以生物质燃烧机裂解炉用燃烧器为例,通过建立模型、网格划分、模型选取、条件设置及迭代计算等过程运用CFD技术对炉内的燃烧情况进行了数值模拟并对计算结果进行了分3fr,得出了炉膛内的燃烧流动和温度分布,为燃烧器的研发和设计提供了依据.
CID是计算流体动力学即Conputational Flu-id DYnam jC啪缩写.CID是模拟包含流体流动、传热以及-附加的物理化学现象的工具.随着计算机性能的极大提蒜计算图形学的广泛使用以及稳健的CID求解器的开发,CID模拟在各个工程领域得到了广泛的应用.
乙烯裂解炉是乙烯装置的关键设备之-‘",乙烯裂解炉内的燃烧情况决定着裂解炉的运行情况,而裂解炉内的燃烧是一个复杂的物理化学过程,影响因素很多"1,如炉膛的几何尺寸、炉管的布置结构、燃烧器的结构形式、燃烧器的布置位噩、燃料的组成、燃料的流量和压力等.CID数值模拟技术是目前设计燃烧器或评价燃烧器优劣的最先进的手段.
对燃烧器进行CFD数值模拟的优势在于:孕可以进行多方案比较.设计方案之间的区别可以通过修改几何模型和调整网格实现,这就保证了方案之间的比较可以快速高效地进行.b可以详细地了解炉膛内的燃烧情况.通过CID软件的后处理功能,炉膛内的火焰形状、流场、温度和压力的分布场等都可通过建立等值面、云图等手段直观地表达,甚至炉膛内每个位置上的物理量都可通过计算得到. ?经济性.对燃烧器的CID数值模拟完全在计算机上进行,相比于传统的试验方法可以大大降低研发费用.但是,CFD数值模拟结果的精确程度取决于很多方面,例如几何模型的精确度,网格的优劣,计算模型的选取,数值计算的收敛情况等,因此CFD数值模拟方法不能完全取代试验方法,相反通过试验的结果可以对计算模型中设置选取的各参数进行修正,使模型更加完善.
CⅡ模拟过程一般分为前处理(包含几何建模、划分网格、设置计算条件l迭代计算和后处理(查看计算结果)3个阶段.笔者以某裂解炉为例,介绍CFD技术在己烯裂解炉燃烧器研发过程中的应用.
1前处理
几何建模
几何建模过程可采用通用三维建模软件完成,如图1所示为底部燃烧器喷头的空间分布,底燃烧器为扩散式燃料分级燃烧器,共有1个空气进口、2个一级燃料气进口和4个二级燃料气进口,在不影流动和燃烧的前提下,建模时忽略了长明灯和风门等一些辅助部件.侧壁燃烧器为预混式燃烧器,共有2个空气进口和1个燃料气进口,图2为侧壁燃烧器喷头的流道.356
划分网格
采用了ICE CFD软件对几何模型进行了网格划分.网格的划分情况对最后计算结果的精确程度影响很大,在条件允许情况下,网格密度应能达到网格无关解的要求,即在现有的网格数量下再增加网格数量并不会使计算结果出现任何变化,此时的网格数量才是足够的.
为了节省资源,并对重要的部分加强网格,由于裂解炉炉膛本身具有对称性本次对2个底部燃烧器和4个侧壁燃烧器联合供热的情况进行模拟.
底部燃烧器和侧壁燃烧器各自自成体系,而且燃烧器和炉膛的尺寸差距很大,例如底部燃烧器燃料气喷孔直径仅有几毫米,而炉膛的净尺寸在宽度方向上为几米,在高度和长度方向为十几米,数量级上相差很多.若全部采用六面体网格,则网格同流线的方向能基本保持一致,计算的精度能得到保证,但由于炉膛同燃烧器喷孔的尺寸差距过大,势必导致划分网格困难,若保证了喷孔处的网格数量,则整个炉膛内的网格数量都会增加,使炉膛网格过密,这样需要花费很长的时间和大量资源来进行调试计算,很不经济;如果不增加喷孔处的网格,则喷孔处过稀的网格不能反映流动的真实情况,而喷孔处的流动情况对整个妒膛流动情况的影响是不可忽视的,从而会导致模拟的结果失真,因此不适合全部采用六面体网格.考虑到六面体网格在计算上的优势,模型大部分区域仍采用六面体网格进划分,局部过渡区域采用了四面体网格,四面体网格同六面体网格之间用棱柱体网格进行连接过渡,这样即保证了在大部分区域内网格同流线方向一致,同时也控制了总体的网格数量,并且在关键部位如喷孔等处的网格数量也得到了保证,确保了计算的精度,网格单元总计l 344 453个.图3为底部燃烧器网格划分情况,图4为侧壁燃烧器网格划分情况.
图3底部燃烧器网格划分
设计计算条件 计算模型,除此之外计算模型选取不当还可能造
设计计算条件包括了计算模型的选取以及边 成计算结果无法收敛,计算出错等情况.界条件的设定.计算模型的选取将直接影响到计 1燃烧器计算条件算的精度,对不同的燃烧流动情况应选取不同型及边界条件为底部燃烧器是甲烷空气非预混流动燃烧计算,同时应考虑氢气与空气的反应,计算采用k-e紊流模型、Methane AirWD2和
Ai吸应模型,Finite Rate Chem jSUy and EddYDjS
spa tion燃烧模型和离散传播辐射模型.计算时,采用的燃料气组成(f本积%)为1 8 92%、CH90. 69、a[b 3毗、过剩空气取ioOA.
