一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法.pdf

本发明公开了一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法，环壁保护燃烧炉包括燃烧器和设置在燃烧器前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热衬里。在燃烧器的壳体内设置有保护气旋流片和分流孔；在燃烧器的壳体内设置有与过程气进口环腔相通的过程气进炉分配管；所述过程气进炉分配管沿壳体圆周方向均布并与壳体中轴线成45°～60°的夹角。本发明的积极效果是：保证了燃烧气体和空气的充分预混合；对燃烧炉的耐火材料衬里起到保护作用；计算方法便于在改进和使用过程中提供指导。

1.  一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：包括燃烧器和设置在燃烧器前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热衬里。

2.  根据权利要求1所述的一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：在燃烧器的壳体内设置有保护气旋流片和分流孔。

3.  根据权利要求1所述的一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：在燃烧器的壳体内设置有与过程气进口环腔相通的过程气进炉分配管。

4.  根据权利要求3所述的一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：所述过程气进炉分配管沿壳体圆周方向均布并与壳体中轴线成45°～60°的夹角。

5.  根据权利要求1所述的一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：在燃烧器混合段和反应段对应的壳体上均设置有温度计检测接口。

6.  根据权利要求1所述的一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：所述过程气出口设置在燃烧器壳体的尾端，且开口向上。

7.  一种环壁保护燃烧炉的传热传质数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、对燃烧炉内的流动燃烧过程建立几何模型；
步骤二、对几何模型进行网格划分并进行数值求解；
步骤三、拟合保护风流量随过程气流量变化的函数关系；
步骤四、对模拟结果进行验证：当模拟结果与运行数据误差在5%-10%以内时，则进入步骤五；否则，返回步骤一；
步骤五、壁面传热模拟计算；
步骤六、对燃烧炉内壁不同温度下建立隔热层厚度、耐火层厚度与壳体外壁温度的函数关系；
步骤七、根据模拟结果拟合得到过程气流量与燃烧炉接口面积和体积之间的函数关系，其中：
（1）过程气流量与燃烧炉体积之间的函数关系为：
 V=4.26833×G×10^-4
其中，G为过程气流量，V为燃烧炉体积；
（2）过程气流量与燃烧炉接口面积的函数关系为：
S=3.83188×G^0.66667×10^-4
其中，S为燃烧炉接口面积。

8.  根据权利要求7所述的一种环壁保护燃烧炉的传热传质数值模拟方法，其特征在于：步骤三所述拟合保护风流量随过程气流量变化的函数关系的方法为：运行过程气流量在正常工况、最大工况和中间工况下的模拟结果，并取各工况所对应的最佳保护风流量，拟合得到保护风流量随过程气流量变化的函数关系为：
B=0.16851×G－2000，
其中，B为保护风流量；
所述运行正常工况、最大工况和中间工况下的模拟结果均包含速度场、温度场和浓度场的模拟结果。

