之间密切相关 传统的设计方法具有一定的局限性 设计人员常常根据实际达 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 2 到的平衡温度 利用经验式热力学模型对其修正并估计炉内反应产物的分布 但多数 情况下 估计结果欠精确 尤其是在原料酸气中 CO2及烃类含量较高的情况下 其主 要原因就在于燃烧炉内组分受炉内反应动力学和流体动力学的相互作用 其与燃烧炉 结构 炉内流场 温度场等因素密切相关 而传统模型或经验式没有充分考虑动力学 因素对炉内化学反应的影响 难以准确反映炉内气体燃烧及流动情况 2 因此 在燃烧 炉结构设计过程中 能够充分考虑炉内反应动力学及流体动力学因素 并将两者有效 结合起来 将对燃烧炉新结构的设计和应用起到重要的促进作用 硫磺回收及尾气处理工艺可以在对尾气进行处理的同时回收硫璜 具有回收能源 及降低大气污染的双重作用 随着我国天然气深入开发 这一作用显得愈加重要 2007 年底 全国探明天然气地质储量 5 9 万亿方 其中酸性气田储量约 1 2 万亿方 占 20 而西南油气田天然气产量在 2012 年将达到 300 亿方 年 其中含硫天然气所占比 例约为 78 3 现有硫磺回收装置有 14 套 年产硫磺约 6 104吨 年 预计至 2013 年 硫磺回收装置将达到 24 套 现如今 环保要求日益严格 人们对硫磺回收装备的要求 也愈加苛刻 就目前装置设计水平来说 我国与国外还有较大差距 在燃烧器等关键 设备上主要依赖进口 近几年 正是硫磺回收装置大量建设时期 国家每年都要花费 大量资金购买国外先进装备 而且技术上受制于人 因此 努力提高硫磺回收装置设 计 制造水平显得尤为迫切 主燃烧炉作为硫回收工艺中最关键的设备 对其进行系 统深入的研究 将有助于提高我国硫磺回收装置水平 降低硫磺回收及尾气处理工业 投资和运行成本 而且对提升整个天然气净化水平也具有重大的战略意义 1 2 国内外研究动态国内外研究动态 1 2 1 燃烧炉燃烧炉国内外研究动态国内外研究动态 燃烧炉内反应是一个极其复杂的过程 其反应机理至今仍没得到很好的认识 从 1953 年 Gamson 和 Elkins 首次发表克劳斯反应的相关热力学数据研究结果以来 5 国 内外研究人员对燃烧炉内的化学平衡反应开展了大量的研究 众多研究成果中 Fisher 所提出的图解法模型 6 最先取得了成功并且至今仍应用在工业实践中 他在 1974 年以 当时已掌握数据的 9 个主要反应为基础提出了图解法模型 就计算结果来看该模型对 燃烧炉温度及含硫产物的预测与现场观察结果基本一致 但因为当时对炉内 H2 CO COS 和 CS2组分的形成机理及相互间的影响关系认识不够清楚 因此计算值 还不够准确 1986 年雷秉义在图算法的基础上 提出了改进的电算模型 7 其建立模 型的基本思路是修正了几项主要参数 建立了与反应产物密切相关的氧 硫 氢和碳 4 个元素的物料平衡方程 压力平衡方程及热量平衡方程 从模拟结果来看 该模型对 炉内 H2S 转化率的预测与实际值较为接近 预测的炉内温度比图解法高 40 左右 其 CS2含量计算也与实际有所偏差 之后 朱利凯根据美国 GPSA 工程数据手册对模型进 西南石油大学硕士研究生学位论文 3 行了修改和补充并且进行了简化计算 8 计算结果表明 空气预热对炉温有重要影响 其计算结果在不考虑相关副反应情况下 与实际误差不是很大 可以供工业实践应用 以上介绍的是采用平衡常数法对炉内反应求解的研究进展 20 世纪 70 年代后期 最小 自由能法也在对燃烧炉炉内反应计算上得到了应用 最小自由能法的计算结果与平衡 常数法计算结果一致 其精度也基本可以满足工程设计需要 但是 CS2及 