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Claus硫磺回收燃烧器旋流结构对反应特性影响研究

Claus硫磺回收燃烧器旋流结构对反应特性影响研究
    陋着经济发展速度加快,石油化工工业近年来也迅速增长。石油化工炼制生产过程中产生的废弃物,特别是硫化氢H,s)等酸性气体对大气环境造成了严重的破坏。克劳斯Claus)硫磺回收技术经过长期的发展和完善,目前已经成为目前石油化工工艺中一个重要的组成部分“3。Claus工艺主要包括两个反应阶段:第一阶段是一部分H:S与氧气燃烧生成s0,;第二阶段是将生成的s0,与剩余的H,S反应生成S。当H,S的浓度在酸性气中的浓度较高时,采用部分氧化的方法,使空气量1/3体积的H,S燃烧反应,保证过程气中H,S:s0,=2:1的化学计量比。这样,HzS仅在燃烧炉内就可以达到60%~75%的转化率。但是实际生产中,H,S和s0,的比值波动较大,对硫转化率的影响十分明显圈。可见,部分氧化法虽然经济,工艺简单,但是对燃烧器的结构要求十分苛刻。现有的文献中,大多针对Claus的工艺流程以及装置的运行优化等方画展开研究。林发现等“采用Aspen Plus工艺模拟计算软件模拟了克劳斯硫回收工艺过程,分析了克劳斯工艺的关键数据对工艺过程的影响。曹虎等。4。完善了HYSYS软件自带数据库中的部分物性数据,对克劳斯法硫磺回收工艺进行高精度模拟。樊建明等“用C语言编写计算机程序,对二级硫磺回收流程进行模拟并对主要参数进行了工艺计算。耿庆光等同用M atlab软件对硫磺回收装置酸性气燃烧炉平衡温度计算进行了研究。凌忠钱等”。采用数值模拟的方法对H,S在多子L介质内超绝热缺氧燃烧裂解制氢的反应过程进行了研究。其涉及的化学反应与Claus工艺类但多7L介质燃烧与本文探讨了非预混气相燃烧有较大差别。这些文献中的研究结论为本文的研究提供了良好的参考意义。
    综上,本文将使用计算流体力学cCFD)软件针对Claus反应器及其燃烧器的复杂结构进行建模;针对Claus工艺的关键装置一硫磺燃烧器的结构设计开展研究。分析空气与酸性气体不同旋流角度的比对反应器内速度场、温度场、组分场的影响效果,以期获得最佳的燃烧器结构。
1  模型及计算方法
1.1  数值计算物理模型
    数值计算区域为某炼化厂Claus硫磺燃烧炉,从空气和酸性气体入口经燃烧器、燃烧室、花墙至燃烧炉出口的一段三维
域。该区域的结构如图1所示。
    图2所示是硫磺燃烧炉燃烧器的内部结构示意图。如图2矗)所示,空气通过燃烧器外围通道进入,经过轴向排列的旋流叶片后再通过候口喷出进入炉膛。酸性气体从燃烧器中心通道经过头部径向排列的旋流叶片后进入炉膛。两股气流在燃烧器后混合而反应。图2 b)所示是燃烧器内部三维结构示意图。本文通过改变空气旋流叶片和酸性气体旋流叶片的夹角来改变燃烧器的气流混合性能,分析不同夹角差值对气流混合效果、温度场及速度场分布以及产物分布的影响。
    由于燃烧器内气体流速非常高,可达60 m/s,根据计算区域的几何尺寸计算可得雷诺数超过4000,故将燃烧器内的流体流动当做湍流处理,并且采用真实K-s模翌描述湍流流动。
1.2气相化学反应模型
    本文应用非预混燃烧模型,用混合分数/概率密度函数缸ixture fraction/PDF)模拟气相湍流燃烧。该模型的特点是将复杂的气相燃烧过程简化为一个混合问题,解一个或两个守恒量馄合分数)的输运方程,不解单个组分方程。每个组分的浓度用预混分数场得到。先进行热化学计算,并列成表以便于在计算过程中查询,紊流和化学的相互作用考虑为一个概率密度函数PDF)。
    在本文所涉及到的气相化学反应中,PDF模型通常可以较为精确地模拟反应的产物分布以及吸放热量。因此PDF在许多其他气相甚至固体颗粒燃烧中广泛应用。“1。
1.3数值方法和边界条件
    模型计算网格如图3所示。从25xl0-4~ 120xl0-4对计算网格进行依赖性检查,当整个个区域的计算网格为100 xl0。4左右时计算结果对网格没有依赖性。最终选定的网格数量为101.  14×10“,其中结构性网格所占比例为95%。模型采用Fluent求解器求解,方程采用二阶迎风格式离散,SIMPLE算法求解。当计算残差保持低于10。  能量方程和辐射传热方程为10“)时认为计算结果收敛。
(a)整体控制区域网格切面fx=嘶
    (b)燃烧器区域网格
图3  计算区域网格示意图
    计算中,模型的边界条件设置如下:
    空气入口流量为18500 kg/h,空气预热温度为160℃。酸性气体的入口流量为10500 kg/h,温度为160℃。酸性气体的成分见表1。
    表1  酸性气成分
Tahle l  Composition of acid gas    Cvt%)
