【文章內(nèi)容簡介】 圖 硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 6 第 2 章 燃燒基本理論研究 燃燒理論 是 一門復(fù)雜的學(xué)科，它涉及了化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)，計算流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等多門學(xué)科；但是現(xiàn)在其理論研究與實際應(yīng)用相比仍有一定的差距，它對燃燒裝置設(shè)計計算的指導(dǎo)還有待于進(jìn)一步發(fā)展，但其可以定性地分析燃燒過程中一些規(guī)律，這有助于研究者們更好的將理論和實際結(jié)合。 本章著重介紹與硫磺回收用燃燒爐相關(guān)的燃燒理論，硫磺回收工藝中的燃燒反應(yīng) 表現(xiàn) 酸氣和空氣進(jìn)行非預(yù)混合燃燒，酸氣是燃料氣體，氧以空氣燃燒的形式，它們進(jìn)行強(qiáng)烈的放 熱反應(yīng)。 火焰類型 在燃燒火焰的基礎(chǔ)研究中，燃料多是以氣體或者蒸汽的形式存在，雖然理論上在靜止氣體混合混中火焰是可以傳播的，但是為了使燃燒火焰穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，在實際運行中，可燃混合物還是需要連續(xù)不斷地提供。在上述條件下，根據(jù)燃燒前燃料與氧料混合與否，火焰被分成了兩種基本類型：擴(kuò)散火焰以及預(yù)混火焰；根據(jù)混合氣體流動速度大小，火焰又分成層流火焰和湍流火焰兩種類型。 常用的可燃?xì)怏w點火方式有以下兩種：熱表面法、電火花法。當(dāng)產(chǎn)生火焰時，火焰一層一層的著火，然后產(chǎn)生預(yù)混合火焰在氣體中進(jìn)行傳播。在實際燃燒系統(tǒng) 的設(shè)計計算中，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌溆绊懸蛩厥切柚乜紤]的方面；湍流度是火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊粋€重要影響因素，這是因為實際中大部分可燃混合氣體的燃燒流動都呈湍流混合狀態(tài)，而湍流有助于火焰速度的提高 [29]。 可燃極限 可燃混合物著火必須提供極小數(shù)量級能量，這種點火能量受燃料性質(zhì)以及氣體混合比影響。當(dāng)混合比與化學(xué)計量系數(shù)比接近時，所需點火能最小；當(dāng)兩者之比較大或者較小時，所需點火能呈先緩慢增加后急速上升的趨勢；當(dāng)兩者之比過大或者過小時，需要無窮大的點火能，這在實際中是無法實現(xiàn)的；對于大多數(shù)可燃?xì)怏w來說，可接受的最 小極限比約為 ～ ，最大極限比約為 3。 同時，可燃混合物著火還需要一個最小點火壓力。小于該壓力時，任何組分都不能著火，大于該壓力時，可燃?xì)怏w的可燃極限范圍隨著壓力的增加而增加，這在烴與空氣燃燒時表現(xiàn)得很明顯。在實際生產(chǎn)中，因為最小點火壓力范圍在 ～ 5MPa 內(nèi)，而最小可燃極限比與壓力幾乎無關(guān)，所以氣體可燃極限比增大主是針對可燃最大極限比?？扇紭O限不僅與上述因素有關(guān)，還與溫度有關(guān)，讓隨著溫度增加而增加，但其影響比壓力小。 氣體湍流擴(kuò)散燃燒 當(dāng)輸送可燃?xì)怏w (燃料 )與空氣時，如果輸送空氣 速度非常小，則可以認(rèn)為可燃?xì)怏w是送入一個充滿靜止的空間，可燃?xì)怏w從燃燒器噴嘴流出速度將決定氣流的流動狀態(tài)。 射流從燃燒器噴嘴噴出以后，在湍流擴(kuò)散的過程中從周圍空間卷吸入空氣，這樣氣流質(zhì)量不斷增加，射流的寬度也求斷擴(kuò)大。而氣流速度則不斷減小并逐漸均勻，同時在射流寬度上形成各種不同濃度的混合物。 在射流初始段的等速度核心區(qū)中只有可燃?xì)怏w，而可燃?xì)怏w與空氣的混合物僅在湍流邊界層中存在。在射流的主體段中，可燃?xì)怏w濃度在射流軸心線上最大，在接近射流邊界處濃度逐漸減小，而在邊界上氣體濃度則為零，且隨著遠(yuǎn)離燃燒器噴嘴，可 燃?xì)怏w濃度越來越??