COS 在炉内 生成率与现场观察值相比都是偏低的 尤其是 CS2的生成率偏低程度更大 几乎没有 实用意义 其原因就在于上述两组分的生成率在很大程度上受动力学因素影响 单纯 以热力学参数为基础的各种计算模型都无法解决此问题 另一方面 燃烧炉内的 COS 并非反应的一级产物 其生成的途径非常复杂 不仅与 CS2的水解速率有关 而且与 炉内 H2和 CO 的生成率也有关 2 基于上述原因 20 世纪 80 年代后期动力学模型的开 发成为了模型化研究的主要发展方向 并且开展了对相关反应机理的深入研究 Pollok 在 Wen 等人提出的热力学模型基础上 基于加拿大 Alberta 硫磺研究院在以 氧化铝 为材料的管式反应器中所取得的试验数据 以动力学修正因子加以改进 成功开发了 一种以非平衡反应为基础的动力学模型 9 该模型在燃烧模型 缺氧模型及炉内反应产 物分布预测等方面取得了较好的模拟效果 卡尔加里大学 Kelly Anne Hawboldt 博士 10 曾对燃烧炉内各复杂反应的反应机理进行了系统的研究 采用一管式等温反应器对典 型克劳斯燃烧炉内温度及停留时间进行了分析 收集了克劳斯反应 H2S 裂解反应等 重要数据 并利用实验对参数进行了反复验证 最终确定了克劳斯燃烧炉内各主要反 应的动力学表达式 为燃烧炉内复杂化学反应的数值模拟提供了准确的反应机理及动 力学参数 由于炉内燃烧过程非常复杂 同时进行着流动 混合 燃烧和传热等过程 而且 这些过程相互作用 相互影响 通过热态试验来测量数据 不仅需要耗费大量人力 物力 而且可以得到的数据也是有限的 不同的测试手段和测试条件下 有些数据是 不容易取得的 甚至有些试验无法顺利进行 因此通过热态试验不能全面反映炉内燃 烧的真实情况 随着计算机技术日新月异的发展 基于计算流体力学的数值模拟技术逐渐成为研 究燃烧炉炉内燃烧过程的重要技术手段 数值模拟技术是基于燃烧炉内湍流流动 传 热传质以及燃料燃烧等基本理论来建立燃烧炉物理 数学模型 通过计算得到速度场 压力场 温度场 各气相组分浓度分布场以及运动颗粒的轨迹等 数值模拟方法计算 速度快 能够获得大量信息 并且对燃烧炉炉内的湍流流动 传质传热和燃烧反应过 程能够详细预测 这对设计 运行和改造燃烧炉有重要的参考意义 11 12 因为燃烧炉炉 内燃烧的数值模拟计算是基于计算流体力学 燃烧反应学 传热传质学 化学热力学 化学反应动力学等多方面知识 所以建立正确的数学物理模型对计算结果具有相当重 要的意义 从燃烧炉数值模拟技术的发展历程来看 采用半经验半理论方法来研究燃 烧炉炉内工作情况是前人所采用的主要方法 他们主要采用以下三类数学模型 零维模 型 一维模型以及三维模型 13 零维模型是一种集总参数模型 燃烧炉炉内各个物理 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 4 量都是均匀分布的 零维模型最为简单 但只能反映燃烧炉整体上的情况 一维模型 对各个物理参数沿着燃烧炉高度方向的不均匀性进行了考量 由于一维模型的计算量 适中 所以在实际计算中得到了较多的应用 三维模型考虑了燃烧炉炉膛传热传质 燃烧反应以及气体流动运输过程 采用将受热面 受热体分成微元面 微元体进行模 型计算 这可以更加详细地反映燃烧炉内各种参数分布情况 但计算量较大 在国外 六十年代后期 Spalding 利用数值模拟计算方法得到了燃烧过程中边界 层问题的数值解 并基于前人的研究成果创建了 湍流模型方法 形成了关于湍流以 及湍流燃烧的一系列数学物理模型 14 七十年代初 Gibson 和 Morgan 首次对煤粉燃烧 过程的数值计算结果进行了阐述 15 随后 Wu 用区域法圆筒形状燃烧室辐射传热过程 