生物質(zhì)燃燒機(jī)在乙烯裂解爐燃燒器研發(fā)過程中的應(yīng)用

  以生物質(zhì)燃燒機(jī)裂解爐用燃燒器為例,通過建立模型、網(wǎng)格劃分、模型選取、條件設(shè)置及迭代計算等過程運(yùn)用CFD技術(shù)對爐內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了數(shù)值模擬并對計算結(jié)果進(jìn)行了分3fr,得出了爐膛內(nèi)的燃燒流動和溫度分布,為燃燒器的研發(fā)和設(shè)計提供了依據(jù).

    CID是計算流體動力學(xué)即Conputational Flu-id DYnam jC啪縮寫.CID是模擬包含流體流動、傳熱以及-附加的物理化學(xué)現(xiàn)象的工具.隨著計算機(jī)性能的極大提蒜計算圖形學(xué)的廣泛使用以及穩(wěn)健的CID求解器的開發(fā),CID模擬在各個工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

    乙烯裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備之-‘",乙烯裂解爐內(nèi)的燃燒情況決定著裂解爐的運(yùn)行情況,而裂解爐內(nèi)的燃燒是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程,影響因素很多"1,如爐膛的幾何尺寸、爐管的布置結(jié)構(gòu)、燃燒器的結(jié)構(gòu)形式、燃燒器的布置位噩、燃料的組成、燃料的流量和壓力等.CID數(shù)值模擬技術(shù)是目前設(shè)計燃燒器或評價燃燒器優(yōu)劣的最先進(jìn)的手段.

    對燃燒器進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于:孕可以進(jìn)行多方案比較.設(shè)計方案之間的區(qū)別可以通過修改幾何模型和調(diào)整網(wǎng)格實(shí)現(xiàn),這就保證了方案之間的比較可以快速高效地進(jìn)行.b可以詳細(xì)地了解爐膛內(nèi)的燃燒情況.通過CID軟件的后處理功能,爐膛內(nèi)的火焰形狀、流場、溫度和壓力的分布場等都可通過建立等值面、云圖等手段直觀地表達(dá),甚至爐膛內(nèi)每個位置上的物理量都可通過計算得到.  ?經(jīng)濟(jì)性.對燃燒器的CID數(shù)值模擬完全在計算機(jī)上進(jìn)行,相比于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法可以大大降低研發(fā)費(fèi)用.但是,CFD數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度取決于很多方面,例如幾何模型的精確度,網(wǎng)格的優(yōu)劣,計算模型的選取,數(shù)值計算的收斂情況等,因此CFD數(shù)值模擬方法不能完全取代試驗(yàn)方法,相反通過試驗(yàn)的結(jié)果可以對計算模型中設(shè)置選取的各參數(shù)進(jìn)行修正,使模型更加完善.

    CⅡ模擬過程一般分為前處理(包含幾何建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置計算條件l迭代計算和后處理(查看計算結(jié)果)3個階段.筆者以某裂解爐為例,介紹CFD技術(shù)在己烯裂解爐燃燒器研發(fā)過程中的應(yīng)用.

1前處理

幾何建模

    幾何建模過程可采用通用三維建模軟件完成,如圖1所示為底部燃燒器噴頭的空間分布,底燃燒器為擴(kuò)散式燃料分級燃燒器,共有1個空氣進(jìn)口、2個一級燃料氣進(jìn)口和4個二級燃料氣進(jìn)口,在不影流動和燃燒的前提下,建模時忽略了長明燈和風(fēng)門等一些輔助部件.側(cè)壁燃燒器為預(yù)混式燃燒器,共有2個空氣進(jìn)口和1個燃料氣進(jìn)口,圖2為側(cè)壁燃燒器噴頭的流道.356

劃分網(wǎng)格

    采用了ICE CFD軟件對幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格的劃分情況對最后計算結(jié)果的精確程度影響很大,在條件允許情況下,網(wǎng)格密度應(yīng)能達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)解的要求,即在現(xiàn)有的網(wǎng)格數(shù)量下再增加網(wǎng)格數(shù)量并不會使計算結(jié)果出現(xiàn)任何變化,此時的網(wǎng)格數(shù)量才是足夠的.

    為了節(jié)省資源,并對重要的部分加強(qiáng)網(wǎng)格,由于裂解爐爐膛本身具有對稱性本次對2個底部燃燒器和4個側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱的情況進(jìn)行模擬.

