H2S廢氣反應(yīng)爐燃燒數(shù)值模擬

唐昭帆 揭濤 蘇毅 梁健

中國船舶重工集團(tuán)第七一一研究所

H2S是重要的硫資源，主要來源于天然氣脫硫和石油煉制過程，在煉焦、煤氣化、石油化工等工藝過程中也有產(chǎn)生。由于H2S有毒、易燃、易爆，不能直接排放,因此對(duì)含H2S的酸性氣進(jìn)行處理和利用，不僅節(jié)約了硫資源，同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。隨著我國環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，將會(huì)有越來越多的煉油化工廠(以下簡稱煉廠)需要建設(shè)酸性氣制酸裝置[1-3]。

工業(yè)酸性氣制酸，一般有兩條途徑：①H2S制硫磺，然后采用硫磺制酸裝置生產(chǎn)硫酸,該技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用普遍，且基本成熟；②省略掉克勞斯裝置，以H2S為原料直接制得硫酸，該方法可大大簡化工藝流程，節(jié)省投資，一般分為干法與濕法兩種[1-5]。本研究對(duì)象H2S焚燒爐屬于干法制硫酸裝置，即將全部含H2S的廢氣直接燃燒產(chǎn)生SO2后，采用與傳統(tǒng)硫鐵礦制酸工藝相似的方法洗滌、干燥、催化轉(zhuǎn)化、吸收[6]。

H2S反應(yīng)爐是硫回收及尾氣處理裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，主要由燃燒器、花墻及爐體3部分組成。燃燒器是整個(gè)爐子的核心部件，安裝于爐體最前端，作用是將酸性氣與空氣充分混合并提供將H2S完全燃燒的穩(wěn)定火焰?；▔νǔＮ挥跔t膛中間位置，其主要功能是增加爐內(nèi)煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間，保證酸性氣的充分燃燒，提高爐溫和均流作用。由于H2S氣體的熱值較低，理論燃燒溫度低，其燃燒穩(wěn)定性差，所以燃燒器及花墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布置對(duì)整個(gè)爐子的燃燒穩(wěn)定性至關(guān)重要。

為提高H2S反應(yīng)爐爐內(nèi)的燃燒溫度，保證爐內(nèi)燃燒火焰的穩(wěn)定性與H2S及其他碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)完全，提高硫回收率，同時(shí)避免爐膛襯里損壞，國內(nèi)外均有相關(guān)研究。陳賡良[7]對(duì)克勞斯制硫過程燃燒爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了歸納闡述，分析了COS、CS2等物質(zhì)的生成過程。龔建華[8]等對(duì)克勞斯法制硫燃燒反應(yīng)爐溫度調(diào)控的操作方法作了歸納研究，并對(duì)不同控制方法做了對(duì)比。蘇毅[9]等在Claus硫磺回收燃燒器旋流結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)爐燃燒的影響做了研究，獲得燃燒情況較好下的旋流角度。崔立青、鐘勇[10-11]分析了H2S燃燒爐爐襯損壞原因，并提出了一些改進(jìn)辦法。ZareiSamaned等[12]針對(duì)不同Claus反應(yīng)爐的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了測試和優(yōu)化，獲得更合理的動(dòng)力學(xué)模型。HAIMOUR.N等[13]研究了在使用空氣或純氧下，CO2含量對(duì)Claus反應(yīng)爐絕熱燃燒溫度，硫回收的影響規(guī)律。ZareNezhad.B等[14]通過化學(xué)經(jīng)驗(yàn)平衡法研究了提高Claus反應(yīng)爐內(nèi)溫度的多種方法。AbdoliPedram等[15]通過數(shù)值模擬方法研究了干空氣下不同O2含量對(duì)硫回收反應(yīng)爐燃燒溫度及產(chǎn)物的影響。Ibrahim.S等[16]研究了高H2S濃度下添加二甲苯對(duì)Claus燃燒生成物的影響。

本研究以替某煉廠設(shè)計(jì)提供H2S燃燒器為背景，通過數(shù)值模擬的方法，研究了不同燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃料氣成分與分配比例、反應(yīng)爐內(nèi)擋墻結(jié)構(gòu)等因素對(duì)某H2S反應(yīng)爐內(nèi)流動(dòng)與燃燒及組分場的影響，以獲得合理的燃燒器燃?xì)鈬姌尩牟贾梦恢?、噴嘴結(jié)構(gòu)及花墻開孔方式，進(jìn)而確定與爐子相匹配的燃燒器結(jié)構(gòu)。本研究對(duì)H2S燃燒器的設(shè)計(jì)及爐子運(yùn)行也具有指導(dǎo)意義。

