焚硫爐內(nèi)擋墻結(jié)構(gòu)模擬研究

劉耀倩

（南京合創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京210037）

硫酸工業(yè)中，焚硫爐將硫磺與空氣通過(guò)燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)為SO2，內(nèi)部設(shè)置擋墻的目的是為了強(qiáng)化硫磺與空氣的混合，增強(qiáng)爐氣的湍流程度，提高爐氣在焚硫爐內(nèi)的分布均勻程度，使液硫能夠充分燃燒，從而提高焚硫爐空間利用效率和整個(gè)生產(chǎn)效率。焚硫爐設(shè)計(jì)中，擋墻主要有格子擋墻和弓形擋墻2 種類(lèi)型[1]。

格子擋墻是在磚與磚之間留下一個(gè)孔，形成大量的墻孔，使液硫、空氣及反應(yīng)生成的SO2煙氣穿過(guò)墻孔，從而產(chǎn)生擴(kuò)散，達(dá)到強(qiáng)化混合的效果。

弓形擋墻是另一種常見(jiàn)的焚硫爐擋墻形式，爐內(nèi)一般設(shè)有2～3 個(gè)弓形擋板。這樣可以使?fàn)t氣氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，使空氣與液硫強(qiáng)烈混合，從而使液硫得到充分燃燒，生成SO2。其中，第一塊擋墻底部通常留有通道，其作用是使煙氣從下部通過(guò)；第二塊擋墻則相反，使煙氣從上部通過(guò)，達(dá)到強(qiáng)化混合和減小死區(qū)的目的。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在模擬燃燒過(guò)程的流場(chǎng)分析中發(fā)揮了較大作用，能很好地研究湍流和組分傳輸現(xiàn)象[2]，故本文采用CFD 方法對(duì)焚硫爐內(nèi)液硫燃燒進(jìn)行了模擬研究。

1 研究?jī)?nèi)容

該研究借助了ANSYS-Fluent 軟件，數(shù)值模擬了弓形擋墻和格子擋墻對(duì)焚硫爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布影響，比較了2 種擋墻的優(yōu)劣。

2 模型描述

2.1 幾何模型

以500 kt/a 硫磺制酸裝置中使用的焚硫爐為研究對(duì)象，內(nèi)部腔體直徑為4.9 m，全長(zhǎng)為17.3 m，入口處有3 支磺槍[3]。內(nèi)設(shè)弓形擋墻的焚硫爐為模型A，幾何形狀見(jiàn)圖1，內(nèi)設(shè)格子擋墻的焚硫爐為模型B，幾何形狀見(jiàn)圖2。

圖1 內(nèi)設(shè)弓形擋墻的焚硫爐幾何形狀

圖2 內(nèi)設(shè)格子擋墻的焚硫爐幾何形狀

2.2 邊界設(shè)置

對(duì)分析的模型設(shè)定邊界條件，空氣和液硫入口皆為質(zhì)量入口，邊界條件具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)定

3 研究結(jié)果

3.1 模擬可靠性分析

為確保模擬的可靠性，首先將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，表2 為對(duì)比結(jié)果?？梢?jiàn)模擬結(jié)果與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值的誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 模擬可靠性驗(yàn)證

3.2 流場(chǎng)分析

3.2.1 速度場(chǎng)分析

模型A 焚硫爐內(nèi)速度分布見(jiàn)圖3，模型B 焚硫爐內(nèi)速度分布見(jiàn)圖4，

圖3 模型A焚硫爐內(nèi)速度分布

圖4 模型B焚硫爐內(nèi)速度分布

由圖3～4 可見(jiàn)：模型A 的速度部分更加均勻，死區(qū)較少。相較于模型B，模型A 的空間利用率更高。此外，從焚硫爐出口的截面圖也可看出，模型B 的近壁面出低速度區(qū)占比較大，且速度梯度也較大。這表明相較于格子擋墻，弓形擋墻的強(qiáng)化混合效果更好。

3.2.2 溫度場(chǎng)分析

模型A 焚硫爐內(nèi)溫度分布見(jiàn)圖5，模型B 焚硫爐內(nèi)溫度分布見(jiàn)圖6。

圖5 模型A焚硫爐內(nèi)溫度分布

圖6 模型B焚硫爐內(nèi)溫度分布

由圖5～6 可見(jiàn)：模型A 的溫度分布更加均勻，溫度梯度較小，即燃燒幾乎充滿(mǎn)整個(gè)腔體，而模型B 的腔體上部溫度較低，擋墻前的中下部溫度較高。這說(shuō)明燃燒過(guò)程集中在擋墻前的中下部區(qū)域，造成了腔體空間的浪費(fèi)。此外，從表2 可看出，2 種模型的出口溫度相差不大；從焚硫爐內(nèi)溫度分布可看出模型B 的出口溫度梯度較大，溫度最高處已達(dá)1 570 K。這對(duì)出口連接管道的材質(zhì)要求更高[4]。所以相較于格子擋墻，弓形擋墻更加適用于焚硫爐。

3.2.3 SO2濃度場(chǎng)分析

模型A 焚硫爐內(nèi)SO2濃度分布見(jiàn)圖7，模型B焚硫爐內(nèi)SO2濃度分布見(jiàn)圖8。

圖7 模型A焚硫爐內(nèi)SO2濃度分布

圖8 模型B焚硫爐內(nèi)SO2濃度分布

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，該處的摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)值上等于體積分?jǐn)?shù)。類(lèi)似于溫度分布圖，模型A 的SO2濃度分布比模型B 的均勻。此外，模型B 的燃燒過(guò)程離進(jìn)口管較近，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)進(jìn)口管造成一定的損耗，而模型A 進(jìn)口處的溫度較低，起到了保護(hù)進(jìn)口管的作用。另一方面，從表2 的數(shù)據(jù)也可看出，相較于模型B，模型A 出口的SO2濃度更高，即弓形擋墻的設(shè)置使液硫的燃燒更加充分。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

由表2 的模擬結(jié)果可知：模型A 出口的φ（SO2）更高，相較于模型B，出口φ（SO2）提高了2.44%。折算成經(jīng)濟(jì)效益，以500 kt/a 硫酸裝置為例，設(shè)置弓形擋墻可多生產(chǎn)12.5 kt/a 濃硫酸[ 折合w（H2SO4）100%]。以硫酸250 元/t 計(jì)算，可增加收益312.5萬(wàn)元/a。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2 種設(shè)置不同擋墻的焚硫爐的流場(chǎng)分析，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)相較于格子擋墻，煙氣通過(guò)弓形擋墻后速度、溫度、濃度的分布更加均勻。這表明硫磺的燃燒更加充分，焚硫爐的空間利用率更大，出口SO2濃度更高。該研究結(jié)果對(duì)焚硫爐內(nèi)擋墻的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。