    底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器各自自成體系,而且燃燒器和爐膛的尺寸差距很大,例如底部燃燒器燃料氣噴孔直徑僅有幾毫米,而爐膛的凈尺寸在寬度方向上為幾米,在高度和長度方向?yàn)槭畮酌?數(shù)量級上相差很多.若全部采用六面體網(wǎng)格,則網(wǎng)格同流線的方向能基本保持一致,計算的精度能得到保證,但由于爐膛同燃燒器噴孔的尺寸差距過大,勢必導(dǎo)致劃分網(wǎng)格困難,若保證了噴孔處的網(wǎng)格數(shù)量,則整個爐膛內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量都會增加,使?fàn)t膛網(wǎng)格過密,這樣需要花費(fèi)很長的時間和大量資源來進(jìn)行調(diào)試計算,很不經(jīng)濟(jì);如果不增加噴孔處的網(wǎng)格,則噴孔處過稀的網(wǎng)格不能反映流動的真實(shí)情況,而噴孔處的流動情況對整個妒膛流動情況的影響是不可忽視的,從而會導(dǎo)致模擬的結(jié)果失真,因此不適合全部采用六面體網(wǎng)格.考慮到六面體網(wǎng)格在計算上的優(yōu)勢,模型大部分區(qū)域仍采用六面體網(wǎng)格進(jìn)劃分,局部過渡區(qū)域采用了四面體網(wǎng)格,四面體網(wǎng)格同六面體網(wǎng)格之間用棱柱體網(wǎng)格進(jìn)行連接過渡,這樣即保證了在大部分區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格同流線方向一致,同時也控制了總體的網(wǎng)格數(shù)量,并且在關(guān)鍵部位如噴孔等處的網(wǎng)格數(shù)量也得到了保證,確保了計算的精度,網(wǎng)格單元總計l 344 453個.圖3為底部燃燒器網(wǎng)格劃分情況,圖4為側(cè)壁燃燒器網(wǎng)格劃分情況.

    圖3底部燃燒器網(wǎng)格劃分

設(shè)計計算條件    計算模型,除此之外計算模型選取不當(dāng)還可能造

    設(shè)計計算條件包括了計算模型的選取以及邊  成計算結(jié)果無法收斂,計算出錯等情況.界條件的設(shè)定.計算模型的選取將直接影響到計    1燃燒器計算條件算的精度,對不同的燃燒流動情況應(yīng)選取不同型及邊界條件為底部燃燒器是甲烷空氣非預(yù)混流動燃燒計算,同時應(yīng)考慮氫氣與空氣的反應(yīng),計算采用k-e紊流模型、Methane AirWD2和

 Ai吸應(yīng)模型,Finite Rate Chem jSUy  and  EddYDjS

 spa tion燃燒模型和離散傳播輻射模型.計算時,采用的燃料氣組成(f本積%)為1 8 92%、CH90. 69、a[b 3毗、過剩空氣取ioOA.

    底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器供熱比例為75:2S計算得到以下數(shù)據(jù):

    燃料量(單個底燒) 04215 k9/s

    一級噴嘴燃料量    018 k9/s

    二級噴嘴燃料量    02415 k9/s

    總空氣量(單個底燒)  802 k9/s

    燃料量(單個側(cè)燒)  007 k9/s

    總空氣量(單個側(cè)燒)  1339 k9/s

2裂解爐爐膛計算條件

    整體計算時具體的邊界條件如下:

    爭側(cè)燒、底燒進(jìn)口——給出燃料和空氣的質(zhì)量流量和溫度即可;

    b出口——負(fù)壓平均值為24 5Pa

    ?對稱面——由于爐子幾何和物理現(xiàn)象具有對稱性,為提高計算速度,只模擬部分爐膛,分界面取為對稱面;

    d默認(rèn)壁面——絕熱;

    e爐管面——給出溫度沿高度方向的變化規(guī)律.

2迭代計算

    數(shù)值計箅方法分為有限差分法、有限元法和有限體積法3種,這3種計算方法的基本思想都是把連續(xù)問題離散成不連續(xù)問題,然后來求解.

    CFX和大多數(shù)CID軟件的不同之處在于它除了可以使用有限體積法之外,還采用了基于有限元的有限體積法,保證了在有限體積法守恒特性的基礎(chǔ)上,吸收了有限元法的數(shù)值精確性.CⅨ是第一個發(fā)展和使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)的商業(yè)化軟件,這種求解技術(shù)避免了傳統(tǒng)算法需要"假設(shè)壓力項(xiàng)一求解一修正壓力項(xiàng)"的反復(fù)迭代過程,而同時求解動量方程和連續(xù)方程加上其多網(wǎng)格技7k CFX的計算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法提高了許多陽.迭代計算由計算機(jī)完成,在計算過程中只需設(shè)置相應(yīng)的計算方法,計算步長,觀察計算曲線的走勢,調(diào)整參數(shù)使計算收斂即可.

3后處理(i-l算結(jié)果)

    利用CFX后處理的功能,可以通過建立等值面、云圖及流線等方法觀察爐膛內(nèi)的火焰形狀、煙氣流動情況以及溫度分布情況等.

