蓝星安迪苏项目梯台炉燃烧状态模拟
【摘 要】二硫化碳梯台炉燃烧器以天然气为原料，燃烧放热，为炉膛管式反应器内的化学反应提供热量。燃烧状况直接影响反应炉的最终产率。本文针对本项目中，燃烧器安装位置变化时的燃烧状况进行了模拟，对比得出了燃烧器的安装位置应保证喷孔在烧嘴砖喉部直段内，为燃烧器的设计和安装提供了指导依据。
【关键词】反应炉；燃烧器；燃烧性能
1 课题背景
该反应炉是以甲烷硫化法生产二硫化碳的装置。辐射段管式反应器内进行的是物料甲烷与硫磺的化学反应，化学反应所需热量由燃烧器供给。反应炉采用梯台形式，燃烧器均匀分布在炉膛两侧的炉壁上，布置形式见图1。燃烧器采用自吸式半预混形式，燃料先与一部分空气混合，进入炉膛后与二次空气边混合边燃烧。
应客户要求，该反应炉外壁温度不能超过80℃，衬里厚度需相应增加，导致烧嘴砖顶面与炉壁的间距增大。而燃烧器的设计长度不变，在燃烧器本身的调节范围内，喷孔的位置在烧嘴砖中的相对位置会有所改变，位置的变动使燃料气的流动状态发生改变，从而引起燃烧状况的变化。本文以燃烧器喷孔在烧嘴砖中的四种位置为模拟工况。四种工况下的相对位置示意图见图2。
图1 燃烧器整体分布图
图2 四种工况下燃烧器与烧嘴砖的相对位置
2 网格模型的建立
本文只以燃烧器及周围燃烧区域为研究范围，网格模型如图3所示。模型大部分采用结构网格，为降低速度耗散和温度耗散，烧嘴附近采用非
3 计算数学模型
湍流模型采用标准k-ε模型，近壁采用标准壁面函数法处理。采用组分传输模型，ED燃烧模型。
4 计算结果分析
4.1 计算收敛性验证
燃烧计算的收敛性不仅要从质量守恒和残差曲线的稳定性判断，还要从以下几方面共同验证：1）燃烧火焰形状固定；2）模型出口燃料气中可燃可分的含量基本为0；3）模型出口温度不变。将模型出口组分的C1至C4的浓度以及出口温度进行汇总，四种工况的计算结果见表2。由此可看出，四种工况的模型出口燃料含量基本为零，说明燃烧充分，守恒计算说明模拟达到收敛，计算结果可靠。
4.2 四种工况下的燃烧状况对比
图4显示了四种工况下的烧嘴砖内部及附近的流场。
对比四种工况下的流场可以看出，燃烧器在烧嘴砖喉部直段的位置变化时，对二次空气在喉部的流动状态产生影响，但到达烧嘴砖扩张段及以上部位后，这种影响逐渐消失。此外，喷孔位置的下降使燃料气的流动速度在竖直方向有所降低，但影响程度不大。这是由于烧嘴砖采用外扩式结构，而烧嘴喷孔的开孔方位使得燃料气向烧嘴砖中心方向对射，这种结构形式决定了喷孔的设计方位是影响燃料气流动状态的主要因素，而烧嘴砖的结构对其影响不大。
图4 四种工况下的流场对比图
图5显示了四种工况下的燃烧火焰形式。以1700K为界，火焰长度由约30cm缩短为约20cm。
从图5可以看出，喷孔位置在烧嘴砖喉部范围内变动时，火焰的长度及温度分布形式没有大的变化，当喷孔位置下移到喉部底端，即第三种工况时，火焰长度明显变短。当喷孔位置降到喉部直段以下，即第四种工况时，火焰形态在工况三的基础上稍有拉长，但变化不大。对比四种燃烧状况，燃烧器喷孔到达烧嘴砖喉部底面时，成为火焰形态的转折点。火焰长度开始明显变短，不利于热量在炉膛内的传递。因此，燃烧器的设计余量和安装方式必须满足能够使喷孔在烧嘴砖喉部直段内。
5 结论
通过对梯台炉燃烧器燃烧状况的模拟，可以得出以下结论：
图5 四种工况下的温度场对比
（1）燃烧器喷孔位置在烧嘴砖喉部直段内变动时，对流场及燃烧火焰的影响不大；
（2）燃烧器喷孔由烧嘴砖喉部顶端下移至喉部直段以下位置时，燃烧火焰长度由30cm缩短为20cm。
燃烧器喷孔位置位于烧嘴砖喉部底端时，燃烧火焰形态发生转折，火焰长度明细变短，不利于炉膛内热量传递。燃烧器设计及安装时，应保证喷孔位置能够位于烧嘴砖喉部直内。
【参考文献】
[1]张志伟，刘建军.各种湍流模型在FLUENT中的应用[J].河北水利，2008，（10）：25-26
[2]陶文铨.数值传热学[M].西安交通大学出版社，2001.
[3]张其斌，武文斐，李义，等. 湍流预混燃烧的小火焰模型[J].节能技术，2007，24（4）：342-345.
[责任编辑：刘帅]