1 模型簡介

計(jì)算區(qū)域?yàn)槟碂拸SH2S廢氣反應(yīng)爐，整體結(jié)構(gòu)包括燃燒器及爐膛兩部分。燃燒器本體包含殼體、酸性氣噴槍、燃料氣噴槍、耐火襯里、長明燈及內(nèi)外旋流葉片等(見圖1)。爐膛包括爐膛前半段、花墻、爐膛后半段，整體結(jié)構(gòu)見圖2，不同花墻結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1(a)為燃燒器原始結(jié)構(gòu)，圖1(b)為修改結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別為：修改結(jié)構(gòu)的外圈酸性氣噴嘴直徑變小，內(nèi)圈酸性氣噴頭直徑加大；內(nèi)圈酸性氣斜噴噴頭下方增加一層直噴噴頭，噴頭數(shù)量增加。圖3(a)為圓孔型花墻結(jié)構(gòu)，圖3(b)為方孔型花墻結(jié)構(gòu)。

空氣進(jìn)口及中心設(shè)有旋流葉片。酸性氣布置有內(nèi)外兩層酸性氣噴口，酸性氣組成見表1。內(nèi)層酸性氣下方布置有一層燃料氣噴口，中心布置為長明燈。各計(jì)算工況參數(shù)見表2。

表1 酸性氣組成Table 1 Acid gas composition組分體積分?jǐn)?shù)/%CH40.844 6H2S79.176 7CO216.884 4H2O2.097 3NH31.000 0

2 計(jì)算網(wǎng)格與計(jì)算模型

2.1 網(wǎng)格劃分

針對(duì)計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，幾何結(jié)構(gòu)屬于中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用周期性邊界條件處理，選擇1/4模型區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，減少整體網(wǎng)格數(shù)量。運(yùn)用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用混合型網(wǎng)格，對(duì)燃燒器部分采用四面體網(wǎng)格，對(duì)爐膛主體部分采用六面體網(wǎng)格，燃燒器噴嘴等地方采用局部加密。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，確定網(wǎng)格總數(shù)為700萬左右合理，整體網(wǎng)格質(zhì)量較高，均在0.3以上。網(wǎng)格劃分與質(zhì)量圖如圖4所示。

表2 計(jì)算工況參數(shù)表Table 2 Operating condition parameter of different cases計(jì)算工況燃燒器結(jié)構(gòu)外圈酸性氣內(nèi)圈酸性氣占比/%速度/( m·s-1)占比/%速度/( m·s-1)入口空氣速度/( m·s-1)是否摻燒燃料氣燃料氣速度/( m·s-1)花墻結(jié)構(gòu)1原始8065.220102.66否0圓孔型2原始9073.31052.66否0圓孔型3修改9073.31052.66否0方型4修改9040.01032.15是30方型

2.2 計(jì)算模型

模擬采用Realizable-K-e湍流模型模擬爐內(nèi)氣流湍流輸送，采用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)法模擬酸性氣與空氣的湍流燃燒，采用DO輻射模型對(duì)爐內(nèi)的輻射器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。出口監(jiān)視變量值(溫度、O2摩爾分?jǐn)?shù)、速度等)均基本不變，認(rèn)為達(dá)到收斂。關(guān)于爐內(nèi)混合氣與溫度相關(guān)的物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、混合氣體黏度、熱容等參數(shù)采用質(zhì)量加權(quán)混合定律。爐內(nèi)煙氣的熱輻射特性參數(shù)采用灰體加權(quán)和模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程采用SIMPLE算法進(jìn)行速度與壓力的耦合，壓力方程選用PRESTO，能量與組分方程采用二階迎風(fēng)格式，湍流及其他方程采用一階迎風(fēng)格式，各項(xiàng)余差小于10-4，選用基于壓力求解。

2.3 邊界條件與計(jì)算工況

酸性氣量為5250 m3/h，入口設(shè)為速度入口，溫度為300 K，酸性氣分為內(nèi)外兩層，分配比例可調(diào)；空氣流量為53 000 m3/h，溫度為300 K，入口設(shè)為速度入口；爐膛壁面由于采用耐火磚及澆注料，具有良好的保溫性能，可看作絕熱壁面；爐膛出口設(shè)定為壓力出口；整體計(jì)算區(qū)域采用周期性邊界條件。酸性氣為高含量H2S酸性氣，主要成分見表1。模擬計(jì)算工況參數(shù)見表2。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同酸性氣配比對(duì)爐膛燃燒影響