3 1爐膛內(nèi)的火焰形狀及溫度分布

    爐膛部分的模擬是底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱時的模擬,底部燃燒器高速噴射出的燃料與從燃燒器中心進(jìn)入的助燃空氣混合燃燒在靠近燃燒器的壁面附近形成一個平行于爐管壁面的高溫區(qū)域,這樣一方面可使高溫?zé)煔獠粫蛄鹘?jīng)爐箐而將爐管燒壞,另一方面有利于高溫區(qū)域向爐管輻射熱量.如圖5所示,取∞Mo larFmc

   生物質(zhì)燃燒機(jī) 爐膛內(nèi)的溫度分布由兩個底部燃燒器和個側(cè)壁燃燒器的燃燒情況決定,溫度最高的區(qū)域出現(xiàn)在底部燃燒器燃燒火焰的外圍區(qū)域,隨著高度的增加溫度有所降低,爐膛上部由側(cè)壁燃燒器補(bǔ)充熱量,使?fàn)t膛內(nèi)靠近燃燒器的一邊成高溫區(qū)域,與爐管面相鄰區(qū)域溫度略低,

3 2爐膛內(nèi)的流場及速度場

    圖7和圖8分別為爐膛內(nèi)的流場和速度場.由于底部燃燒器中燃料高速噴出,在爐膛內(nèi)形成一個大的回流區(qū),使?fàn)t膛內(nèi)的煙氣不斷循環(huán),回流的煙氣與燃燒新生成的煙氣相混合有利于降低火焰區(qū)域的溫度,同時也降低了NO.的排放量.側(cè)壁燃燒器為貼壁式的燃燒器,燃料的噴射方向與壁面平行,因此對流場和速度場的影響很小.

    3 3爐膛內(nèi)煙氣濃度分布

    圖9所示的是底部燃燒器火焰附近甲烷含量的分布情況,燃料中大部分組分為甲烷甲烷分別從一級、二級噴嘴中噴出(在中心區(qū)域處的甲烷主要是由一級噴嘴噴出的,而在中心區(qū)域兩側(cè)的甲烷則是由4個二級噴嘴噴出的).對比圖5可以看出,燃燒火焰的形狀主要是由二級燃料的燃燒情況決定的.

    圖10為爐膛內(nèi)氧含量的分布情況,空氣由底部燃燒器下部進(jìn)入,經(jīng)燒嘴磚流道從底部燃燒器中心處進(jìn)入爐膛,底部燃燒器正上方的氧含量較

高,盡管隨著燃燒的進(jìn)行氧在火焰燃燒區(qū)迅速被消耗,但因計算中過剩空氣取了10%．故在爐膛出口處仍有氧剩余.

3 4輻射強(qiáng)度曲線

    爐管主要依靠輻射傳熱的方式吸收熱量,爐管面處的輻射強(qiáng)度分布能夠反映出爐膛內(nèi)燃燒器的整體加熱效果,均勻的輻射強(qiáng)度分布有利于延長裂解爐的操作周期和爐管的使用壽命.在靠近爐管面處取輻射強(qiáng)度,做出輻射強(qiáng)度隨爐膛高度的變化情況,如圖1 1所示,靠近爐管面附近日寸,輻射強(qiáng)度分布均勻,燃燒器輻射加熱爐管的效果良好.

4熱態(tài)試驗(yàn)

    為了加快乙烯裂解爐用燃燒器的研發(fā)進(jìn)程緊跟世界先進(jìn)水平,并驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度,在熱態(tài)試驗(yàn)爐(高度與工業(yè)裂解爐一致)內(nèi)進(jìn)行了2臺底部燃燒器和4臺側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱嶼實(shí)際供熱方式相同)的熱態(tài)試驗(yàn).通過測試爐內(nèi)的溫度分布、熱流密度曲線以及煙氣成分等參數(shù)來驗(yàn)證CFX模擬的正確性,結(jié)果表明數(shù)據(jù)吻合較好.同時,說明模擬時模型選取和參數(shù)設(shè)置是合理的.

5結(jié)束語

    本文通過運(yùn)用CFDrR擬軟件,模擬了生物質(zhì)燃燒機(jī)爐內(nèi)底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器的燃燒情況,詳細(xì)地介紹了模擬的過程,得出了爐膛內(nèi)的燃燒流動和溫度分布等,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.通過對計算結(jié)果的分析可以判斷燃燒器的設(shè)計是否正確特別是噴頭的空間布置、噴孔的大小及角度是否合理,通過不斷地調(diào)整以上幾個幾何參數(shù)就可逐漸逼近裂解爐工藝包對燃燒器的要求,從而優(yōu)化燃燒器的設(shè)計.此次模擬的燃燒器具有一定的代表性,計算方法和結(jié)果可以為然燒器的研發(fā)和設(shè)計提供重要依據(jù).