劉 靜，時(shí)明偉

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 100176）

隨著環(huán)保要求的升級，對SO2排放量及油品含硫量控制日趨嚴(yán)格。克勞斯硫回收工藝是一種以制取硫磺為目標(biāo)的酸性氣脫硫工藝[1]。在該工藝流程中，核心設(shè)備主反應(yīng)爐燃燒器工作性能的優(yōu)劣對整個(gè)工藝流程的硫回收效果尤為關(guān)鍵。約有三分之一的酸性氣需要和氧反應(yīng)生成SO2，生成的SO2再和H2S反應(yīng)生成單質(zhì)硫。所以對于主燃燒器來說，燃燒反應(yīng)是欠氧反應(yīng)，氧氣的流量是需要按比例嚴(yán)格控制的。在運(yùn)行過程中，不僅需要讓酸性氣與氧充分反應(yīng)，還需要組織好未被氧化的酸性氣與SO2生成單質(zhì)硫的反應(yīng)[2]。特別是近年來興起的純氧或富氧克勞斯工藝，由于純氧或富氧的氧氣濃度比空氣高導(dǎo)致燃燒反應(yīng)溫度高，從燃燒器的設(shè)計(jì)和組織燃燒來說著火點(diǎn)的控制和火焰造型等問題對燃燒器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

目前國內(nèi)克勞斯硫回收工藝使用的主燃燒器中進(jìn)口品牌有荷蘭Duiker、加拿大HEC和美國Johnzink等[3]，國內(nèi)品牌有航天石化，洛陽瑞昌等。燃燒器主要分為兩大類：半預(yù)混式和擴(kuò)散式。其中，由于半預(yù)混形式在酸氣和純氧進(jìn)入燃燒室之前部分摻混，反應(yīng)速度快，燃燒火焰較擴(kuò)散式短，運(yùn)行更加穩(wěn)定，所以具有更廣泛的應(yīng)用。

本文對純氧半預(yù)混主燃燒器的核心部件旋流器進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬分析了不同旋流器對擴(kuò)散和燃燒流場的影響，為旋流器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并給出了優(yōu)化解決方案。

1 設(shè)計(jì)方法簡介

模擬的純氧燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中N1口是酸氣進(jìn)口，酸氣進(jìn)入燃燒器后首先通過布風(fēng)器分配均勻，然后經(jīng)過旋流器，從旋流器流出后進(jìn)入喉口，與純氧進(jìn)行著火前的預(yù)摻混。而N2口是純氧進(jìn)口，由于純氧來氣壓力較高，一般采用噴槍的形式。純氧通過噴頭噴射，摻入酸氣中，隨著酸氣的旋流進(jìn)行混合，然后著火燃燒。

圖1 純氧燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 純氧工況設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 旋流強(qiáng)度的定義

旋流器作為燃燒器的重要組成部件，主要的功能是使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，以加強(qiáng)物料之間的摻混。旋流器最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)就是旋流強(qiáng)度。旋流強(qiáng)度是表征旋轉(zhuǎn)射流的一個(gè)重要的無因次準(zhǔn)則數(shù)，以氣流切向旋轉(zhuǎn)動量矩與軸向動量矩之比定義為旋流強(qiáng)度n[4]。

旋轉(zhuǎn)動量矩M=ρQWtR

軸向動量K=ρQWaL

最終旋流強(qiáng)度定義為：

式中：ρ—?dú)庀嗝芏?，kg/m3

Q—?dú)怏w流量，m3/s

Wt，Wa—?dú)怏w切向速度和軸向速度，m/s

R—?dú)饬餍D(zhuǎn)半徑，m

L—定性尺寸，πd0/8，m

d0—喉口直徑，m

2.2 化學(xué)反應(yīng)模型

主要考慮了以下化學(xué)反應(yīng)[5]：

該工藝反應(yīng)中，有三分之一的含H2S的酸性氣先與O2反應(yīng)，生成SO2。其余三分之二的酸性氣與生成的SO2反應(yīng)，生成單質(zhì)硫。