如何確保H2S穩(wěn)定地完全燃燒是H2S燃燒器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，運(yùn)用合理的燃料分級(jí)技術(shù)一定程度上既有利于H2S的穩(wěn)定燃燒，又能降低污染物的低排放，所以合適的酸性氣配比十分重要。通過工況1、工況2不同酸性氣配比(見表2)，研究不同酸性氣配比對(duì)燃燒的影響，結(jié)果如圖5～圖9所示。

從圖5可以看出，氣流經(jīng)燃燒器射流速度較大，進(jìn)入爐膛后，由于花墻的阻隔作用，導(dǎo)致氣流方向發(fā)生分流和偏離，在爐膛前半段出現(xiàn)回流。從圖6(a)可以看出，該工況下，煙氣氣流整體比較均勻，回流區(qū)較小，存在于爐膛近壁附近。從圖6(b)可以看出，隨著外內(nèi)酸性氣比例的提高，外圈酸性氣氣流受到花墻的阻隔作用也相應(yīng)增加，內(nèi)圈酸性氣流速度降低，氣流剛性減弱，導(dǎo)致爐膛前半段形成明顯的兩個(gè)大回流區(qū)，一定程度增加了煙氣的停留時(shí)間，對(duì)燃燒有利。

圖7、圖8為不同酸性氣配比下爐膛軸向截面溫度與H2S含量分布云圖。從圖7(a)、圖8(a)可以看出，該工況下，外圈酸性氣燃燒較好，H2S氣體基本反應(yīng)完全。內(nèi)圈酸性氣與空氣混合較差，出現(xiàn)燃燒滯后的現(xiàn)象，爐膛中心軸線附近煙氣溫度較高，花墻的阻擋作用并沒有保證酸性氣在爐膛前半段燃燒完全，導(dǎo)致未燃燒的H2S氣體進(jìn)入爐膛后半段繼續(xù)燃燒。從圖7(b)、圖8(b)可以看出，適當(dāng)提高外圈酸性氣比例后，爐膛氣流分布較好，回流區(qū)較大，使得內(nèi)圈酸性氣在爐膛前半段也基本反應(yīng)完全，爐膛出口煙氣平均溫度也有所提高。

圖9為不同酸性氣配比下爐膛徑向截面溫度分布。從圖9可以看出，由于氣流在爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)燃燒，導(dǎo)致火焰在爐內(nèi)空間呈現(xiàn)“花瓣型”。對(duì)比圖9(a)、圖9(b)徑向截面溫度分布可以看出，內(nèi)圈酸性比例較大時(shí)，爐內(nèi)火焰較為集中在中部，對(duì)H2S氣體燃燒不利。提高外圈酸性氣量，火焰集中的問題得到改善，有利于H2S氣體的充分燃燒，爐內(nèi)溫度更加均勻。

3.2 酸性氣噴嘴結(jié)構(gòu)與花墻結(jié)構(gòu)對(duì)爐膛燃燒的影響

不同酸性氣噴頭結(jié)構(gòu)影響H2S燃燒，噴頭的設(shè)計(jì)和布置影響燃料與空氣的混合程度、火焰空間形狀分布和穩(wěn)定性。不同的花墻結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣的阻擋作用不同，造成的回流區(qū)大小也不一樣，對(duì)煙氣中酸性氣的再燃影響程度不同。計(jì)算工況1、工況3(見表2)，研究不同酸性氣噴嘴和花墻結(jié)構(gòu)對(duì)H2S反應(yīng)爐的流動(dòng)與燃燒的影響，計(jì)算結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10與圖11為不同結(jié)構(gòu)下爐膛中心截面速度分布圖。對(duì)比圖11(a)、圖11(b)可以看出，在內(nèi)外圈酸性氣配比相同情況下，改變酸性氣噴頭結(jié)構(gòu)后，增加的一層酸性氣直噴噴頭導(dǎo)致燃燒器中心區(qū)射流分層比較清晰，內(nèi)圈酸性氣與空氣的擾動(dòng)也增強(qiáng)。進(jìn)入爐膛后，由于花墻結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致其阻擋作用改變，修改后的花墻結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣的影響更加明顯，中心回流區(qū)有一定減小，但爐膛近壁面回流區(qū)范圍擴(kuò)大。

圖12、圖13分別為不同結(jié)構(gòu)下爐膛溫度場與H2S含量場分布云圖。對(duì)比可以看出，由于酸性氣噴頭結(jié)構(gòu)的修改，整體酸性氣徑向分級(jí)進(jìn)一步提高，導(dǎo)致火焰長度變短，火焰寬度增加，火焰擴(kuò)散更好，從H2S的含量也可體現(xiàn)出來，修改后的結(jié)構(gòu)下H2S提前燃燒完全。修改后的花墻造成的爐膛近壁附近回流區(qū)擴(kuò)大，使得爐膛近壁附近燃燒更好，煙氣溫度提高。而中心回流區(qū)的減小，相應(yīng)導(dǎo)致中心區(qū)燃燒減弱，煙氣溫度有所降低。修改后的結(jié)構(gòu)，爐膛出口煙溫有所提高。

