烧氨硫回收燃烧器燃烧数值仿真研究-20101115.docVIP

Claus烧氨硫回收燃烧器计算机仿真技术研究 Zhang Minqin1 Zhong Weicong2 Yang Guohua2 Zhou Lixin2 1. College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China 2. Xi’an Aerospace Propulsion Institute, Xi’an 710100, China 张民庆 仲伟聪 杨国华 周立新 （西安航天动力研究所，陕西西安，710100） 摘要 运用化学热力学和化学动力学方法，对烧氨硫回收燃烧器流动过程及燃烧过程进行数值模拟，对燃烧器设计系统匹配特性及燃烧特性进行评估，可以大大提高燃烧器的设计能力。 关键词 硫回收 燃烧器 数值仿真 1 前言 在炼油厂的硫回收装置中，通过污水气提装置的含氨酸性气对硫磺回收装置正常运行危害是不可低估的，具体表现在：酸性气入炉前，由于各种铵盐堵塞设备、管线，影响酸性气的正常输送。进入系统后，焚烧氨产生的氮、水对克劳斯反应是惰性组份，降低了硫分压，从而降低硫回收率。由于氨的存在，配风加大，尾气量，硫的夹带量增加，烟囱外排硫量增多，硫下降。氨燃烧不完全会和工艺气流中酸性组分反应形成硫氢化铵或多硫化铵结晶，堵塞冷凝器管程、增加系统压降，甚至迫使装置停产。氨和氧化铝反应引起催化剂失活，其副产物氮氧化物会造成环境污染，且氮氧化物对二氧化硫的进一步氧化有催化作用，从而引起硫酸腐蚀，引起设备腐蚀和催化剂中毒。克劳斯为保证克劳斯反应的高转化率，炉后工艺气流中H2SSO2的摩尔比应为2：1，炉中供氧是不完全的，而氨的完全燃烧则需供以过量空气，因此，处理含氨酸性气给配风带来了困难SWS酸性气 空气 温度（℃） 50 65 65 最大压差（kPa） 3.0 3.0 2.0 流量（kg/H） 370 530 1800 分子量 35 24 28.8 表2 酸性气体的配比表（设计工况） 名称 设计工况 清洁酸性气 含氨酸性气 流量（kg/h） 370 530 温度（°C） 50 65 进装置压力MPaG 0.05 0.05 酸性气成分（简化） 组成（V%） 组成（WT%） 组成（V%） 组成（WT%） CO2 8.5 10.8 / / H2S 86.2 86.2 35.0 51.48 氨 / / 41.0 30.07 H2O 4.2 2.19 24.0 18.45 N2 1.0 1.1 / / 3 设计计算 根据上述酸性气要求，首先运用我所自行研制的热力学计算软件CECS进行热力学匹配计算，以获得满足H2S和SO2配比的燃气物性参数，在满足酸性气与空气配比的情况下进行了结构设计，并对设计后的燃烧器进行了数值仿真计算。热力学参数计算结果如表3所示。 表2 热力学计算结果 P, BAR 1.0000 T, K 1563.55 M, (1/n) 26.982 Cp, KJ/(KG)(K) 1.9739 GAMMAs 1.2189 SON VEL,M/SEC 766.3 MOLE FRACTIONS *Ar 0.00579 *CO 0.00336 COS 0.00009 *CO2 0.00582 *H 0.00001 *H2 0.05664 H2O 0.27996 H2S 0.03803 *N2 0.53080 *S 0.00002 SH 0.00095 SO 0.00090 SO2 0.01960 S2 0.05701 S2O 0.00079 S3 0.00022 由上述数据可知，燃气成分中氨、NOx和烃类含量均小于5ppm，氨的反应比较完全。燃气理论温度为1290°C。从H2S与SO2的体积比来看，基本满足2：1的要求。 根据热力学计算结果，对燃烧器进行了设计。含氨酸性气和清洁酸性气在进入燃烧器之前预先混合，为保证混合过程的均匀性，两种酸性气体混合后经过整流进入酸性气体通道，酸性气采用轴向旋流器形成旋转射流。空气经过预热后进入燃烧器，空气进入燃烧器后首先进行整流，最终通过切向旋流叶片进入燃烧室，与酸性气体进行混合。燃料气的供应放在炉子的中心处，以便烘炉过程中炉体可以均匀受热并保证燃烧器结构紧凑。燃烧器的设计三维图如图1所示。 图1 燃烧器结构图 4 流场计算 4.1 物理模型 根据燃烧器的结构特点，计算只能采用全三维全尺寸模型进行。运用专业网格划分软件GAMBIT对计算域划分网格。计算模型及网格如图2-图4所示。计算采用混合型网格，共划分816330个单元444662个节点。求解器采用美国进口通用计算流体力学软