楊衛(wèi)鋒，孟照凱，徐金文，劉國亮，蔣國棟，尹桂超

(中國化工正和集團股份有限公司，山東 東營 257342)

眾所周知，石油煉化行業(yè)在生產(chǎn)工程中產(chǎn)生大量的高溫煙氣，而高溫煙氣是石油煉化行業(yè)重要的“二次能源”，采用余熱鍋爐回收高溫煙氣余熱資源是煉油行業(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。從目前余熱鍋爐的使用效果來看，余熱鍋爐對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)計基礎(chǔ)上進行了改進，并進行了流場數(shù)值模擬，可用于高溫煙氣回收，提高余熱利用率。

1 催化煙氣回收原理

自裝置來的高溫煙氣進入分布環(huán)后經(jīng)多路管線進入余熱鍋爐爐膛內(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)生的化學熱，對余熱鍋爐產(chǎn)汽單元的鍋爐水加熱，使之產(chǎn)生3.8 MPa、450℃的中壓過熱蒸汽。

2 進氣結(jié)構(gòu)改進

余熱鍋爐為立式圓筒結(jié)構(gòu)，在爐膛底部對稱安裝有兩個氣體燃燒器，余熱鍋爐燃燒爐膛的煙氣、風的進氣口大多是直接垂直進入爐膛的環(huán)向分布環(huán)，其缺點是煙風混合氣體在爐膛內(nèi)停留時間短，混合不均勻可能會造成不能充分燃燒，出現(xiàn)爐膛溫度波動較大等問題。針對煙氣、風道的進氣結(jié)構(gòu)做出了局部改進，將環(huán)向分布環(huán)上煙氣、風的垂直進入改為沿相同方向傾斜一定弧度切向進入，沿相同方向進入的催化再生煙氣、風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)的停留時間，進而使燃燒更充分，對于爐膛溫度的穩(wěn)定性調(diào)控也更容易。

3 爐膛結(jié)構(gòu)的流場模擬

余熱鍋爐的爐膛內(nèi)煙氣、燃料氣和風的混合氣體充分燃燒于否、高溫煙氣在爐膛內(nèi)停留時間的長短是影響余熱鍋爐穩(wěn)定性操作的重要因素。煙氣、風進氣口方向的改變，無疑會影響爐膛內(nèi)燃燒氣流運動的流向。采用Fluent軟件對余熱鍋爐環(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行了流場模擬，以檢驗其結(jié)構(gòu)改進后能否滿足高溫煙氣回收的預期效果。

3.1 模型建立

首先在SolidWorks軟件中對環(huán)向分布環(huán)進氣方向改進后的余熱鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)進行三維實體建模(如圖3、4所示)。高溫煙氣和風沿相同方向傾斜進入爐膛，氣流形成均勻混合的渦流，以保證更好的流場效果。

3.2 網(wǎng)格劃分

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

圖1 網(wǎng)格劃分

3.3 模擬計算

完成網(wǎng)格劃分后，以msh格式導入CFD的Fluent6.3解算器中進行模擬計算(表一為流場模擬所需參數(shù))，同時對流場模擬結(jié)果進行觀察和分析，以了解氣流在余熱鍋爐爐膛內(nèi)燃燒以及流向的動態(tài)狀況，如圖2所示。

圖2 可視化截面圖

計算所涉及的基本計算方程如下：

(1)連續(xù)性方程

(2)k- ε雙方程模型

湍流動能 k 方程：

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

3.4 模擬結(jié)果及分析

通過余熱鍋爐爐膛氣體燃燒截面I、II進氣結(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；通過與壓力云圖的結(jié)果相對應，模擬結(jié)果達到了預期效果。

圖3 截面1heng壓力云圖

圖4 截面II速度云圖

4 結(jié)束語

本文提出的余熱鍋爐環(huán)向分布環(huán)上煙氣、風的進氣方向改進后，可以實現(xiàn)爐膛內(nèi)煙氣的充分混合燃燒，形成的渦流增加了高溫煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間，可以使高溫煙氣的熱量得到充分轉(zhuǎn)化，進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。對于今后探索如何進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。