进行了研究 而 Fricker 则采用热流法进行计算分析 同时 Escluk 也对燃烧室水冷壁 壁面吸收的热量进行了相关实验 对比两者的结果发现采用数值模拟计算的结果与实 验结果基本上趋于一致 但就具体数值上采用区域法比热流法计算结果更好 16 到 1986 年 英国 Lookwoods 和 Abba 进行了锅炉气相燃烧模拟计算 所分析对象是布置 在前墙燃烧器以及由此产生的切向燃烧 同时 在考虑辐射传热过程时采用了热量的 离散传播方法 17 2001 年 为了研究壁火旋流式燃烧炉炉内的真实情况 中国台湾的 苏艾 张嘉恒对其进行数值模拟计算 分析了当煤粉高速从燃烧器喷射时的流场分布 规律 得到了燃烧颗粒的运动轨迹 速度场 温度场 组分出口组分浓度计算结果 18 在国内 华北电力大学王雅琴 孙绍星长期从事研究燃烧反应过程数值模拟计算 方法的工作 他们将流体流动 对流换热 辐射传热以及煤粉燃烧等数学物理模型进 行耦合 开发了燃烧计算软件 该软件可以进行流动 燃烧和传热过程的三维数值计 算模拟 较为准确地对燃烧炉炉内速度场 温度场 压力场 热流分布以及各组分浓 度分布规律进行预测 19 浙江大学李戈 池作和 潘维 岑可法借助 Fluent 程序锅炉 炉内燃烧进行了数值模拟计算 得到 200MW 切向燃烧锅炉内速度场 压力场 温度 场 组分浓度场的分布规律 同时还分析了燃烧污染物 NOx 的排放规律 20 西安交通 大学文军 徐党旗 张波 惠世恩针对某电站亚临界直流炉改造方案 对改造前后的 直流炉内燃烧过程进行了数值计算分析 得到了其温度场 速度场 氧量场的分布规 律 说明了改进方案的可行性 同时他们也发现了改进后直流炉所存在的不足 并且 提出了更加完善的改进措施 保证了电站直流炉的安全正常工作 21 华中科技大学柳 朝晖 李勇 郑楚光 周向阳对大型锅炉炉膛燃烧流动过程进行了数值模拟计算 他 们采用了三维湍流 湍流 燃烧和热传递数学模型 总结分析了气体流动过程 组分摩 尔比例 温度 压力 颗粒运动轨迹及燃烧反应 壁面辐射传热分布规律 22 浙江大 学钱欣平 李国能 王子兴 岑可法等人考虑了详细化学反应机理 23 使用了涡耗散 概念模型对燃烧炉缺氧燃烧制作氢气过程进行了数值模拟计算 在燃烧反应中他们采 用了具有 17 个组分 57 步基元反应的机理 其计算结果与实验数据基本吻合 为实际 应用提供了重要的参考 同济大学张鹤声 张毅勐 刘敏飞对 WNS 型燃油 气 锅炉对 西南石油大学硕士研究生学位论文 5 流动规律进行了计算分析 得到了炉内热量分布 速度分布 温度分布等参数的分布 规律 并且对比分析了在燃油和燃气不同工况下其流动 温度 传热传质的变化规律 24 1 2 2 花墙国内外研究动态花墙国内外研究动态 花墙又称为挡火墙 以挡火砖 挡火墙 阻流板形式存在 北京科技大学杨阳 陈杉杉 国宏伟 张建良对热风炉中燃烧器位置的阻流板数 值计算分析 25 着重讨论了阻流板在热风炉工作中的重要作用 并且分析不同位置下 阻流板对气体出口位置速度分布规律的影响 在一定范围内 阻流板可以使速度分布 更加均匀 当阻流板安置在热风炉中心位置的时候 气体出口面上速度分布还是会产 生严重的偏转情况 当阻流板向左移动 100mm 时 速度均布情况也随之降低 气体出 口面上速度差比原来增加了约 2m s 当阻流板向右移动 100mm 时 速度分布状况得到 了较大改善 速度差减了 8m s 这样可以大大提高气体燃烧效率和热风炉使用性能 景德镇陶瓷学院冯青 李柯 汪和平 宫小龙通过建立辊道窑中预热区域内挡火 板开度的数学物理模型 计算分析了在二维条件下挡火板开度对窑内气体流动分布规 律的影响 为实际生产提供了技术指导 26 广东新明珠陶瓷有限公司温千鸿分析传统窑炉挡火墙的不足 