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大型燃气乙烯裂解炉燃烧过程的模拟研究

作　者: 王菁
导　师: 卫海桥
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 工业炉富氧燃烧烟气再循环氮氧化物
分类号: TK224.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

炼油工业是我国重要的加工工业。工业锅炉是对炼油生产原料进行加热的大型生产设施,它是能源生成工业原料生成和消耗的关键设备,又因为其量大面积广,涉及生产领域多,在发展经济和创造良好人居环境尤显重要。传统工业锅炉能源利用率低,且产生氮氧化物等有害污染废气严重制约我国工业高效健康发展。因此,深入研究锅炉内部燃烧、物质与能量传递并且采取有效措施来降低氮氧化物,提高能源利用率,具有十分重要的意义。实验研究需要搭建实验装置成本高,难度大,而工程实验周期长且缺乏理论支持。研究炉膛燃烧问题。利用计算流体软件可以研究炉内流动燃烧能量传递和排放物生成。采用CFD计算流体软件和化学反应动力学软件进行燃烧模拟。从组织进气,分析燃烧放热、化学燃烧率、分析温度场以及氮氧化物产生详细机理分析多角度着手解决问题。本文建立燃气乙烯裂解炉炉膛模型利用FLUENT前处理器GAMBIT进行网格处理,然后导入FLUENT ,按照裂解炉实际运行工况算炉内温度场、速度场、主要反应物的浓度分布及氮氧化物生成情况及分布。通过本文计算的温度场和主要组分浓度分布和文献相对应的计算结果分析对比基本吻合。开展了炉膛内部燃烧和烟气流通分布及氮氧化物组分浓度的分析研究。在建立的燃烧模型引用内燃机清洁燃烧概念技术,即富氧燃烧和废气再循环(EGR),计算不同富氧进气率对燃料气体放热量的影响和不同的EGR率下的温度场和氮氧化物的浓度分布及主要组分浓度。模拟结果表明烟气再循环是可以有效降低氮氧化物排放的,但是会使得燃料燃烧温度以及燃料燃尽率降低,而富氧燃烧可以提高炉内燃料的燃烧放热量,但是会增加氮氧化物使得锅炉排放恶化,造成烟气出口氮氧化物增多。本文采用化学反应动力学软件CHEMKIN的详细化学反应机理模型单独分析不同富氧进气率下的燃烧放热量。使用计算流体软件分析不同的氧气质量分数对以一氧化氮为主的氮氧化物生成的影响。计算富氧与EGR对燃烧效率以及氮氧化物生成的综合影响。根据以上的模拟结果,考虑各个方面综合影响,确定适宜的富氧率和烟气再循环率使得该乙烯裂解炉燃烧效率提高6%,烟气出口ppm降低14%。为乙烯裂解炉等工业燃气锅炉的改进和优化提供了依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 炼油工业与乙烯生产工业简介  9-11
  1.3 影响加热炉效率的主要因素  11-13
    1.3.1 过量空气系数的影响  11-12
    1.3.2 不完全燃烧损失  12
    1.3.3 排烟损失  12-13
    1.3.4 散热损失  13
  1.4 加热炉主要有害气体成分及其形成原因  13
  1.5 大型加热炉节能减排国内外研究现状  13-18
    1.5.1 提高加热炉效率研究情况  13-14
    1.5.2 减少氮氧化物研究状况  14-16
    1.5.3 工业锅炉仿真模拟研究情况  16-18
  1.6 本论文的研究内容及意义  18-19
第二章数值计算方法和模型的选择  19-29
  2.1 基本守恒方程  19-20
  2.2 湍流数学模型方法选择  20-22
  2.3 组分运输与化学反应模型  22-24
  2.4 辐射模型  24-25
  2.5 计算方法  25-27
  2.6 计算过程  27-28
  2.7 本章小结  28-29
第三章模型的建立及炉膛模拟结果分析  29-39
  3.1 炉膛三维几何模型的建立及网格划分  29-30
  3.2 计算边界条件设置  30-31
  3.3 计算对比  31-33
    3.3.1 温度场  31-33
    3.3.2 炉膛内主要物质的浓度变化  33
  3.4 炉内流场分析  33-35
  3.5 主要组分分布  35-38
  3.6 本章小结  38-39
第四章富氧以及烟气再循环对氮氧化物的影响  39-61
  4.1 氮氧化物的产生机理  39-41
    4.1.1 热力型NO_x  39
    4.1.2 快速型NO_x  39-40
    4.1.3 燃料型氮氧化物  40-41
  4.2 富氧对燃烧放热率的影响  41-48
    4.2.1 CHEMKIN 简介  41-42
    4.2.2 模型建立选择  42-44
    4.2.3 计算结果对比分析  44-45
    4.2.4 不同氧含量下的计算结果分析  45-46
    3.2.5 不同氧气质量分数下氮氧化物生成情况  46-48
  4.3 燃气再循环率对燃烧效率和氮氧化物生成的影响  48-57
    4.3.1 计算工况进气条件  48-49
    4.3.2 烟气再循环对氮氧化物浓度的影响  49-51
    4.3.3 烟气再循环率对燃料消耗速率的影响  51-53
    4.3.4 烟气再循环率对炉膛温度场和反应管温度分布  53-57
  4.4 富氧燃烧与烟气再循环的综合影响  57-59
    4.4.1 燃料放热量  58-59
    4.4.2 氮氧化物生成量  59
  4.5 本章小结  59-61
第五章总结与展望  61-63
  5.1 全文总结  61-62
  5.2 工作展望  62-63
参考文献  63-66
参与的科研项目  66-67
致谢  67

大型燃气乙烯裂解炉燃烧过程的模拟研究

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