余熱鍋爐進氣結構的改進及流場模擬

楊衛鋒，孟照凱，徐金文，劉國亮，蔣國棟，尹桂超

(中國化工正和集團股份有限公司，山東 東營 257342)

眾所周知，石油煉化行業在生產工程中產生大量的高溫煙氣，而高溫煙氣是石油煉化行業重要的“二次能源”，采用余熱鍋爐回收高溫煙氣余熱資源是煉油行業的普遍做法和提高二次能源利用率的重要手段。CO余熱鍋爐作為催化裝置煙氣余熱回收設備，如何充分挖掘余熱鍋爐的余熱回收潛力，降低排煙溫度，提高余熱鍋爐的煙氣余熱回收效率，這是需要關注的重點。從目前余熱鍋爐的使用效果來看，余熱鍋爐對煙氣的回收效率還有很大的提升空間。

在現有立體圓筒結構的催化裝置余熱鍋爐爐膛結構設計基礎上進行了改進，并進行了流場數值模擬，可用于高溫煙氣回收，提高余熱利用率。

1 催化煙氣回收原理

自裝置來的高溫煙氣進入分布環后經多路管線進入余熱鍋爐爐膛內，與爐膛內燃燒的燃料氣與空氣混合后，煙氣中的CO隨之燃燒，余熱鍋爐利用催化裝置再生煙氣的物理熱和余熱鍋爐爐膛燃燒所產生的化學熱，對余熱鍋爐產汽單元的鍋爐水加熱，使之產生3.8 MPa、450℃的中壓過熱蒸汽。

2 進氣結構改進

余熱鍋爐為立式圓筒結構，在爐膛底部對稱安裝有兩個氣體燃燒器，余熱鍋爐燃燒爐膛的煙氣、風的進氣口大多是直接垂直進入爐膛的環向分布環，其缺點是煙風混合氣體在爐膛內停留時間短，混合不均勻可能會造成不能充分燃燒，出現爐膛溫度波動較大等問題。針對煙氣、風道的進氣結構做出了局部改進，將環向分布環上煙氣、風的垂直進入改為沿相同方向傾斜一定弧度切向進入，沿相同方向進入的催化再生煙氣、風很容易形成渦流并充分混合燃燒，并且可以增加在爐膛內的停留時間，進而使燃燒更充分，對于爐膛溫度的穩定性調控也更容易。

3 爐膛結構的流場模擬

余熱鍋爐的爐膛內煙氣、燃料氣和風的混合氣體充分燃燒于否、高溫煙氣在爐膛內停留時間的長短是影響余熱鍋爐穩定性操作的重要因素。煙氣、風進氣口方向的改變，無疑會影響爐膛內燃燒氣流運動的流向。采用Fluent軟件對余熱鍋爐環向分布環氣體入口方向改變后爐膛內氣流流向和燃燒情況進行了流場模擬，以檢驗其結構改進后能否滿足高溫煙氣回收的預期效果。

3.1 模型建立

首先在SolidWorks軟件中對環向分布環進氣方向改進后的余熱鍋爐爐膛結構進行三維實體建模(如圖3、4所示)。高溫煙氣和風沿相同方向傾斜進入爐膛，氣流形成均勻混合的渦流，以保證更好的流場效果。

3.2 網格劃分

將SolidWorks中建立的模型存為IGS格式文件，導入CFD前處理的軟件Gambit中進行網格劃分，如圖1所示。

圖1 網格劃分

3.3 模擬計算

完成網格劃分后，以msh格式導入CFD的Fluent6.3解算器中進行模擬計算(表一為流場模擬所需參數)，同時對流場模擬結果進行觀察和分析，以了解氣流在余熱鍋爐爐膛內燃燒以及流向的動態狀況，如圖2所示。

圖2 可視化截面圖

計算所涉及的基本計算方程如下：

(1)連續性方程

(2)k- ε雙方程模型

湍流動能 k 方程：

湍流動能耗散率ε方程：

公式中：ρ密度；u、v、w-分別為x、y、z方向的速度；p壓力；k-湍流動能；ε- 湍流動能耗散率；μ-有效粘性系數。

3.4 模擬結果及分析

通過余熱鍋爐爐膛氣體燃燒截面I、II進氣結構改變前后的壓力云圖3和速度云圖4可明顯看出，氣體入口方向改變后，煙風混合氣體沿爐膛壁形成旋轉渦流，且隨著氣體流量的增加，壓力逐漸增加，爐膛內的旋轉氣流旋轉加速，并沿壁向里依此減弱；通過與壓力云圖的結果相對應，模擬結果達到了預期效果。

圖3 截面1heng壓力云圖

圖4 截面II速度云圖

4 結束語

本文提出的余熱鍋爐環向分布環上煙氣、風的進氣方向改進后，可以實現爐膛內煙氣的充分混合燃燒，形成的渦流增加了高溫煙氣在爐膛內的停留時間，可以使高溫煙氣的熱量得到充分轉化，進而提高了煙氣的熱能回收率，減少了熱損失和有毒有害氣體的排放。對于今后探索如何進一步提高余熱鍋爐的熱能回收效率，降低排煙溫度和有毒有害氣體的排放具有積極的意義。