藍星安迪蘇項目梯臺爐燃燒狀態模擬

【摘 要】二硫化碳梯臺爐燃燒器以天然氣為原料，燃燒放熱，為爐膛管式反應器內的化學反應提供熱量。燃燒狀況直接影響反應爐的最終產率。本文針對本項目中，燃燒器安裝位置變化時的燃燒狀況進行了模擬，對比得出了燃燒器的安裝位置應保證噴孔在燒嘴磚喉部直段內，為燃燒器的設計和安裝提供了指導依據。

【關鍵詞】反應爐；燃燒器；燃燒性能

1 課題背景

該反應爐是以甲烷硫化法生產二硫化碳的裝置。輻射段管式反應器內進行的是物料甲烷與硫磺的化學反應，化學反應所需熱量由燃燒器供給。反應爐采用梯臺形式，燃燒器均勻分布在爐膛兩側的爐壁上，布置形式見圖1。燃燒器采用自吸式半預混形式，燃料先與一部分空氣混合，進入爐膛后與二次空氣邊混合邊燃燒。

應客戶要求，該反應爐外壁溫度不能超過80℃，襯里厚度需相應增加，導致燒嘴磚頂面與爐壁的間距增大。而燃燒器的設計長度不變，在燃燒器本身的調節范圍內，噴孔的位置在燒嘴磚中的相對位置會有所改變，位置的變動使燃料氣的流動狀態發生改變，從而引起燃燒狀況的變化。本文以燃燒器噴孔在燒嘴磚中的四種位置為模擬工況。四種工況下的相對位置示意圖見圖2。

圖1 燃燒器整體分布圖

圖2 四種工況下燃燒器與燒嘴磚的相對位置

2 網格模型的建立

本文只以燃燒器及周圍燃燒區域為研究范圍，網格模型如圖3所示。模型大部分采用結構網格，為降低速度耗散和溫度耗散，燒嘴附近采用非

3 計算數學模型

湍流模型采用標準k-ε模型，近壁采用標準壁面函數法處理。采用組分傳輸模型，ED燃燒模型。

4 計算結果分析

4.1 計算收斂性驗證

燃燒計算的收斂性不僅要從質量守恒和殘差曲線的穩定性判斷，還要從以下幾方面共同驗證：1）燃燒火焰形狀固定；2）模型出口燃料氣中可燃可分的含量基本為0；3）模型出口溫度不變。將模型出口組分的C1至C4的濃度以及出口溫度進行匯總，四種工況的計算結果見表2。由此可看出，四種工況的模型出口燃料含量基本為零，說明燃燒充分，守恒計算說明模擬達到收斂，計算結果可靠。

4.2 四種工況下的燃燒狀況對比

圖4顯示了四種工況下的燒嘴磚內部及附近的流場。

對比四種工況下的流場可以看出，燃燒器在燒嘴磚喉部直段的位置變化時，對二次空氣在喉部的流動狀態產生影響，但到達燒嘴磚擴張段及以上部位后，這種影響逐漸消失。此外，噴孔位置的下降使燃料氣的流動速度在豎直方向有所降低，但影響程度不大。這是由于燒嘴磚采用外擴式結構，而燒嘴噴孔的開孔方位使得燃料氣向燒嘴磚中心方向對射，這種結構形式決定了噴孔的設計方位是影響燃料氣流動狀態的主要因素，而燒嘴磚的結構對其影響不大。

圖4 四種工況下的流場對比圖

圖5顯示了四種工況下的燃燒火焰形式。以1700K為界，火焰長度由約30cm縮短為約20cm。

從圖5可以看出，噴孔位置在燒嘴磚喉部范圍內變動時，火焰的長度及溫度分布形式沒有大的變化，當噴孔位置下移到喉部底端，即第三種工況時，火焰長度明顯變短。當噴孔位置降到喉部直段以下，即第四種工況時，火焰形態在工況三的基礎上稍有拉長，但變化不大。對比四種燃燒狀況，燃燒器噴孔到達燒嘴磚喉部底面時，成為火焰形態的轉折點。火焰長度開始明顯變短，不利于熱量在爐膛內的傳遞。因此，燃燒器的設計余量和安裝方式必須滿足能夠使噴孔在燒嘴磚喉部直段內。

5 結論

通過對梯臺爐燃燒器燃燒狀況的模擬，可以得出以下結論：

圖5 四種工況下的溫度場對比

（1）燃燒器噴孔位置在燒嘴磚喉部直段內變動時，對流場及燃燒火焰的影響不大；

（2）燃燒器噴孔由燒嘴磚喉部頂端下移至喉部直段以下位置時，燃燒火焰長度由30cm縮短為20cm。

燃燒器噴孔位置位于燒嘴磚喉部底端時，燃燒火焰形態發生轉折，火焰長度明細變短，不利于爐膛內熱量傳遞。燃燒器設計及安裝時，應保證噴孔位置能夠位于燒嘴磚喉部直內。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉帥]