劉 靜 胡 濤 王亞飛 韓大偉
(北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司)
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類對環(huán)境安全的重要性越來越重視。 化工企業(yè)生產(chǎn)運行后產(chǎn)生的大量廢氣和廢水需要進行焚燒處理,達到排放標(biāo)準(zhǔn)后才能外排,以保證人類賴以生存的地球環(huán)境不被污染[1]。為此,筆者設(shè)計了一種能處理大流量有機廢氣的焚燒裝置,這種焚燒裝置的特點是處理廢氣量較大,然而在環(huán)保達標(biāo)的同時還需要考慮節(jié)能降耗, 所以更需要高效利用煙氣的顯熱。 由于具有以上特點,該裝置在設(shè)計和現(xiàn)場運行過程中遇到了一些技術(shù)難題。 故筆者利用數(shù)值模擬軟件,結(jié)合工程經(jīng)驗進行全面分析后,對裝置核心設(shè)備焚燒爐的一些關(guān)鍵設(shè)計點進行優(yōu)化設(shè)計,以提升焚燒爐的運行穩(wěn)定性和安全性。
該裝置處理的廢氣有以下特點:
a. 廢氣流量大。處理量在每小時幾萬到十幾萬標(biāo)立的量級。 相對于常規(guī)的廢氣焚燒裝置只有每小時幾千標(biāo)立的處理量,該裝置的廢氣處理量是十分龐大的。
b. 廢氣熱值較低。廢氣熱值每標(biāo)立只有幾百大卡, 所以屬于無法產(chǎn)生燃燒火焰的低熱值廢氣。 廢氣組分中大部分為氮氣、水及二氧化碳等不可燃?xì)怏w,還含有少量的烴類、丙烯腈及氰化氫等物質(zhì)。
c. 廢氣來氣壓力低。 廢氣的來氣壓力一般在幾千帕到十幾千帕,較低的來氣壓力對廢氣進入爐膛的形式和摻混效果均有限制。
針對廢氣的特點,焚燒裝置工藝設(shè)計既要高效處理廢氣,摧毀有毒有害物質(zhì),又要保證低氮氧的排放要求,綜合余熱回收期待最大限度地回收煙氣余熱,達到經(jīng)濟節(jié)能的目的[2,3]。 其工藝流程如圖1 所示。
圖1 有機廢氣焚燒工藝流程示意圖
從生產(chǎn)裝置出來的廢氣首先進入焚燒裝置的廢氣換熱器,與熱煙氣換熱后,被預(yù)熱到70 ℃的廢氣進入焚燒爐高溫廢氣總管,經(jīng)過流量分配后進入焚燒爐進行焚燒,焚燒后的煙氣依次經(jīng)過余熱鍋爐、廢氣換熱器和空氣換熱器,煙氣溫度降至150 ℃后經(jīng)煙囪排放至大氣。 在此流程中,余熱鍋爐產(chǎn)生4.0 MPa 的390 ℃過熱蒸汽。 煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后分兩股分別將廢氣和助燃空氣加熱到470 ℃和490 ℃后進入焚燒爐。 焚燒介質(zhì)參數(shù)見表1。
表1 焚燒介質(zhì)參數(shù)
該工藝流程最大限度地利用了焚燒過程中的熱能,節(jié)約了大量的燃料,在焚燒處理廢氣的同時,可產(chǎn)生大量的廠用過熱蒸汽,經(jīng)濟效益良好。
焚燒工藝流程中的設(shè)備主要有焚燒爐、余熱鍋爐、廢氣換熱器、空氣換熱器及煙囪等。 焚燒爐作為該工藝流程的核心設(shè)備,面臨著以下設(shè)計難點:
a. 由于廢氣處理量巨大,該焚燒爐設(shè)計煙氣停留時間為3 s,爐膛容積達到了近千立,所以對焚燒爐的燃燒器配置、火焰燃燒組織方式、爐膛內(nèi)氣動流場分布及爐殼強度設(shè)計等方面都提出了更高的要求。
b. 配合焚燒的助燃空氣的分配問題。 大量的助燃空氣采用總管加支管的多流道分配方式,那么能否按設(shè)計流量進行均勻分配,這就關(guān)系到管道的阻力設(shè)計問題。
c. 為了節(jié)能降耗, 換熱器的功能發(fā)揮到極致,廢氣被預(yù)熱到470 ℃進入爐膛,高溫廢氣管道與低溫爐殼的焊縫承受大溫差的問題需要謹(jǐn)慎考慮,一旦出現(xiàn)裂縫,輕則損壞設(shè)備,重則泄漏大量有毒廢氣。
焚燒爐頂部環(huán)布6 臺燃燒器(圖2)以提供熱源[4],保證爐膛燃燒溫度在1 000 ℃。 廢氣通過廢氣總管分3 層分別進入爐體。 助燃空氣分為兩路,一路為頂部6 臺燃燒器供風(fēng),另一路通過空氣總管,分4 層分別進入爐體。 廢氣和空氣采用套管結(jié)構(gòu),上部3 層各分為8 個管口,垂直爐膛軸線方向,噴入焚燒爐進行燃燒。 空氣第4 層設(shè)計了6 個噴口, 垂直爐膛軸線噴入空氣進行補燃。
圖2 改造前燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖
頂部6 臺燃燒器初始設(shè)計為平流式燃燒器,配風(fēng)采用二級配風(fēng),以降低燃燒過程中產(chǎn)生的熱力型NOx。在運行過程中通過視鏡觀察發(fā)現(xiàn),隨著廢氣大量通入爐膛,燃燒器火焰發(fā)生偏移,出現(xiàn)飄忽不定的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。 即使采用旋流穩(wěn)焰器,依然無法改善該問題,而且火焰的不穩(wěn)定性隨著廢氣負(fù)荷的提升越加嚴(yán)重。
為此,筆者采用Fluent 軟件對焚燒爐燃燒流場進行模擬分析,發(fā)現(xiàn)由于下部環(huán)向進入的廢氣沖入爐膛后在爐膛上部形成一個巨大的回流區(qū),回流區(qū)氣流回卷造成了燃燒器火焰的偏心。 而且隨著廢氣的流量加大、流速加快,火焰受到回卷氣流的影響更大,最終出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況。
在原燃燒器的基礎(chǔ)上,將燃?xì)鈽尯头€(wěn)焰器上移,并且在燃燒器內(nèi)預(yù)制一個小燃室;火焰根部縮進小燃室, 保證不再受到爐膛卷吸氣流的影響,燒嘴磚和穩(wěn)焰器都可以對火焰起到良好的穩(wěn)燃作用。 改造后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示,燃燒器火焰穩(wěn)定,不再受到爐膛廢氣的干擾。
圖3 改造后燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖
焚燒爐爐體的空氣分4 層進入爐膛,前3 層與廢氣管道形成套管結(jié)構(gòu)。 由于環(huán)管在設(shè)計中要留出廢氣外接管口的位置,所以無法形成貫通的流道,需要在端部截出一個缺口,如圖4a 所示。
圖4 空氣管路及其流速模擬結(jié)果
采用管網(wǎng)流體分析軟件Pipenet 對該管路空氣流動進行模擬分析,發(fā)現(xiàn)在空氣噴口直徑相同的情況下,空氣環(huán)形管路的兩個終點位置處的空氣流速比其他管口流速高22%,導(dǎo)致空氣在終點噴口處的空氣流量較大,空氣在爐膛內(nèi)分配不均勻,如圖4b 所示。
為保證爐膛內(nèi)空氣流量分布均勻,在終點的兩個噴口處分別增設(shè)一個直徑略小于噴口的阻力內(nèi)套管,如圖5a 所示。 通過增設(shè)該阻力件,增大了終點管口處的阻力系數(shù),保證各管口的流速一致,從而解決了空氣噴口流量分配不均勻的問題。Pipenet 計算結(jié)果如圖5b 所示,端點兩個噴管在增設(shè)阻力件后,流速與其他管口一致。
圖5 增設(shè)阻力件的空氣管路及其流速模擬結(jié)果
廢氣通過廢氣總管分3 層分別進入爐體,每層廢氣單獨配送助燃空氣。 考慮到廢氣量與空氣量較大,為保證流量分布均勻,每層廢氣和助燃空氣均通過大環(huán)管然后經(jīng)8 根均布小管分配后進入爐膛。每根廢氣分布小管配一根助燃空氣小管,其典型設(shè)計如圖6 所示。 廢氣分布小管主要承受廢氣、 助燃空氣和焚燒之后煙氣三者之間由于溫度不同而引起的溫差應(yīng)力。
圖6 廢氣接管、助燃風(fēng)接管與爐體連接典型設(shè)計圖
焚燒爐殼體運行溫度基本在80 ℃左右,廢氣和空氣被加熱至200 ℃左右, 三者溫差在120 ℃左右,設(shè)計時沒有對接管進行保護,選材上優(yōu)先使用的是碳鋼等材料。在實際使用過程中,曾出現(xiàn)少數(shù)焊縫撕裂的現(xiàn)象, 這是由材料承受溫差引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致的,特別是如果焊縫本身制造有缺陷,則溫差應(yīng)力會將此缺陷放大,造成局部失效,影響設(shè)備的正常使用。