2.3 計(jì)算建模

數(shù)值計(jì)算采用Fluent計(jì)算軟件，流動計(jì)算采用基于壓力求解的雷諾平均N-S方程，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁模型采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)采用EDC（Eddy-Dissipation Concept）模型。

為減少計(jì)算網(wǎng)格提高計(jì)算效率，將原模型簡化為軸對稱結(jié)構(gòu)，取1/4為計(jì)算區(qū)域。網(wǎng)格采用四面體和六面體混合網(wǎng)格，總數(shù)約78萬。對稱邊界采用周期性邊界條件。

模型圖和局部細(xì)節(jié)如圖2所示。

圖2 純氧燃燒器建模圖

3 結(jié)果與分析

對純氧燃燒器在不同旋流強(qiáng)度條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先進(jìn)行了冷流狀態(tài)下的摻混計(jì)算，在摻混計(jì)算結(jié)果滿足收斂條件的情況下，加入化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算收斂。

3.1 冷流摻混計(jì)算結(jié)果

不同旋流強(qiáng)度下O2的摩爾濃度分布如圖3所示?？梢钥闯?，旋流強(qiáng)度為0.8和1.0時(shí)的摻混效果更好，在流出喉口以后，整個(gè)流場已經(jīng)基本摻混均勻。但旋流強(qiáng)度為0.6的算例結(jié)果顯示，小燃室內(nèi)仍然存在氧濃度分布不均勻的現(xiàn)象，摻混效果相對較差。

圖3 不同旋流強(qiáng)度（0.6、0.8及1.0）下的O2摩爾濃度分布圖

隨著旋流強(qiáng)度的增大，流場中氣流的旋轉(zhuǎn)流動趨勢逐漸增大。不同旋流強(qiáng)度下三維流線分布和截面流線如圖4所示。從三維流線分布看，流場中流線的旋轉(zhuǎn)程度不斷增大。n=0.6的流場中，流線在出口處基本上速度垂直于出口截面方向，無明顯的旋轉(zhuǎn)流動趨勢。n=0.8和1.0的出口速度流線與出口截面存在著一定的角度，明顯存在著切向運(yùn)動。

圖4 不同旋流強(qiáng)度（0.6、0.8及1.0）下的三維流線和截面流線圖

截面流線分布圖中，從氣流流動的充滿度看，旋流強(qiáng)度越大，切向速度越大，氣流在燃燒室內(nèi)的充滿度越高。n=0.6的流場中，燃燒室上部主流的充滿度只局限于流場中心區(qū)域，周邊空的區(qū)域存在一個(gè)弱的大回流區(qū)；而n=0.8的流場，只在小燃室內(nèi)有一些回流；而n=1.0的流場在氣流流出小燃室后，在爐膛內(nèi)全部充滿，流動的組織性較好。從摻混的角度來看，旋流強(qiáng)度越大，流場的湍流效應(yīng)越明顯，氧氣與酸氣的摻混程度越好。

3.2 化學(xué)反應(yīng)計(jì)算結(jié)果

不同旋流強(qiáng)度下化學(xué)反應(yīng)溫度場分布如圖5所示?？梢钥闯?，燃燒流場的穩(wěn)定性與摻混流場是一致的。n=0.6的流場，由于摻混效果較差，出現(xiàn)火焰不穩(wěn)定，甚至不能形成固定火焰面，且小燃室內(nèi)靠近襯里壁面處的溫度反而比中心更高，這種情況容易造成襯里損壞；而n=0.8和1.0火焰較為穩(wěn)定。n=1.0的火焰高溫區(qū)集中在爐膛中部，且長度較長，一直延伸到主燃燒室的錐段后。相對來說，n=0.8的流場溫度分布更加均勻，且火焰長度較短，長度范圍控制在小燃室內(nèi)。

