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ConputationalFlu-idDYnamjC啪縮寫。CID是模擬包含流體流動(dòng)、傳熱以及其他附加的物理化學(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、溫度和壓力的分布場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
1.1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
1.2劃分網(wǎng)格
  采用了ICECFD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，在高度和長度方向?yàn)槭畮酌祝瑪?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)很長的時(shí)間和大量資源來進(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，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)l344453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
1.3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)  1.31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、MethaneAirWD2和HYdI。9en
 Ai吸應(yīng)模型，F(xiàn)initeRateChemjSUy and EddYDjS
 spation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1892%、CH90.69、a[b3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）Q04215k9/s
  一級(jí)噴嘴燃料量 Q 018k9/s
  二級(jí)噴嘴燃料量 Q 02415k9/s
  總空氣量（單個(gè)底燒）Q 802k9/s
  燃料量（單個(gè)側(cè)燒） Q007k9/s
  總空氣量（單個(gè)側(cè)燒）Q 1339k9/s
1.32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245Pa
  ？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7kCFX的計(jì)算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法提高了許多陽。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，觀察計(jì)算曲線的走勢，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。
31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∞MolarFmc
  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，
32爐膛內(nèi)的流場及速度場
  圖7和圖8分別為爐膛內(nèi)的流場和速度場。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)流場和速度場的影響很小。
  33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。
34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11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