高温空气燃烧器燃烧数值模拟研究

采用κ-ε湍流模型,结合PDF快速反应扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型模拟了3种不同结构高温空气燃烧器的燃烧过程,获得了不同结构燃烧器出口流场、温度场、NOx浓度分布以及燃烧火焰形态等详细信息,揭示了计算区域内流动、燃烧和传热过程特点。通过CFD计算对3种结构燃烧器的对比研究,获得相对最优的结构方案。燃烧器试烧实验表明:燃烧器有较好的燃烧状况,可满足工程要求,同时验证了模拟计算结果的可靠性。     

基于CFD计算的管式加热炉燃气分级低NO_x燃烧器研究

以某石化公司低NO_x燃烧器改造项目中管式加热炉内0.7 MW扩散式燃气燃烧器为研究对象,提出了两种低NO_x改进方案。方案A采用传统燃料分级供给形式,方案B在采用燃料分级供给的同时还采用了特殊耐火砖结构。应用计算流体力学(CFD)软件Fluent对燃烧器两种改进方案的燃烧过程和NO排放进行了数值模拟,获得燃烧室内温度分布、组分分布、NO生成速率以及火焰形态等参数。比较计算结果发现,燃烧器方案B的结构能够合理地组织燃烧区的流场,改善火焰形态,提高火焰传热效率,防止局部热点的形成,使温度分布更均匀。与方案A相比,方案B的峰值温度降低了233K,出口处NO的平均体积分数降低了19.3μL/L,抑制NO排放的效果更好。     

H2S废气反应炉燃烧数值模拟

针对某炼油化工厂H_2S反应炉设计的不同结构的燃烧器进行三维数值模拟,研究了不同燃烧器结构参数、燃料气成分与分配比例、反应炉花墙结构等因素对炉内流动与燃烧的影响,并确定了合理的燃烧器结构。结果表明:原始燃烧器结构下,单烧酸性气工况时,降低内圈酸性气比例有利于H_2S的完全燃烧,炉膛出口烟温有所提高;优化后的燃烧器结构较原始结构下,增强了内圈酸性气与空气的混合,更有利于H_2S气体的燃烧;反应炉内花墙结构能造成炉膛内烟气回流,提高了烟气的停留时间,有利于H_2S气体的燃烧完全;掺烧天然气工况较单烧酸性气工况,炉内燃烧变差。     

二甲苯塔重沸炉F401低氮燃烧器的结构改进

为满足国家环保标准的要求,石化公司对排放不达标的加热炉进行了低氮燃烧器的改造。文章针对二甲苯塔重沸炉改造后存在的问题,进行了单台底部低氮燃烧器模拟分析,找出了原结构存在的问题,提出了燃烧器相应结构改进方案。根据方案,进行了全炉燃烧数值模拟验证,重点分析了内部流场。通过验证,得出了该燃烧器结构改进方案合理的结论,并依据该方案对燃烧器的结构设计及生产实践提出了改进建议。     

燃烧器结构对气体火焰形状和炉内温度分布的影响

利用数值模拟方法,选用标准的K-ε湍流模型、PDF扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型,研究了燃烧器结构对气体火焰形状和炉内温度分布的影响,主要考察了不同燃烧器喷孔直径、喷孔角度和旋流角度下速度、温度、火焰形状等参数的变化规律.结果表明, 喷孔直径越小,喷孔出口速度越大,速度峰值也越大,射流的影响区域越大,燃料与空气的混合越好,燃烧速率越高,燃烧的火焰越短、越窄;喷孔角度和旋流配风也可以增强混合、强化燃烧,但其对火焰形状及长度和炉内整体的温度分布影响很小.因此,若要提高辐射传热效率,只能从配风和火道形状的优化入手,开发新结构的高效燃烧器.     

测试燃烧器放喷流动及燃烧特性数值模拟

针对气井测试大流量放喷时燃烧产生的高热辐射和噪声对人员及设备造成的危害问题,采用RSM湍流模型、简化的甲烷-氧气2步反应组分输运模型、离散坐标法辐射传热模型、宽频噪声及F-W-H噪声模型对页岩气测试燃烧器大流量放喷燃烧过程进行了数值模拟,考察了大流量放喷时放喷流场及噪声传播规律。分析结果表明:测试燃烧器放喷为扩散燃烧方式,燃烧效率较低,燃烧不完全易冒黑烟,同时扩散燃烧形成上浮火焰形态,火焰根部距离套筒出口较近,形成的高温热辐射使燃烧器本体受热变形而失效;燃烧器内放喷头径向喷孔流速过高导致高射流噪声,进而产生高燃烧噪声,严重威胁人员和设备安全;采用提高燃气和空气混合效果的预混燃烧方式,并合理设计喷孔流速可以抑制现有燃烧器缺陷。所得结果可为大流量测试放喷燃烧器结构改进提供理论指导。     