底部燃烧器和侧壁燃烧器供热比例为75:2S计算得到以下数据:
燃料量(单个底烧) 04215 k9/s
一级喷嘴燃料量 018 k9/s
二级喷嘴燃料量 02415 k9/s
总空气量(单个底烧) 802 k9/s
燃料量(单个侧烧) 007 k9/s
总空气量(单个侧烧) 1339 k9/s
2裂解炉炉膛计算条件
整体计算时具体的边界条件如下:
争侧烧、底烧进口——给出燃料和空气的质量流量和温度即可;
b出口——负压平均值为24 5Pa
?对称面——由于炉子几何和物理现象具有对称性,为提高计算速度,只模拟部分炉膛,分界面取为对称面;
d默认壁面——绝热;
e炉管面——给出温度沿高度方向的变化规律.
2迭代计算
数值计箅方法分为有限差分法、有限元法和有限体积法3种,这3种计算方法的基本思想都是把连续问题离散成不连续问题,然后来求解.
CFX和大多数CID软件的不同之处在于它除了可以使用有限体积法之外,还采用了基于有限元的有限体积法,保证了在有限体积法守恒特性的基础上,吸收了有限元法的数值精确性.CⅨ是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件,这种求解技术避免了传统算法需要"假设压力项一求解一修正压力项"的反复迭代过程,而同时求解动量方程和连续方程加上其多网格技7k CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了许多阳.迭代计算由计算机完成,在计算过程中只需设置相应的计算方法,计算步长,观察计算曲线的走势,调整参数使计算收敛即可.
3后处理(i-l算结果)
利用CFX后处理的功能,可以通过建立等值面、云图及流线等方法观察炉膛内的火焰形状、烟气流动情况以及温度分布情况等.
3 1炉膛内的火焰形状及温度分布
炉膛部分的模拟是底部燃烧器和侧壁燃烧器联合供热时的模拟,底部燃烧器高速喷射出的燃料与从燃烧器中心进入的助燃空气混合燃烧在靠近燃烧器的壁面附近形成一个平行于炉管壁面的高温区域,这样一方面可使高温烟气不会因流经炉箐而将炉管烧坏,另一方面有利于高温区域向炉管辐射热量.如图5所示,取∞Mo larFmc
生物质燃烧机 炉膛内的温度分布由两个底部燃烧器和个侧壁燃烧器的燃烧情况决定,温度最高的区域出现在底部燃烧器燃烧火焰的外围区域,随着高度的增加温度有所降低,炉膛上部由侧壁燃烧器补充热量,使炉膛内靠近燃烧器的一边成高温区域,与炉管面相邻区域温度略低,
3 2炉膛内的流场及速度场
图7和图8分别为炉膛内的流场和速度场.由于底部燃烧器中燃料高速喷出,在炉膛内形成一个大的回流区,使炉膛内的烟气不断循环,回流的烟气与燃烧新生成的烟气相混合有利于降低火焰区域的温度,同时也降低了NO.的排放量.侧壁燃烧器为贴壁式的燃烧器,燃料的喷射方向与壁面平行,因此对流场和速度场的影响很小.
3 3炉膛内烟气浓度分布
图9所示的是底部燃烧器火焰附近甲烷含量的分布情况,燃料中大部分组分为甲烷甲烷分别从一级、二级喷嘴中喷出(在中心区域处的甲烷主要是由一级喷嘴喷出的,而在中心区域两侧的甲烷则是由4个二级喷嘴喷出的).对比图5可以看出,燃烧火焰的形状主要是由二级燃料的燃烧情况决定的.
图10为炉膛内氧含量的分布情况,空气由底部燃烧器下部进入,经烧嘴砖流道从底部燃烧器中心处进入炉膛,底部燃烧器正上方的氧含量较
高,尽管随着燃烧的进行氧在火焰燃烧区迅速被消耗,但因计算中过剩空气取了10%．故在炉膛出口处仍有氧剩余.
3 4辐射强度曲线
炉管主要依靠辐射传热的方式吸收热量,炉管面处的辐射强度分布能够反映出炉膛内燃烧器的整体加热效果,均匀的辐射强度分布有利于延长裂解炉的操作周期和炉管的使用寿命.在靠近炉管面处取辐射强度,做出辐射强度随炉膛高度的变化情况,如图1 1所示,靠近炉管面附近日寸,辐射强度分布均匀,燃烧器辐射加热炉管的效果良好.
4热态试验
为了加快乙烯裂解炉用燃烧器的研发进程紧跟世界先进水平,并验证CFD模拟结果的准确程度,在热态试验炉(高度与工业裂解炉一致)内进行了2台底部燃烧器和4台侧壁燃烧器联合供热屿实际供热方式相同)的热态试验.通过测试炉内的温度分布、热流密度曲线以及烟气成分等参数来验证CFX模拟的正确性,结果表明数据吻合较好.同时,说明模拟时模型选取和参数设置是合理的.
5结束语
本文通过运用CFDrR拟软件,模拟了生物质燃烧机炉内底部燃烧器和侧壁燃烧器的燃烧情况,详细地介绍了模拟的过程,得出了炉膛内的燃烧流动和温度分布等,模拟结果与试验结果吻合较好.通过对计算结果的分析可以判断燃烧器的设计是否正确特别是喷头的空间布置、喷孔的大小及角度是否合理,通过不断地调整以上几个几何参数就可逐渐逼近裂解炉工艺包对燃烧器的要求,从而优化燃烧器的设计.此次模拟的燃烧器具有一定的代表性,计算方法和结果可以为然烧器的研发和设计提供重要依据.