3.3 摻燒燃料氣對(duì)爐膛燃燒的影響

由于H2S熱值較低，提高H2S反應(yīng)爐內(nèi)燃燒溫度，保證燃燒穩(wěn)定性十分必要。國外學(xué)者做過很多相關(guān)研究，均通過添加新的氣體(如純氧、CO2、二甲苯等)或改變反應(yīng)氣中組分含量等方式來研究其對(duì)H2S燃燒的影響[12-14]。本文研究了摻燒CH4氣體對(duì)H2S反應(yīng)爐燃燒的影響，如計(jì)算工況3、工況4(見表1)所述，計(jì)算結(jié)果如圖14～圖17所示。

從圖14可以看出，沿爐膛高度方向，爐膛內(nèi)溫度基本呈現(xiàn)先逐漸上升后逐漸穩(wěn)定的趨勢。不同酸性氣配比、不同花墻結(jié)構(gòu)、摻燒燃料氣甲烷對(duì)爐內(nèi)的平均溫度影響較大。其中，摻燒燃料氣CH4(工況4)下爐內(nèi)平均溫度較其他不摻燒的工況明顯提高，約200 ℃左右，這對(duì)于提高H2S的穩(wěn)定燃燒十分有利。

從圖15(b)可以看出，由于內(nèi)圈燃料與空氣的混合較差，內(nèi)圈摻燒CH4后，一方面由于H2S較CH4在爐內(nèi)優(yōu)先發(fā)生氧化反應(yīng)，另一方面由于軸向的高速射流，導(dǎo)致CH4的燃燒滯后，內(nèi)圈火焰較長，爐膛前半段未燃燒的CH4進(jìn)入后半段燃燒，導(dǎo)致爐內(nèi)出口煙氣溫度偏差較大，且容易殘留CH4，對(duì)整個(gè)硫回收工藝不利。在摻燒CH4時(shí)，可適當(dāng)降低燃料的噴射速度，增強(qiáng)爐內(nèi)煙氣循環(huán)，有利于延長CH4的停留時(shí)間，保證其完全燃燒。

從圖16，圖17(工況3，工況4)可以看出，逐漸摻燒CH4后，H2S也基本在爐膛前半段反應(yīng)，H2S濃度較摻燒前增加，這是由于CH4的摻入降低了H2S的局部分壓，導(dǎo)致H2S局部濃度較摻燒前降低，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度減弱。故摻燒CH4一方面能夠提高爐內(nèi)溫度水平，促進(jìn)了H2S氣體的穩(wěn)定燃燒，另一方面導(dǎo)致H2S氣體在爐內(nèi)的局部濃度降低，又抑制了H2S氣體的反應(yīng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)H2S焚燒爐進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究了不同酸性氣配比、不同燃燒器及花墻結(jié)構(gòu)、摻燒燃料氣CH4工況下爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒特性，得到如下結(jié)論：

(1)原始燃燒器結(jié)構(gòu)下，內(nèi)圈酸性氣與空氣混合較差，外內(nèi)酸性氣比為8∶2時(shí)，燃燒滯后，火焰較長，H2S燃燒不充分，提高外內(nèi)酸性氣比為9∶1，有利于H2S的完全燃燒。

(2)優(yōu)化后的燃燒器結(jié)構(gòu)下，火焰更分散，爐內(nèi)燃燒好，爐內(nèi)溫度較原始結(jié)構(gòu)有所提高，H2S在爐膛前半段反應(yīng)完全，H2S出口含量較低。

(3)爐內(nèi)花墻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致煙氣在爐內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部回流，增強(qiáng)了煙氣與酸性氣的混合程度，延長了H2S在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于其完全燃燒。方孔型結(jié)構(gòu)的阻隔作用要優(yōu)于圓孔型。

(4)摻燒CH4一方面能夠明顯提高爐內(nèi)整體溫度，對(duì)H2S的穩(wěn)定燃燒有利，但另一方面會(huì)造成H2S在爐內(nèi)局部濃度降低，降低反應(yīng)速率，兩者共同影響。

(5)H2S反應(yīng)爐內(nèi)摻燒CH4容易導(dǎo)致CH4在爐內(nèi)燃燒滯后，爐內(nèi)火焰拉長，CH4燃燒不完全。摻燒時(shí)，降低CH4射流速度對(duì)燃燒有利。