提出了将传统挡火 墙改进为气幕化挡火墙思路 并分析了其实施的可能性 以此来排除实现窑炉全自动 化控制所面临的实际问题 27 华南理工大学张明 曾令可总结了引进辊道窑中挡火板不同设置形式 分析了在 各个区域范围内挡火板所起具体作用 并在此基础上提出了挡火板安装的的最佳位置 以及相匹配的挡火板数量和结构造型 28 从花墙的研究现状可知 花墙研究主要集中在陶瓷工业和煤工业中花墙结构形式 而在天然气净化硫磺回收工艺装置中对花墙结构研究甚少 1 3 主要工作内容主要工作内容 1 3 1 研究对象研究对象 以重庆某天然气净化厂硫磺回收用主燃烧炉为研究对象 1 3 2 研究内容研究内容 本文的主要研究内容包括 1 燃烧基本理论研究 基于流体力学及化工热力学 动力学基本理论建立燃烧 炉燃烧模型 分析硫磺回收工艺中燃烧反应机理 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 6 2 现役燃烧炉及花墙流场特性数值模拟研究 建立现役燃烧炉流体域模型及数 学模型 计算分析燃烧炉及花墙内速度场 温度场 压力场及组分浓度场分布规律 3 新型燃烧炉花墙结构优化设计 根据 1 2 分析结果 提出了新型燃烧 炉花墙结构方案 4 新型燃烧炉及花墙流场特性数值模拟研究 建立新型燃烧炉流体域模型及数 学模型 对比分析新旧燃烧炉流场特性 1 4 技术路线技术路线 本文首先在资料收集 现场调研基础上总结分析燃烧炉及花墙国内外研究现状 然后基于燃烧基本理论对现役燃烧炉及花墙流场特性进行详细分析 总结现有花墙结 构不足并提出新型燃烧炉花墙结构 最后对新型燃烧炉及花墙流场特性进行对比分析 具体技术路线如图 1 所示 资料收集整理及现场调研 现役燃烧炉及花墙流场特性研究 新型燃烧炉花墙结构方案设计 新型燃烧炉及花墙流场特性研究 撰写论文 准备答辩 燃烧基本理论研究 速度场温度场压力场组分浓度场 图 1 1 技术路线图 西南石油大学硕士研究生学位论文 7 第第 2 章章 燃烧基本理论研究燃烧基本理论研究 燃烧理论是一门复杂的学科 它涉及了化学热力学 动力学 计算流体力学 传 热学 传质学等多门学科 但是现在其理论研究与实际应用相比仍有一定的差距 它 对燃烧装置设计计算的指导还有待于进一步发展 但其可以定性地分析燃烧过程中一 些规律 这有助于研究者们更好的将理论和实际结合 本章着重介绍与硫磺回收用燃烧炉相关的燃烧理论 硫磺回收工艺中的燃烧反应 表现酸气和空气进行非预混合燃烧 酸气是燃料气体 氧以空气燃烧的形式 它们进 行强烈的放热反应 2 1 火焰类型火焰类型 在燃烧火焰的基础研究中 燃料多是以气体或者蒸汽的形式存在 虽然理论上在 静止气体混合混中火焰是可以传播的 但是为了使燃烧火焰稳定在一定范围内 在实 际运行中 可燃混合物还是需要连续不断地提供 在上述条件下 根据燃烧前燃料与 氧料混合与否 火焰被分成了两种基本类型 扩散火焰以及预混火焰 根据混合气体 流动速度大小 火焰又分成层流火焰和湍流火焰两种类型 常用的可燃气体点火方式有以下两种 热表面法 电火花法 当产生火焰时 火 焰一层一层的着火 然后产生预混合火焰在气体中进行传播 在实际燃烧系统的设计 计算中 火焰传播速度及其影响因素是需着重考虑的方面 湍流度是火焰传播速度的 一个重要影响因素 这是因为实际中大部分可燃混合气体的燃烧流动都呈湍流混合状 态 而湍流有助于火焰速度的提高 29 2 2 可燃极限可燃极限 可燃混合物着火必须提供极小数量级能量 这种点火能量受燃料性质以及气体混 合比影响 当混合比与化学计量系数比接近时 所需点火能最小 当两者之比较大或 者较小时 所需点火能呈先缓慢增加后急速上升的趋势 当两者之比过大或者过小时 