余熱鍋爐進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及流場(chǎng)模擬

楊衛(wèi)鋒，孟照凱，徐金文，劉國(guó)亮，蔣國(guó)棟，尹桂超

(中國(guó)化工正和集團(tuán)股份有限公司，山東 東營(yíng) 257342)

眾所周知，石油煉化行業(yè)在生產(chǎn)工程中產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔馐鞘蜔捇袠I(yè)重要的“二次能源”，采用余熱鍋爐回收高溫?zé)煔庥酂豳Y源是煉油行業(yè)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(shè)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(guān)注的重點(diǎn)。從目前余熱鍋爐的使用效果來(lái)看，余熱鍋爐對(duì)煙氣的回收效率還有很大的提升空間。

在現(xiàn)有立體圓筒結(jié)構(gòu)的催化裝置余熱鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬，可用于高溫?zé)煔饣厥?，提高余熱利用率?/p>

1 催化煙氣回收原理

自裝置來(lái)的高溫?zé)煔膺M(jìn)入分布環(huán)后經(jīng)多路管線進(jìn)入余熱鍋爐爐膛內(nèi)，與爐膛內(nèi)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(chǎn)生的化學(xué)熱，對(duì)余熱鍋爐產(chǎn)汽單元的鍋爐水加熱，使之產(chǎn)生3.8 MPa、450℃的中壓過(guò)熱蒸汽。

2 進(jìn)氣結(jié)構(gòu)改進(jìn)

余熱鍋爐為立式圓筒結(jié)構(gòu)，在爐膛底部對(duì)稱安裝有兩個(gè)氣體燃燒器，余熱鍋爐燃燒爐膛的煙氣、風(fēng)的進(jìn)氣口大多是直接垂直進(jìn)入爐膛的環(huán)向分布環(huán)，其缺點(diǎn)是煙風(fēng)混合氣體在爐膛內(nèi)停留時(shí)間短，混合不均勻可能會(huì)造成不能充分燃燒，出現(xiàn)爐膛溫度波動(dòng)較大等問(wèn)題。針對(duì)煙氣、風(fēng)道的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)做出了局部改進(jìn)，將環(huán)向分布環(huán)上煙氣、風(fēng)的垂直進(jìn)入改為沿相同方向傾斜一定弧度切向進(jìn)入，沿相同方向進(jìn)入的催化再生煙氣、風(fēng)很容易形成渦流并充分混合燃燒，并且可以增加在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)而使燃燒更充分，對(duì)于爐膛溫度的穩(wěn)定性調(diào)控也更容易。

3 爐膛結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)模擬

余熱鍋爐的爐膛內(nèi)煙氣、燃料氣和風(fēng)的混合氣體充分燃燒于否、高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短是影響余熱鍋爐穩(wěn)定性操作的重要因素。煙氣、風(fēng)進(jìn)氣口方向的改變，無(wú)疑會(huì)影響爐膛內(nèi)燃燒氣流運(yùn)動(dòng)的流向。采用Fluent軟件對(duì)余熱鍋爐環(huán)向分布環(huán)氣體入口方向改變后爐膛內(nèi)氣流流向和燃燒情況進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，以檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)改進(jìn)后能否滿足高溫?zé)煔饣厥盏念A(yù)期效果。

3.1 模型建立

首先在SolidWorks軟件中對(duì)環(huán)向分布環(huán)進(jìn)氣方向改進(jìn)后的余熱鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模(如圖3、4所示)。高溫?zé)煔夂惋L(fēng)沿相同方向傾斜進(jìn)入爐膛，氣流形成均勻混合的渦流，以保證更好的流場(chǎng)效果。

3.2 網(wǎng)格劃分

將SolidWorks中建立的模型存為IGS格式文件，導(dǎo)入CFD前處理的軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

3.3 模擬計(jì)算

完成網(wǎng)格劃分后，以msh格式導(dǎo)入CFD的Fluent6.3解算器中進(jìn)行模擬計(jì)算(表一為流場(chǎng)模擬所需參數(shù))，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行觀察和分析，以了解氣流在余熱鍋爐爐膛內(nèi)燃燒以及流向的動(dòng)態(tài)狀況，如圖2所示。

圖2 可視化截面圖

計(jì)算所涉及的基本計(jì)算方程如下：

(1)連續(xù)性方程

(2)k- ε雙方程模型

湍流動(dòng)能 k 方程：

湍流動(dòng)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(dòng)能；ε- 湍流動(dòng)能耗散率；μ-有效粘性系數(shù)。

3.4 模擬結(jié)果及分析

通過(guò)余熱鍋爐爐膛氣體燃燒截面I、II進(jìn)氣結(jié)構(gòu)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(fēng)混合氣體沿爐膛壁形成旋轉(zhuǎn)渦流，且隨著氣體流量的增加，壓力逐漸增加，爐膛內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流旋轉(zhuǎn)加速，并沿壁向里依此減弱；通過(guò)與壓力云圖的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，模擬結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

圖3 截面1heng壓力云圖

圖4 截面II速度云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的余熱鍋爐環(huán)向分布環(huán)上煙氣、風(fēng)的進(jìn)氣方向改進(jìn)后，可以實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)煙氣的充分混合燃燒，形成的渦流增加了高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)的停留時(shí)間，可以使高溫?zé)煔獾臒崃康玫匠浞洲D(zhuǎn)化，進(jìn)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(duì)于今后探索如何進(jìn)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。