一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法
技术领域
本发明属于天然气处理厂硫磺回收用再热炉的设计技术领域，尤其涉及一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法。
背景技术
气体燃烧主要有三种方式：非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。现有硫磺回收装置再热炉所配燃烧器的燃烧属预混燃烧方式，在工作状态燃烧炉炉壁直接暴露在高温中，当工况波动较大时，炉膛温度极易升高，使得炉壁温度显著上升，甚至超过耐火材料极限而使衬里垮塌失效。因此，亟须对现有燃烧炉和燃烧工艺改进，以确保燃烧炉超温时衬里的安全可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法。
本发明所采用的技术方案是：一种环壁保护燃烧炉，包括燃烧器和设置在燃烧器前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热衬里。
进一步地，在燃烧器的壳体内设置有保护气旋流片和分流孔。
进一步地，在燃烧器的壳体内设置有与过程气进口环腔相通的过程气进炉分配管；所述过程气进炉分配管沿壳体圆周方向均布并与壳体中轴线成45°～60°的夹角。
进一步地，在燃烧器混合段和反应段对应的壳体上均设置有温度计检测接口。
进一步地，过程气出口设置在燃烧器壳体的尾端，且开口向上。
本发明还提供了一种环壁保护燃烧炉的传热传质数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、对燃烧炉内的流动燃烧过程建立几何模型；
步骤二、对几何模型进行网格划分并进行数值求解；
步骤三、拟合保护风流量随过程气流量变化的函数关系；
步骤四、对模拟结果进行验证：当模拟结果与运行数据误差在5％-10％以内时，则进入步骤五；否则，返回步骤一；
步骤五、壁面传热模拟计算；
步骤六、对燃烧炉内壁不同温度下建立隔热层厚度、耐火层厚度与壳体外壁温度的函数关系；
步骤七、根据模拟结果拟合得到过程气流量与燃烧炉接口面积和体积之间的函数关系，其中：
(1)过程气流量与燃烧炉体积之间的函数关系为：
V＝4.26833×G×10^-4
其中，G为过程气流量，V为燃烧炉体积；
(2)过程气流量与燃烧炉接口面积的函数关系为：
S＝3.83188×G^0.66667×10^-4
其中，S为燃烧炉接口面积。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)保证了燃烧气体和空气的充分预混合；
(2)通过在壳体上设置保护风进口，将保护风引入到燃烧炉周边，对燃 烧炉的耐火材料衬里起到保护作用；
(3)提供一种对燃烧炉的传热传质数值的精确计算方法，以便于在改进和使用过程中提供指导。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明燃烧炉的结构示意图；
图2为燃烧炉本体的轴向剖面示意图；
图3为取炉体的横断面为计算传热对象时所得到的网格示意图；
图4是实施例拟合得到隔热层厚度D_ge、耐火层厚度D_nai与壁温T的关系示意图；
图5是处理量与再热炉体积间的关系示意图；
图6是处理量与接口尺寸间的关系示意图。
具体实施方式
一种环壁保护燃烧炉，如图1和图2所示，包括：燃料气进口1、燃烧器壳体2、空气进口3、环壁保护风进口4、耐火隔热衬里5、过程气进口6、过程气进口环腔7、过程气进炉分配管8、过程气出口9、温度计接口10等，其中：
在燃烧器前端设置有燃料气进口1，在燃烧器壳体2内设置有耐火隔热衬里5，在燃烧器壳体2上设有空气进口3、环壁保护风进口4、过程气进口环腔7和过程气出口9。在过程气进口环腔7上设置有过程气进口6。在燃烧器尾端设置有开口向上的再热加热后的过程气出口9。在燃烧器壳体2的燃烧混合段和反应段设置温度计检测接口10，用于对炉膛温度和过程气出口温度进行监测。
环壁保护是指在引入保护气体、并通过燃烧器内部的保护气旋流片11(如图2所示)及分流孔的引入，在燃烧器内环壁的周边形成一层环壁气流保护膜，与燃料气燃烧方向呈平行排列，该气流保护膜将燃烧区域与燃烧器内环壁隔离开来，形成一层边壁保护膜，可有效地控制燃烧器内环壁耐火衬里的工作温度，降低耐火衬里受高温辐射的影响，通过降低衬里表面温度从而有效提高衬里的安全可靠性和使用寿命。