；相反，空氣濃度在射流軸心線上為最小，愈靠近射流邊界則放大，且越遠(yuǎn)離噴燃器宰氣濃度也愈大。 這樣，在射流邊界層上所形成的可燃混合物在不同位置處它們的組成比例顯然是不同的 ： 在著火時氣流中穩(wěn)定的燃燒區(qū) (即火焰前鋒 )是位于混合物的組成比例相 當(dāng) 于理論完全燃燒時的表面上， 且 燃燒區(qū)的位置完全由湍流分散的條件來決定，燃燒速度則內(nèi)其擴(kuò)散速度束確定 [30]。 硫磺回收用燃燒爐燃燒 硫磺回收用燃燒爐結(jié)構(gòu) 燃燒爐主要分為燃燒器、燃燒室、花墻三部分。燃燒器位于燃燒爐頭部，主要提供酸氣和空氣入口通道并對其進(jìn)行混合燃燒?；▔ξ挥谌紵魅丝缀蟛浚▔Y(jié)構(gòu)及安裝位置對燃燒爐內(nèi)溫度、流場分布及氣流速度有較大影響 [2]。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 （ 1）燃燒器 燃燒器是燃燒爐內(nèi)最關(guān)鍵的部件。燃燒器結(jié)構(gòu)決定了燃燒爐內(nèi)氣體混合程度、流體流速及火焰穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)。燃燒器處于燃燒爐的最前端，其功能就是使酸氣與空氣能夠較好的混合，提供一個使雜質(zhì)和硫化氫都能完全燃燒的穩(wěn)定火焰。燃燒器對維持燃燒爐的正常運行有重要的作用。 在我國天然氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用最多的荷蘭 Duiker 燃燒器及加拿大 AC 燃燒器都屬于旋流式燃燒器。其空氣室采用切向旋流式葉片使過程氣 在爐內(nèi)高強(qiáng)力燃燒并形成大范圍回流區(qū)。出口采用喇叭口狀平焰燒嘴使火焰形成具有一定厚度和直徑的貼壁圓盤形火焰。 （ 2）花墻 花墻通常安裝在燃燒爐人孔后部。其主要作用有： ① 提高并穩(wěn)定燃燒爐溫度； ② 為爐內(nèi)氣體提供一個穩(wěn)定并充分接觸的反應(yīng)空間； ③ 使過程氣通過花墻后能夠均勻的進(jìn)入廢熱鍋爐。 圖 21 硫磺回收用燃燒爐 燃燒爐可單獨設(shè)置，也可與廢熱鍋爐組合為一體。對于規(guī)模不超過 30t/d 的小型裝置來說，采用組合式設(shè)備比較經(jīng)濟(jì) 。過程氣在燃燒爐內(nèi)的停留時間跟原料酸氣中的 H2S 含量有關(guān)，通常來說貧酸氣要求比富酸氣更長的停留時間。 硫磺回收用燃燒爐如圖 21 所示。其操作溫度按工藝條件不同而有很大的變化，大致范圍為980~1540℃ 。由于操作溫度高，故在金屬材料制作的外殼下面設(shè)置有 2~3 層耐火材料 澆注件 或耐火磚，分別作為耐火內(nèi)襯和隔熱防護(hù)層，殼體與防護(hù)層之間形成的閉塞空間則進(jìn)一步改善了絕熱效果。在常見的環(huán)境條件下，隔熱系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使碳鋼外殼的溫度保持在 150~340℃ 范圍內(nèi) ， 選定具體溫度 時 既要防止過程氣發(fā)生冷凝，也要避免高溫氣體直接與外 殼發(fā)生接觸。 硫磺回收用燃燒爐燃燒 燃燒爐主要功能有兩個：（ 1）將原料氣中 1/3 體積的 H2S 轉(zhuǎn)化為 SO2（部分燃燒法）；（ 2）使原料氣中的雜質(zhì)組分（如氨、烴類等）在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為 N CO2 等惰性氣體。 燃燒爐內(nèi)反應(yīng)分為兩個主要過程。第一個是在 氣體 接觸過程中大約 1/3 的 H2S 轉(zhuǎn)化為 SO2，第二個是對 爐內(nèi) 污染物進(jìn)行清理。圖 22 所示的就是燃燒爐內(nèi)反應(yīng)物、生成物組成及爐內(nèi)操作條件。 火焰溫度是維持燃燒爐正常運行的一個重要參數(shù)。一般來說燃燒爐內(nèi)溫度必須保持在 930℃ 以上，但理想的反應(yīng)溫度為 1250℃ 左右（部分燃燒法），較高的溫度在熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面都有利于提高轉(zhuǎn)化率。