設(shè)備運行過程中, 廢氣和助燃空氣分別需要加熱至470 ℃和490 ℃, 這導(dǎo)致與爐體的溫差高達400 ℃。 為此,需要對結(jié)構(gòu)進行安全性評價。 借助ANSYS 軟件采用有限元方法對結(jié)構(gòu)進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到應(yīng)力云圖如圖7 所示。 由圖7可以看出, 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在廢氣管與爐體連接處,為1 736.660 MPa。由于溫差應(yīng)力為二次應(yīng)力,按照J(rèn)B 4732—1995 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn))[5]的要求,應(yīng)力值應(yīng)小于3[σ](348 MPa),由此可預(yù)見該結(jié)構(gòu)在實際使用中必然會出現(xiàn)焊縫撕裂的現(xiàn)象,需要對設(shè)備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
圖7 原結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖
為降低焊縫處的溫差,在廢氣與焚燒爐殼體焊接區(qū)域引入熱防護結(jié)構(gòu), 以降低此處的溫度。熱防護結(jié)構(gòu)主要由2 mm 的陶瓷纖維紙和2 mm的隔熱金屬套管組成, 金屬套管材料為S30408。改進后的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。
圖8 廢氣接管、助燃風(fēng)接管與爐體連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計圖
熱防護結(jié)構(gòu)參與溫度場分析,不進行結(jié)構(gòu)分析。 對改進后的結(jié)構(gòu)進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到應(yīng)力云圖如圖9 所示。 由于9 可以看出,應(yīng)力最大值仍然出現(xiàn)在廢氣管與爐體連接處,為314.171 MPa,按照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn)) 的要求,應(yīng)力值應(yīng)小于3[σ](348MPa)。因此,改進后的結(jié)構(gòu)是安全的,能夠保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。
圖9 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖
結(jié)合圖7、9 可知,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值大幅降低, 極大地減小了溫差引起的熱應(yīng)力,優(yōu)化效果顯著。 設(shè)備運行至今,狀態(tài)良好,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)從根本上解決了廢氣接管和殼體焊接處由溫差造成的焊縫撕裂問題,保證了設(shè)備在高溫差的工況下仍能安全運行。
5.1 根據(jù)爐膛氣體動力學(xué)流動特性,對燃燒器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,改善了整個爐子的燃燒穩(wěn)定性。
5.2 針對空氣管路流量分配不均勻的問題,通過增設(shè)阻力件,改善阻力特性,實現(xiàn)流量分配均衡化。
5.3 針對高溫廢氣與低溫爐體接管的焊縫處可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題,通過增加隔熱結(jié)構(gòu)大幅降低了該處的熱應(yīng)力,解決了該處熱應(yīng)力偏高的問題,保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。