圖5 不同旋流強(qiáng)度（0.6，0.8及1.0）下的流場溫度分布圖

小燃室接近出口位置（軸向Z=1.15 m）截面不同旋流強(qiáng)度流場中溫度分布曲線如圖6所示?？梢钥闯?，在小燃室出口處，不同旋流強(qiáng)度所形成的高溫區(qū)分布不同。n=0.6的截面溫度最不均勻，中心溫度940 K，隨著徑向尺寸的增加，溫度逐漸升高，一直升至1 250 K；n=1.0的溫度峰值較明顯，最高溫度1 300 K，且整體溫度水平都在1 100 K以上；n=0.8的溫度峰值和低溫區(qū)的差異最小，整體溫度分布最均勻。

圖6 不同旋流強(qiáng)度流場中軸向Z=1.15 m截面處溫度分布圖

不同旋流強(qiáng)度流場中Z=1.15 m截面處軸向速度分布如圖7所示。總體來看流場的軸向速度分布基本一致，均在70～80 m/s之間，且分布趨勢為中間高，四周低。

圖7 不同旋流強(qiáng)度流場中Z=1.15 m截面處軸向速度分布圖

不同旋流強(qiáng)度下S單質(zhì)濃度分布如圖8所示。小燃室內(nèi)S單質(zhì)的生成與反應(yīng)溫度密切相關(guān)，溫度較高的位置對應(yīng)的生成的S單質(zhì)的量較多。n=0.6時(shí)小燃室和爐膛內(nèi)都有S單質(zhì)分布；n=0.8和1.0的圖中，S單質(zhì)從小燃室到出口處，呈現(xiàn)逐步增多的趨勢，化學(xué)反應(yīng)是逐步進(jìn)行的過程，這也與實(shí)際情況是相符的。

圖8 不同旋流強(qiáng)度（0.6，0.8及1.0）下的S單質(zhì)摩爾濃度分布圖

相對應(yīng)的H2S摩爾濃度分布圖中（見圖9），參加反應(yīng)的H2S從小燃室到爐膛出口逐步減少。

圖9 不同旋流強(qiáng)度（0.6，0.8及1.0）下的H2S摩爾濃度分布圖

對于燃燒器的設(shè)計(jì)過程，還需要考慮燃燒器的壓降設(shè)計(jì)。酸性氣在進(jìn)入燃燒器后，經(jīng)過一系列部件，氣流的壓力逐漸降低。部件中阻力最大的就是旋流器。對于三種旋流強(qiáng)度的壓降計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同旋流強(qiáng)度（0.6，0.8及1.0）下的壓降

各旋流強(qiáng)度的壓降隨著旋流強(qiáng)度的增加而減小，但總體上數(shù)值差別不大。計(jì)算結(jié)果沒有考慮摩擦阻力和局部阻力等加工因素。三種旋流器的阻力降范圍均在4.3～4.4 kPa左右。

4 結(jié)論

對比研究了三種旋流強(qiáng)度的旋流器對硫回收燃燒器流場的影響。從摻混的角度看，旋流強(qiáng)度增大，有利于酸性氣和純氧的摻混，對整個(gè)燃燒室的流場流動形式有較大的影響。旋流強(qiáng)度越大，燃燒室流場的回流區(qū)越小，流動在燃燒室里空間利用越充分，越有利于促進(jìn)摻混。從燃燒的角度看，低旋流強(qiáng)度（n=0.6）會在小燃室產(chǎn)生不均勻的溫度分布區(qū)，甚至發(fā)生燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象；旋流強(qiáng)度增高后（n=0.8，n=1.0）溫度不均勻性減弱，整個(gè)燃燒更加穩(wěn)定。流場中生成單質(zhì)S的摩爾濃度隨著燃燒溫度的升高而增大。在相同的喉口流速條件下，旋流器的阻力隨著旋流強(qiáng)度的變化不大，理論計(jì)算結(jié)果一般在4.3～4.4 kPa左右。從摻混過程、燃燒穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)等方面綜合來看，推薦的旋流器的旋流強(qiáng)度在0.8～1.0之間。