但燃燒爐溫度應(yīng)避免超過 1500℃ ，否則不僅選擇耐火材料相當(dāng)困難，而且在爐內(nèi)會生成多種氮氧化物，在后者的催化 作用下 二氧化硫又進(jìn)一步氧化為三氧化硫，從而導(dǎo)致下游的催化劑很快因為生成硫酸鹽而失活。當(dāng)然，爐溫也與原料氣中的硫化氫含量密切相關(guān)，當(dāng)原料氣中的硫化氫含量低于 40%時，如不采取措施，就必須采用分流法才能維持穩(wěn)定的火焰?；鹧鏈囟仁芊磻?yīng)類型及入口條件所決定。在燃燒爐中，燃燒物組分（如： H2S， H2 和 NH3）有助于提高爐內(nèi)溫度；而非燃燒物質(zhì)（ 如： CO N2 和 H2O）通過消耗熱量或進(jìn)行吸熱反應(yīng)來降低爐內(nèi)溫度。入口酸氣主要是由H2S 和 CO2 組成，在某些情況下會含有 5%的 H2 組分，而且如果燃燒爐用于油煉化工業(yè)時，火焰燃硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 8 燒區(qū)通常還會含有 NH3。 如圖 22 所示，硫磺是燃燒爐內(nèi)的產(chǎn)物，其產(chǎn)量大小取決于燃燒爐結(jié)構(gòu) [5]。通常燃燒爐內(nèi)將產(chǎn)生占整個硫回收系統(tǒng) 70%的硫磺。然而，燃燒爐在產(chǎn)生可觀的硫磺產(chǎn)量時，也將帶來一些對整個硫回收系統(tǒng)有害的物質(zhì)。下圖中列出了燃燒爐內(nèi)的反應(yīng)物組成，在燃燒爐內(nèi)主要存在 N CO H2O、 SH2S、 SO2 以及 COS、 CS H CO、 NO、未反應(yīng)的 NH H 碳 等雜質(zhì) 。 酸 氣 （ H2S 、 C ON H 碳 氫 化 合 物 ）空 氣 （ N O2）燃 燒 爐溫 度 ： 9 0 0 ～ 1 5 0 0停 留 時 間 ： 0 . 5 ～ 1 . 5 s產(chǎn) 物 （ H2S 、 C O N HH2O 、 C 、 SX、 S O HC O 、 C O S 、 C S N 碳?xì)?化 合 物 等 ） 圖 22 燃燒爐出入口物質(zhì) 燃燒爐是整個硫回收系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以其燃燒性能也受到很大的關(guān)注。燃燒爐內(nèi)所發(fā)生的反應(yīng)可分為燃燒區(qū)和缺氧區(qū)反應(yīng)兩個部分 [2]。在燃燒區(qū)內(nèi)主要發(fā)生的是反應(yīng)速度極快的氮原子或自由基反應(yīng)，而缺氧區(qū)對最終產(chǎn)物的摩爾比例有著重要的影響，此區(qū)域內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)除了受反應(yīng)溫度等熱力學(xué)因素影響外，還需要考慮停留時間等動力學(xué)因素的影響。在過去，燃燒爐內(nèi)組分反應(yīng)通常通過平衡常數(shù)法及最小自由能法來進(jìn)行 設(shè)計。然而，以上兩種方法都不能提供一個令人滿意的結(jié)果。平衡計算忽略了燃燒爐內(nèi)的動力學(xué)效應(yīng)，而經(jīng)驗法則通常需要對爐內(nèi)的復(fù)雜反應(yīng)進(jìn)行簡化。顯然，要想對燃燒爐內(nèi)反應(yīng)充分了解，必須考慮爐內(nèi)反應(yīng)的動力學(xué)因素。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 第 3 章 燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬基本理論及方法 爐膛內(nèi)的燃燒過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，包括氣相流動混合、氣體燃燒、對流輻射換熱，且這些過程同時存在，相互影響。在建立數(shù)學(xué)模型時，主要將其分為三個過程 ： 氣體湍流流動過程 、氣相湍流燃燒過程和輻射傳熱過程。本章將分別介紹三個過程中涉及到的基本方程。 