在过程气进口6处设置有环腔7和与环腔7相通的进炉分配管8，进炉分配管8沿圆周方向均布并与炉体中轴线成45°～60°的夹角，以确保过程气通过炉体的壳体圆周“环腔、多股、均布”地引入炉膛中。
本环壁保护燃烧炉的工作原理是：在使用时，通过燃料气进口1引入燃料气体，与从空气进口3引入的空气混合燃烧，产生高温烟气进入炉膛。此次过程气经过程气进口6经环腔7，过程气进炉分配管8多股、均布地引入再热炉膛，与前端燃烧器产生的高温烟气掺混，从而达到再热工艺过程气的目的。而保护风经环壁保护风进口4引入燃烧器内，保护风流经保护气旋流片11后在燃烧器耐火层内壁圆周方向形成一层边壁保护膜，可有效地控制燃烧器内环壁耐火隔热衬里5的工作温度，降低耐火衬里受高温辐射的影响。通过温度检测接口10对炉膛温度和过程气出口温度的监测，燃烧器会自动调节燃气流量以及环壁保护风量来控制炉内过程气的再热反应。以至既满足了工艺生产要求，又起到对设备炉衬的保护作用。再热后的工艺过程气经过程气出口9排出流经下一工序。在此再热反应过程中：空气、工艺过程气、保护风在燃烧炉内是一个“组分湍流扩散及混合”的过程，期间发生复杂的三维流动、组分混合和燃烧。此时的保护风能够均匀水平地分布在燃烧炉周边，将燃烧状态的气体与燃烧炉内壁隔离开来，起到保护炉衬避免超温损坏作用。
本发明还公开了一种环壁保护燃烧炉的传热传质数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、对燃烧炉内的流动燃烧过程建立数学模型：
对于燃烧炉内气体的流动混合问题，采用RNGk～ε双方程模型来模拟，并结合涡旋(EBD)和概率密度函数PDF(Probability Density Function)模型来模拟燃烧过程，选用P-1辐射模型。
步骤二、建立燃烧炉内流动与燃烧的网格模型并进行数值求解：
几何模型建立后，利用Gambit软件对其进行网格划分。
步骤三、拟合保护风流量随过程气流量变化的函数关系：
运行过程气流量在正常工况、最大工况和中间工况下的模拟结果，并取各工况所对应的最佳保护风流量，拟合得到保护风流量随过程气流量变化的函数关系；运行正常工况、最大工况和中间工况下的模拟结果均包含速度场、温度场和浓度场的模拟结果。
保护风流量随过程气流量变化的函数关系为：
B＝0.16851×G－2000；
其中，B为保护风流量，G为过程气流量。
步骤四、对模拟数据进行验证：
将燃烧炉内实际测量数据与模拟数据进行对比以验证模拟数据的可靠性和精度。根据现场运行数据，分别取壁面温度和出口温度，与模拟数据进行对比。要求模拟结果与运行数据误差在5％-10％以内。满足精度时，则进入步骤五；不满足时返回前面的第一步修正数学模型及网格模型。
步骤五、壁面传热模拟计算：
取燃烧炉某处的横断面为计算传热对象，针对不同的保护风速进行壁面传热模拟计算。
取炉体的横断面为计算传热对象，所得到网格如图3所示。下底面为地面，左侧为空气来流方向，右侧为空气出口，计算外壁面的温度。
步骤六、对燃烧炉内壁不同温度下建立隔热层厚度、耐火层厚度与壳体外壁温度的函数关系：
1.耐火层的内壁温度1600℃，2.耐火和隔热层之间的界面温度1050～1150℃，3.耐火材料的导热系数1.7w/m.k，4.隔热材料的导热系数0.5w/m.k，5.外壁金属壁面平均温度200～250℃，夏季环境最高温度46℃，按无风环境。钢筒外壁面温度保持在200～250℃，经拟合可得到隔热层厚度D_ge、耐火层厚度D_nai与壁温T的关系式，如图4所示。
夏季极端条件下不同界面温度时耐火层、隔热层厚度与钢桶外壁温度的关系如下：
筒体外表面温度T_w(200～250℃)与耐火层和隔热层厚度关系为：
当界面温度为1050℃时：
Tw=118.0204+459.66434×0.9902Dge]]>
Tw=121.7396+592.17191×0.99502Dnai]]>
钢筒外壁面温度T_w(℃)，隔热层厚度D_ge(mm)，耐火层厚度D_ge(mm)。
步骤七、根据模拟计算结果进行拟合得到过程气流量与燃烧炉接口面积和体积之间的函数关系：
1、从大量的模拟计算结果中，可以得到不同的过程气流量时所对应的燃烧炉体积关系，如图5所示。经拟合，得到过程气流量与燃烧炉体积之间的函数关系为：
V＝4.26833×G×10^-4
其中，G为过程气流量，V为燃烧炉体积；
2、从大量的模拟计算结果中，可以得到不同的过程气流量时所对应的燃烧器接口面积关系，如图6所示。经拟合，得到过程气流量与燃烧炉接口面积的函数关系为：
S＝3.83188×G^0.66667×10^-4
其中，S为燃烧炉接口面积(m²)。