需要无穷大的点火能 这在实际中是无法实现的 对于大多数可燃气体来说 可接受 的最小极限比约为 0 2 0 5 最大极限比约为 3 同时 可燃混合物着火还需要一个最小点火压力 小于该压力时 任何组分都不 能着火 大于该压力时 可燃气体的可燃极限范围随着压力的增加而增加 这在烃与 空气燃烧时表现得很明显 在实际生产中 因为最小点火压力范围在 0 01MPa 5MPa 内 而最小可燃极限比与压力几乎无关 所以气体可燃极限比增大主是针对可燃最大 极限比 可燃极限不仅与上述因素有关 还与温度有关 让随着温度增加而增加 但 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 8 其影响比压力小 2 3 气体湍流扩散燃烧气体湍流扩散燃烧 当输送可燃气体 燃料 与空气时 如果输送空气速度非常小 则可以认为可燃气体 是送入一个充满静止的空间 可燃气体从燃烧器喷嘴流出速度将决定气流的流动状态 射流从燃烧器喷嘴喷出以后 在湍流扩散的过程中从周围空间卷吸入空气 这样 气流质量不断增加 射流的宽度也求断扩大 而气流速度则不断减小并逐渐均匀 同 时在射流宽度上形成各种不同浓度的混合物 在射流初始段的等速度核心区中只有可燃气体 而可燃气体与空气的混合物仅在 湍流边界层中存在 在射流的主体段中 可燃气体浓度在射流轴心线上最大 在接近 射流边界处浓度逐渐减小 而在边界上气体浓度则为零 且随着远离燃烧器喷嘴 可 燃气体浓度越来越小 相反 空气浓度在射流轴心线上为最小 愈靠近射流边界则放 大 且越远离喷燃器宰气浓度也愈大 这样 在射流边界层上所形成的可燃混合物在不同位置处它们的组成比例显然是 不同的 在着火时气流中稳定的燃烧区 即火焰前锋 是位于混合物的组成比例相当于理 论完全燃烧时的表面上 且燃烧区的位置完全由湍流分散的条件来决定 燃烧速度则 内其扩散速度束确定 30 2 4 硫磺回收用燃烧炉燃烧硫磺回收用燃烧炉燃烧 2 4 1 硫磺回收用燃烧炉结构硫磺回收用燃烧炉结构 燃烧炉主要分为燃烧器 燃烧室 花墙三部分 燃烧器位于燃烧炉头部 主要提 供酸气和空气入口通道并对其进行混合燃烧 花墙位于燃烧器人孔后部 花墙结构及 安装位置对燃烧炉内温度 流场分布及气流速度有较大影响 2 1 燃烧器 燃烧器是燃烧炉内最关键的部件 燃烧器结构决定了燃烧炉内气体混合程度 流 体流速及火焰稳定性等关键指标 燃烧器处于燃烧炉的最前端 其功能就是使酸气与 空气能够较好的混合 提供一个使杂质和硫化氢都能完全燃烧的稳定火焰 燃烧器对 维持燃烧炉的正常运行有重要的作用 在我国天然气净化领域应用最多的荷兰 Duiker 燃烧器及加拿大 AC 燃烧器都属于 旋流式燃烧器 其空气室采用切向旋流式叶片使过程气在炉内高强力燃烧并形成大范 围回流区 出口采用喇叭口状平焰烧嘴使火焰形成具有一定厚度和直径的贴壁圆盘形 火焰 2 花墙 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 花墙通常安装在燃烧炉人孔后部 其主要作用有 提高并稳定燃烧炉温度 为炉内气体提供一个稳定并充分接触的反应空间 使过程气通过花墙后能够均匀的 进入废热锅炉 图 2 1 硫磺回收用燃烧炉 燃烧炉可单独设置 也可与废热锅炉组合为一体 对于规模不超过 30t d 的小型装 置来说 采用组合式设备比较经济 过程气在燃烧炉内的停留时间跟原料酸气中的 H2S 含量有关 通常来说贫酸气要求比富酸气更长的停留时间 硫磺回收用燃烧炉如图 2 1 所示 其操作温度按工艺条件不同而有很大的变化 大致范围为 980 1540 由于操作温度高 故在金属材料制作的外壳下面设置有 2 3 层耐火材料浇注件或耐火砖 分别作为耐火内衬和隔热防护层 