數(shù)學(xué)模型 流體流動基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。因為燃燒爐內(nèi)燃燒（部分預(yù)混燃燒）過程涉及到各成分間的混合和相互作用，因此還需要遵守組分守恒定律。由于爐內(nèi)燃?xì)馓幱谕牧鳡顟B(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程 [31]。 質(zhì)量守恒方程 任何流動都必須遵守質(zhì)量守恒定律。該定律可表示如下：單位時間內(nèi)流體微元體中增加的質(zhì)量，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。遵照這一定律，可得出質(zhì)量守恒方程 (Mass Conservation Equation)如下所示 ： ? ? ? ? ? ? 0???????????? zwyvxut ???? （ 31） 式中 ： ? —— 流體密度 ； t —— 時間 。 u 、 v 和 w 是在 x 、 y 和 z 方向上的速度矢量分量。上式為瞬態(tài)三維可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程。如果流體不可壓，密度 ? 為常數(shù)，式 （ 31） 則變?yōu)椋? 0????????? zwyvxu （ 32） 動量守恒方程 任何流動系統(tǒng)都必須要遵守動量守恒定律。該定律實際上是指牛頓第二定律，可表述如下：微元體動量時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。按照這一定律，可導(dǎo)出 x 、 y 和 z 三個方向的動量守恒方程 (Momentum Conservation Equation)： ? ? ? ? ? ? uSxpuuutu ???????? g r a dd ivd iv ??? ? （ 33） ? ? ? ? ? ? vSypvuvtv ???????? g radd ivd iv ??? ? （ 34） ? ? ? ? ? ? wSzpwuwtw ???????? g r a dd ivd iv ??? ? （ 35） 式中， zyx ????????? /()/()/()()gr a d ，符號 uS 、 vS 和 wS 是動量守恒方程的廣義 源項， xxu sFS ?? yyv sFS ?? ， zzw sFS ?? ，其中 xs 、 ys 和 zs 的表達(dá)式如下所示： 硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 10 )d iv()()()( u???? xxwzxvyxuxs x ?????????????????? （ 36） )d iv()()()( u???? yywzyvyyuxs y ?????????????????? （ 37） )d iv()()()( u???? zzwzzvyzuxs z ?????????????????? （ 38） 其中 xF ， yF 和 zF 是微元體上的體力，對于粘性為常數(shù)的不可壓流體， xs ＝ ys ＝ zs ＝ 0。 能量守恒方程 含 熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足能量守恒定律，該定律實質(zhì)上是熱力學(xué)第一定律。可表述如下：微元體中能量的增加量等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。 流體能量 E 一般是內(nèi)能 i 、動能 ? ? 2/222 wvuK ??? 和勢能 P 三項之和。但是針對總能量 E 建立能量守恒方程并不好用，因此能量守恒方程一般是從能量守恒方程中扣除動能的變化，建立關(guān)于內(nèi)能 i 的守恒方程。內(nèi)能 i 與溫度 T 滿足下式，即 Tci p? ,其中 pc 為比熱容。這樣就得到了以溫度 T 為變量的能量守恒方程 (Energy Conservation Equation)： ? ? ? ? TpSTckTutT ????????????? g r a dd ivd iv ??? （ 39） 上式寫成展開形式如下所示： ? ? ? ? ? ? ? ? TpppSzTckzyT