基于C F X燃燒爐內燃燒過程分析

宋久芳 ，劉春發 ，蘭洪強 ，劉文廣 ，劉繼銀

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610041；2.中國石油西氣東輸管分公司蘇浙滬管理處，江蘇南京 210037）

主燃燒爐是硫磺回收裝置中的重要設備，主燃燒爐運行的好壞，直接影響著硫磺回收裝置的運行效果。因此掌握主燃燒爐內部氣流的速度場、溫度場、濃度場的分布情況就顯得非常重要。主燃燒爐內氣流的速度場、溫度場分布狀況決定著主燃燒爐本體的大小、爐內耐火隔熱襯里材料物理、化學性能的選擇、設備開停工操作程序的選擇。

為了詳盡地了解設備在不同工況下的“三速”場分布狀態，本文對爐內燃燒情況進行了分析計算，并且通過調整燃燒器內空氣導流板的方位，對燃燒器內空氣氣流對“三速”場影響進行分析計算。通過以上的分析，對影響爐內濃度場、速度場、溫度場的原因總結分析，為耐火隔熱材料選擇和開停工操作提供理論依據。

1 燃燒爐內流動燃燒過程的數學模型

1.1 湍流流動傳熱模型

對于燃燒爐內氣體的流動混合問題，采用RNGk~ε雙方程模型來模擬，其連續方程，動量方程，能量方程及k~ε方程的通用形式為：

式中：φ-自變量，ρ-密度，Γφ-擴散系數，Sφ-相應的源項。

1.2 燃燒模型

爐內冷態模擬采用組份運輸方程來求解爐內各組分的速度及濃度分布，熱態時分別采用了渦旋（EBD）和概率密度函數PDF（Probability Density Function）模型來模擬燃燒過程。PDF模型是在一定假設條件下，將熱化學反應簡化為只與一個單獨的參數相關，給定反應系統化學性質和化學反應，流場中各組分在任一點的瞬時摩爾分數、密度和溫度值都可以通過該參數計算出來。

2 甲烷當量燃燒計算結果及分析

2.1 燃料氣當量燃燒工況計算

此次計算中以某天然氣處理廠提供的燃料氣參數（見表1），工況參數（見表2）。

根據給定的燃料氣，按燃料氣中可燃成分的化學反應公式計算所需的空氣量，假定空氣中僅含有O2和N2，其體積分數分別為21%和79%。

表1 煤氣主要成份%（V）

表2 工況參數

先利用公式計算出燃料氣燃燒時所需要的氧氣量，然后取空氣過剩系數為1.1，計算當量工況下燃料氣燃燒所需要的空氣量，最后轉換為在Fluent中所需要的質量流量，其具體值（見表3）。

表3 計算參數設置

2.2 當量燃燒條件下的模擬計算結果

從燃燒器開始，到主燃燒爐內的燃燒過程問題屬于非預混燃燒。為了得到冷態和熱態兩種不同情況下速度、濃度和溫度場分布，在進行數值模擬計算時分成了兩個階段：第一階段利用組分輸運方程計算燃料氣和空氣在燃燒器內混合形成的冷態流場，即燃燒器內各組分的速度分布以及濃度分布，為燃燒計算做好準備；第二階段將計算模型由組分輸運改為概率密度函數（PDF）模型，模擬混合后氣體在燃燒爐內燃燒過程，確定燃料氣燃燒后的濃度和溫度場分布。

如圖1所示燃料氣燃燒時在主燃燒室內的速度分布對稱性稍差，相應的爐內溫度分布也不太對稱。從附件1中說明這種不對稱性主要由燃燒爐后部的花墻引起。主燃燒室內溫度分布如圖2所示，在主燃燒室入口端的上部形成了局部1 600℃高溫區（在爐體肩部偏下方），而整體溫度并未高于耐火磚的耐火溫度1 600 ℃（1 873 K）。

3 結論

本文對燃燒爐內流動、燃燒以及傳熱過程進行了分析，建立了相應的物理和數學模型。對燃燒器內的復雜湍流流動和傳熱過程，采用RNGk~ε雙方程模型來模擬利用Fluent軟件對硫化氫燃燒爐內流動、燃燒及輻射傳熱過程進行了模擬計算，獲得了如下重要結論。

圖1 主燃燒爐內的速度分布

圖2 主燃燒爐內的溫度分布（K）

針對穩態工況下燃燒爐內流場、溫度場進行了模擬計算，模擬結果給出了燃燒爐內氣體流動過程中的速度、溫度和組分的詳細分布。所得的結果為全面了解燃燒爐內情況提供了定量數據，也為燃燒爐的改進等指明了方向。

燃料氣燃燒時在主燃燒室內速度分布不對稱，爐內溫度分布的不對稱。在主燃燒室入口端的上部形成了局部1 600℃高溫區。為了降低爐內溫度，可以加入水蒸氣來保證局部高溫壁面處的溫度低于1 400℃。計算表明，0.4 MPa飽和水蒸氣加入量為370 m3/h，可以有效降低局部高溫。

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