壳体与防护层之间形 成的闭塞空间则进一步改善了绝热效果 在常见的环境条件下 隔热系统的设计应使 碳钢外壳的温度保持在 150 340 范围内 选定具体温度时既要防止过程气发生冷凝 也要避免高温气体直接与外壳发生接触 2 4 2 硫磺回收用燃烧炉燃烧硫磺回收用燃烧炉燃烧 燃烧炉主要功能有两个 1 将原料气中 1 3 体积的 H2S 转化为 SO2 部分燃烧 法 2 使原料气中的杂质组分 如氨 烃类等 在燃烧过程中转化为 N2 CO2等 惰性气体 燃烧炉内反应分为两个主要过程 第一个是在气体接触过程中大约 1 3 的 H2S 转 化为 SO2 第二个是对炉内污染物进行清理 图 2 2 所示的就是燃烧炉内反应物 生成 物组成及炉内操作条件 火焰温度是维持燃烧炉正常运行的一个重要参数 一般来说燃烧炉内温度必须保 持在 930 以上 但理想的反应温度为 1250 左右 部分燃烧法 较高的温度在热力 学和动力学两方面都有利于提高转化率 但燃烧炉温度应避免超过 1500 否则不仅 选择耐火材料相当困难 而且在炉内会生成多种氮氧化物 在后者的催化作用下二氧 化硫又进一步氧化为三氧化硫 从而导致下游的催化剂很快因为生成硫酸盐而失活 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 10 当然 炉温也与原料气中的硫化氢含量密切相关 当原料气中的硫化氢含量低于 40 时 如不采取措施 就必须采用分流法才能维持稳定的火焰 火焰温度受反应类型及 入口条件所决定 在燃烧炉中 燃烧物组分 如 H2S H2和 NH3 有助于提高炉内 温度 而非燃烧物质 如 CO2 N2和 H2O 通过消耗热量或进行吸热反应来降低炉 内温度 入口酸气主要是由 H2S 和 CO2组成 在某些情况下会含有 5 的 H2组分 而 且如果燃烧炉用于油炼化工业时 火焰燃烧区通常还会含有 NH3 如图 2 2 所示 硫磺是燃烧炉内的产物 其产量大小取决于燃烧炉结构 5 通常燃 烧炉内将产生占整个硫回收系统 70 的硫磺 然而 燃烧炉在产生可观的硫磺产量时 也将带来一些对整个硫回收系统有害的物质 下图中列出了燃烧炉内的反应物组成 在燃烧炉内主要存在 N2 CO2 H2O S2 H2S SO2以及 COS CS2 H2 CO NO 未反应的 NH3 H2 碳等杂质 酸气 H2S CO2 NH3 碳氢化合物 空气 N2 O2 燃烧炉 温度 900 1500 停留时间 0 5 1 5s 产物 H2S CO2 NH3 H2O C SX SO2 H2 CO COS CS2 N2 碳 氢化合物等 图 2 2 燃烧炉出入口物质 燃烧炉是整个硫回收系统的关键 所以其燃烧性能也受到很大的关注 燃烧炉内 所发生的反应可分为燃烧区和缺氧区反应两个部分 2 在燃烧区内主要发生的是反应速 度极快的氮原子或自由基反应 而缺氧区对最终产物的摩尔比例有着重要的影响 此 区域内发生的反应除了受反应温度等热力学因素影响外 还需要考虑停留时间等动力 学因素的影响 在过去 燃烧炉内组分反应通常通过平衡常数法及最小自由能法来进 行设计 然而 以上两种方法都不能提供一个令人满意的结果 平衡计算忽略了燃烧 炉内的动力学效应 而经验法则通常需要对炉内的复杂反应进行简化 显然 要想对 燃烧炉内反应充分了解 必须考虑炉内反应的动力学因素 西南石油大学硕士研究生学位论文 11 第第 3 章章 燃烧炉燃烧炉 CFD 数值模拟基本理论及方法数值模拟基本理论及方法 炉膛内的燃烧过程是一个复杂的物理 化学过程 包括气相流动混合 气体燃烧 对流辐射换热 且这些过程同时存在 相互影响 在建立数学模型时 主要将其分为 三个过程 气体湍流流动过程 气相湍流燃烧过程和辐射传热过程 