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(jì)算等過程運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)爐內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了數(shù)值模擬并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分3fr,得出了爐膛內(nèi)的燃燒流動(dòng)和溫度分布,為燃燒器的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了依據(jù).
CID是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)即Conputational Flu-id DYnam jC啪縮寫.CID是模擬包含流體流動(dòng)、傳熱以及-附加的物理化學(xué)現(xiàn)象的工具.隨著計(jì)算機(jī)性能的極大提蒜計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)燃燒器或評(píng)價(jià)燃燒器優(yōu)劣的最先進(jìn)的手段.
對(duì)燃燒器進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)在于:孕可以進(jìn)行多方案比較.設(shè)計(jì)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(chǎng)、溫度和壓力的分布場(chǎng)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(gè)位置上的物理量都可通過計(jì)算得到. ?經(jīng)濟(jì)性.對(duì)燃燒器的CID數(shù)值模擬完全在計(jì)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(jì)算模型的選取,數(shù)值計(jì)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(duì)計(jì)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(jì)算條件l迭代計(jì)算和后處理(查看計(jì)算結(jié)果)3個(gè)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(jí)燃燒器,共有1個(gè)空氣進(jìn)口、2個(gè)一級(jí)燃料氣進(jìn)口和4個(gè)二級(jí)燃料氣進(jìn)口,在不影流動(dòng)和燃燒的前提下,建模時(shí)忽略了長(zhǎng)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(gè)空氣進(jìn)口和1個(gè)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(duì)幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格的劃分情況對(duì)最后計(jì)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(wú)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(huì)使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)任何變化,此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量才是足夠的.
為了節(jié)省資源,并對(duì)重要的部分加強(qiáng)網(wǎng)格,由于裂解爐爐膛本身具有對(duì)稱性本次對(duì)2個(gè)底部燃燒器和4個(gè)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(zhǎng)度方向?yàn)槭畮酌?數(shù)量級(jí)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(jì)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(shì)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(gè)爐膛內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量都會(huì)增加,使?fàn)t膛網(wǎng)格過密,這樣需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間和大量資源來(lái)進(jìn)行調(diào)試計(jì)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(dòng)的真實(shí)情況,而噴孔處的流動(dòng)情況對(duì)整個(gè)妒膛流動(dòng)情況的影響是不可忽視的,從而會(huì)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(jì)算上的優(yōu)勢(shì),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(shí)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(jì)算的精度,網(wǎng)格單元總計(jì)l 344 453個(gè).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(jì)計(jì)算條件 計(jì)算模型,除此之外計(jì)算模型選取不當(dāng)還可能造
設(shè)計(jì)計(jì)算條件包括了計(jì)算模型的選取以及邊 成計(jì)算結(jié)果無(wú)法收斂,計(jì)算出錯(cuò)等情況.界條件的設(shè)定.計(jì)算模型的選取將直接影響到計(jì) 1燃燒器計(jì)算條件算的精度,對(duì)不同的燃燒流動(dòng)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(dòng)燃燒計(jì)算,同時(shí)應(yīng)考慮氫氣與空氣的反應(yīng),計(jì)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(jì)算時(shí),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(jì)算得到以下數(shù)據(jù):
燃料量(單個(gè)底燒) 04215 k9/s
一級(jí)噴嘴燃料量 018 k9/s
二級(jí)噴嘴燃料量 02415 k9/s
總空氣量(單個(gè)底燒) 802 k9/s
燃料量(單個(gè)側(cè)燒) 007 k9/s
總空氣量(單個(gè)側(cè)燒) 1339 k9/s
2裂解爐爐膛計(jì)算條件
整體計(jì)算時(shí)具體的邊界條件如下:
爭(zhēng)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(duì)稱面——由于爐子幾何和物理現(xiàn)象具有對(duì)稱性,為提高計(jì)算速度,只模擬部分爐膛,分界面取為對(duì)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(jì)算
數(shù)值計(jì)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(jì)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(lái)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(gè)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(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程加上其多網(wǎng)格技7k CFX的計(jì)算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法提高了許多陽(yáng).迭代計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成,在計(jì)算過程中只需設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算方法,計(jì)算步長(zhǎng),觀察計(jì)算曲線的走勢(shì),調(diào)整參數(shù)使計(jì)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(dòng)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(shí)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(gè)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?huì)因流經(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(gè)底部燃燒器和個(gè)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(chǎng)及速度場(chǎng)
圖7和圖8分別為爐膛內(nèi)的流場(chǎng)和速度場(chǎng).由于底部燃燒器中燃料高速噴出,在爐膛內(nèi)形成一個(gè)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(shí)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(duì)流場(chǎng)和速度場(chǎng)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(jí)、二級(jí)噴嘴中噴出(在中心區(qū)域處的甲烷主要是由一級(jí)噴嘴噴出的,而在中心區(qū)域兩側(cè)的甲烷則是由4個(gè)二級(jí)噴嘴噴出的).對(duì)比圖5可以看出,燃燒火焰的形狀主要是由二級(jí)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(jì)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(zhǎng)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(tái)底部燃燒器和4臺(tái)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(cè)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(lái)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(shí),說(shuō)明模擬時(shí)模型選取和參數(shù)設(shè)置是合理的.
5結(jié)束語(yǔ)
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(dòng)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(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可以判斷燃燒器的設(shè)計(jì)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(gè)幾何參數(shù)就可逐漸逼近裂解爐工藝包對(duì)燃燒器的要求,從而優(yōu)化燃燒器的設(shè)計(jì).此次模擬的燃燒器具有一定的代表性,計(jì)算方法和結(jié)果可以為然燒器的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供重要依據(jù).