    空气入口和酸性气入口分别依据物理模型中入口尺寸和气体密度计算并设置成为速度入口,模型出口设置为压力出口。由于硫磺燃烧炉燃烧室内壁面采用耐火砖及浇注料,具有良好的保温性能,因此模型中将反应室内壁面设置为绝热条件。
2  计算结果及讨论
    本文构建了三种不同旋流角度差值的模型,分别为+100,+150和+200。通过数值计算,分析不同旋流角度对速度场、温度场、组分场以及H,S转化率等重要参数的影响。
2.1  速度场分布
    三种不同结构的速度场分布云图如图4所示。空气经过旋流叶片旋流后,再通过收缩的喉口加速,在出口处与酸性气体相遇而混合。空气在入口的流速并不高,大约为6m/s;经过旋流叶片与喉口加速后与酸性气体相遇时的速度达到了40 m/s以上。速度提高有助于提高在出口位置的混合效果。从图4W以看出,角度差为+100和+200时,旋流强度并不大,轴向速度第43卷第23期    苏毅,等:Claus硫磺回收燃烧器旋流结构对反应特性影响研究影响区域较大,在整个炉膛的出口端面尚未均匀。角度差为+150时,速度场分布更加符合设计要求。在炉膛的前半段,整个速度场的旋流强度较大,酸性气与空气的混合较为均匀,甚至在未达到中间喉口截面处时,横截面的速度场已经较为均匀。在炉膛后半部分炉膛的速度场更加趋于均匀,有利于提高酸性气的转化率,反应空间局部出现高温的情况出现。
2.2  温度场分布
    三种不同结构的温度场分布云图如图5所示。+100和+200时,火焰在炉内的充满度较高但是火焰长度过场,超过了炉膛部喉口位置。这样将导致出口处的温度场分布不均匀。整个炉膛内的热负荷分布也不平均,使得局部温度过高,酸性气体转化效率降低。当旋流角度差为+150时,计算获得的炉内火焰充满度高,火焰长度较短。尚未到达中间喉口区域时截面温度场已经区域均匀。由此可以获得更均匀的出口生成物浓庋。但是由于两股气流的混合效果较好,在烧嘴出口附近湍流强度较高,因此从图中可以看出火焰也存在一定程度的贴壁风险。火焰在炉膛轴向方向的刚性有所降低。计算过程中火焰出现了一定程度的摆动。仔细比较不同结构的炉内温度场分布可见,旋流角度为15 0时可以获得较好的炉内温度场分布。
2.3组分场分布
    从图6中可以看出,0:在空气入口区域的浓度最高,随着反应的进行,氧气浓度外向内依次降低。因为中心区域时酸性气体喷出的流场,酸性气体与氧气在边界处接触后发生反应。不同旋流角度差形成的O,浓度分布有明显的区别。其中,+150和+200获得的氧气浓度云图向炉膛后方的延伸距离最短。这说明这两种结构条件下氧气的消耗速率越快。如前所述,氧气的消耗速率主要取决于温度场以及酸性气体和氧气的混合效果。因此可见,+150和+200的混合效果最好。在炉膛中部之前0,已经基本消耗殆尽。这样留给SO,和H,S在炉膛中足够的反应空间和时间。
    从图7的S,浓度分布中可以看出。+100时,S的浓度分布非常不均匀,中心区S生成的反应一直持续到反应室的出口。而+150时,在反应室的后半段已经呈现出了较平均的S浓度。由于反应器水平放置,计算时考虑了重力影响因素,因此反应器的下段S浓度较高。+150的结构略优于+100,在出口处的S浓度较高并且较为均匀。对出口面进行浓度平均计算发现,+150的出口单质S浓度最高。摩尔浓度达
    采用数值计算的方法对三种不同结构的硫磺燃烧器烧嘴及炉膛反应室进行了仿真计算。通过改变氧气旋流角度与酸性气体的旋流角度差值优化燃烧器的混合效果,从而获得最佳的硫磺烧嘴结构设计。
    计算结果表明,空气与酸性气体的旋流角度差值对硫磺炉的运行效果起着至关重要的作用。旋流角度差值较小时,空气与酸性气体在烧嘴出口混合区域的切向速度差较小,两股流体混合效果辕差;角度差值较大时,在出口很短的区域内存在较大的气流剪切作用,径向分速度较大,从而在流场发展时降低了切向和轴向的速度,因此也未能达到最好的混合效果。当新最新教学内容,形象生动地介绍与本课程相关的学科前沿,使教学过程图文、声形并貌,使理论性较强、形式较为刻板的课堂鲜活起来,把抽象复杂的理论知识直观化、简单化,达到教学相长、活跃课堂的教学氛围。要很好地调动课堂氛围,本课程教学就必须从强化绘图基础、突出共性、拓宽课程内容、提高综合创新能力的作用。为此,教学知识要新、要活,教学内容要丰富,要浅而宽,还要少而精。教学方法要重视师生间互动,相互激发,做到教学相长;同时还要利用先进教学工具和手段。采用多媒体教学方法手段在内容更新、形象、直观等方面都有较大优势。例如绘制袋式除尘器时,通过动画的演示,可以使学生直观地理解“袋除”的基本构造及其原理,使教学内容显得形象、直观、生动,弥补了传统教学的不足。
4  利用网络平台交流课堂教学内容
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