本章将分别介绍 三个过程中涉及到的基本方程 3 1 数学模型数学模型 流体流动基本的守恒定律包括 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 因为燃烧炉内燃烧 部分预混燃烧 过程涉及到各成分间的混合和相互作用 因此还 需要遵守组分守恒定律 由于炉内燃气处于湍流状态 系统还要遵守附加的湍流输运 方程 31 3 1 1 质量守恒方程质量守恒方程 任何流动都必须遵守质量守恒定律 该定律可表示如下 单位时间内流体微元体 中增加的质量 等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量 遵照这一定律 可得出 质量守恒方程 Mass Conservation Equation 如下所示 0 z w y v x u t 3 1 式中 流体密度 t 时间 u v和w是在x y和z方向上的速度矢量分量 上式为瞬态三维可压缩流体的 质量守恒方程 如果流体不可压 密度 为常数 式 3 1 则变为 0 z w y v x u 3 2 3 1 2 动量守恒方程动量守恒方程 任何流动系统都必须要遵守动量守恒定律 该定律实际上是指牛顿第二定律 可 表述如下 微元体动量时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和 按照 这一定律 可导出x y和z三个方向的动量守恒方程 Momentum Conservation Equation u S x p uuu t u graddivdiv 3 3 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 12 v S y p vuv t v graddivdiv 3 4 w S z p wuw t w graddivdiv 3 5 式中 zyx grad 符号 u S v S和 w S是动量守恒方程的广义 源项 xxu sFS yyv sFS zzw sFS 其中 x s y s和zs的表达式如下所示 div u u xx w zx v yx u x sx 3 6 div u u yy w zy v yy u x sy 3 7 div u u zz w zz v yz u x sz 3 8 其中 x F y F和 z F是微元体上的体力 对于粘性为常数的不可压流体 x s y s z s 0 3 1 3 能量守恒方程能量守恒方程 含热交换的流动系统必须满足能量守恒定律 该定律实质上是热力学第一定律 可表述如下 微元体中能量的增加量等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微 元体所做的功 流体能量E一般是内能i 动能 2 222 wvuK 和势能P三项之和 但是针对 总能量E建立能量守恒方程并不好用 因此能量守恒方程一般是从能量守恒方程中扣 除动能的变化 建立关于内能i的守恒方程 内能i与温度T满足下式 即Tci p 其中 p c为比热容 这样就得到了以温度T为变量的能量守恒方程 Energy Conservation Equation T p ST c k Tu t T graddivdiv 3 9 上式写成展开形式如下所示 T ppp S z T c k zy T c k yx T c k xz wT y vt x uT t T 3 10 式中 p c 比热容 T 温度 k 流体的传热系数 西南石油大学硕士研究生学位论文 13 T S 粘性耗散能 3 1 4 组分质量守恒方程组分质量守恒方程 在一个特定的系统中 如果存在多种化学组分或质量交换 则每种组分都要遵守 组分质量守恒定律 对确定系统而言 组分质量守恒定律可表述如下 系统内某化学 组分质量对时间的变化率 等同于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该 组分的生产率之和 根据组分质量守恒定律 可得到组分S的质量守恒方程 ssss s ScuDcu t c graddivdiv 3 11 式中 s c 组分 s 的体积浓度 s c 组分的质量浓度 s D 组分的扩散系数 s S 产生率 上式左侧的第一项 第二项 右侧的第一项和第二项 分别为时间变化率 对流 项 扩散项和反应项 各组分质量守恒方程的和为连续方程 因为0 s S 因此 如果共有z种组分 则只有1 z个独立组分质量守恒方程 将组分守恒方程中各项展开 式 3 6 可改为 s s s s s s s ssss S z c D zy c D yx c D xz wc y vc x uc t c 3 12 组分质量守恒方程简称组分方程 species equation 一种组分质量守恒方程就是一 个浓度传输方程 当水流 空气在流动过程中带有污染物质时 污染物在流动情况下除 了有分子扩散外还会随流动传输 即传输过程包括对流和扩散两个部分 污染物浓度 随时间和空气而发生变化 因此 组分方程在有些情况下称作浓度传输方程 或浓度 方程 3 2 湍流模型湍流模型 湍流 又称紊流 是一种高度复杂的非稳态三维流动 湍流形态中 流体速度 压力 温度等各种参数都随时间与空间随机变化 湍流也可认为是由不同尺度的涡旋 迭合形成的流动 涡旋的尺度 大小及旋转方向都是随机变化的 大尺度涡旋主要取 决于流动的边界条件 其尺度与流场的大小相当 小尺度涡旋主要取决于粘性力 其 尺度可达到流场尺寸的千分之一量级 大尺度涡旋不断从主流得到能量 通过涡旋的 硫磺回收用燃烧炉 CFD 数值模拟及花墙结构优化研究 14 相互作用 逐渐将能量传递给小尺度涡旋 大尺度涡旋经过分裂变为小尺度涡旋 而 小尺度涡旋在粘性力作用下不断消失 流体机械能转为流体的热能 同时在边界作用 下又不断产生新的大尺度涡旋 从而构成了湍流运动 目前常用的湍流模型多是围绕雷诺应力 ij uu 如何模拟而展开的 一种方法是 将湍流涡团的运动与分子的热运动类比 认为湍流应力的产生机理与分子粘性应力产 生机理类似 时均速度场的变形率和雷诺应力呈线性关系 从而引出了涡粘性的概念 这种模型称为涡粘性系数模型 另一种方法是对雷诺应力进行直接模拟 即雷诺应力 模型 RSM 双方程模型中 应用最广的为 模型 其中k是湍流脉动动能 是 k的耗散率 湍流基本方程组包括连续性方程 Navier Stokes 方程 雷诺应力方程 湍动能方 程和湍动能耗散率方程 对于恒温 不可压缩流动 描述湍流流动的基本方程是将 N S 方程经时均化处理后得到的雷诺方程组 在直角坐标系中可表达为 连续性方程 0 i i x u 3 13 Navier Stokes 方程 ji l l ij i j j i ji ji j i uu x u x u x u xx p uu x u t 3 2 3 14 式中 iju u 未知雷诺应力分量 1 2 3i j 3 2 13 2 1 标准标准 模型模型 在湍动能 k 方程基础上 引入一个关于湍动能耗散率 的方程 便形成了 k双 方程模型 称为标准 k方程 Standard k model 该模型是由 Launder 和 Spalding 在 1972 年提出的 主要是基于湍流动能和耗散率 其中k方程是精确方程 方程是由经验公式导出的方程 在模型中 表示湍动能耗散率的 被定义为 k i k i xxp 3 15 湍动粘度 t 可表示为 k的函数即 2 k pCu t 3 16 式中 u C 经验