天然气密闭燃烧器的研制与应用

为了解决天然气开发过程中废弃天然气处理存在的噪音污染、光污染和征用土地复耕困难等一系列环境保护难题,研制了一种天然气密闭燃烧器,以实现废弃天然气直接在井场内低声幅遮蔽燃烧。在调研国内外天然气燃烧器设计模式的基础上,结合燃烧器的场站需求实际,将燃烧器设计为多个文丘里燃烧喷嘴,基于数值模拟方法对燃烧器喷嘴火焰出口和吸入端结构进行了优化:①在喷嘴布局上采用分层阵列布局,将废弃天然气的燃烧效率提高至95%以上,燃烧器最大燃烧处理量达30×104 m3/d,距燃烧筒20m外噪音强度小于等于85dB,与大气环境温差小于10℃;②针对井场产气量变化范围大的特点,对不同气体流量采用分压分层控制方式,使用铠装式热电偶和紫外线检测技术对燃烧情况进行实时监测,配套远程点火装置和传焰装置确保燃烧过程安全可靠。现场应用效果表明:该密闭燃烧器能有效降低噪音、热辐射和光污染,无需修建燃烧池和立式火炬,对于页岩气开发、探井试油测试过程中废弃天然气的处理具有明显的工程优势,具备良好的推广应用前景。     

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明:加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。     

克劳斯反应炉内流动及燃烧反应过程数值模拟研究

采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法建立了复杂结构克劳斯反应炉(包括燃烧器)的三维模型,结合酸性气燃烧反应的计算模型,较为真实地再现了克劳斯反应炉内流动及燃烧过程。数值模拟结果表明,模拟计算值与工艺包数据吻合良好,说明了计算结果是可靠的。反应炉内燃烧反应主要发生在燃烧器出口反应炉前端位置,酸性气和燃烧空气的混合越剧烈,燃烧反应高温区域越小。CFD计算结果展示了炉膛内烟气速度、温度分布,反应物及反应产物组分浓度分布,可直接作为反应炉设计合理性的理论依据。     

常减压装置加热炉全炉燃烧数值模拟分析

为满足国家新环保标准的要求,天津石化公司对所有排放不达标的加热炉进行了低氮燃烧器的改造.本文利用数值模拟方法研究了常减压装置改造后底部低氮燃烧器的特点及结构的改进方案,重点进行了全炉燃烧数值模拟,分析了燃料气组分、空气过剩系数、空气预热温度、燃料气压力对排放(NOx及CO)的影响,通过分析得出了该燃烧器的运行特点,并对燃烧器的结构设计及生产实践提出改进建议.     

蜗壳式旋风分离器环形空间流场的研究

流场测量表明蜗壳式旋风分离器环形空间的速度场和静压场是非轴对称的 ,存在着切向速度的增高区 (0～ 1 80°,以入口处为 0°)和降低区 (1 80～ 360°)及相对应的静压分布降压区和增压区。在升气管管壁表面附近存在有低速的“滞流层”。蜗壳式旋风分离器环形空间的这种流场分布对颗粒在环形空间的运动过程和旋风分离器性能有重要影响。     

CO加氢合成复合式反应器工艺研究

新开发的复合式反应器组合了气流床和浆态床两部分。在反应器的气流床内,对CO加氢合成反应工艺条件进行研究,重点考察了温度、压力和空速对出口产物体积含量、产物时空产率的影响,同时还测定了反应过程中整个床层轴径向的温度分布,为确定复合式反应器内CO加氢合成工业化生产最佳反应条件提供基础数据。研究结果表明,在复合式反应器内,合成过程存在一个最佳反应温度范围为240～260℃,此时反应产率达到最大值;反应产率随着压力的增大单调递增;一定的催化剂循环量下,空速增大虽然可以提高产物的产率,但增大到一定值后出口产物体积含量反而会降低;一定的气体流量下,催化剂浆料的循环量有一个最佳值,高于这个值,出口产物体积含量以及产物的时空产率都将降低。由实验结果可知,反应器床层的轴径向温度分布均匀,床层温度易于控制。     

螺杆泵内部滑失与泵外漏失机理研究

为了认清螺杆泵的漏失机理,还原其井下实际生产条件下的工作状况,根据流体传压特性,将螺杆泵漏失细分为泵内滑失和泵外漏失。在确定泵内压力分布的基础上计算了螺杆泵各腔室的滑失速度,研究了不同泵吸入口空隙率和排出口压力下的漏失规律。结果表明:泵内压力变化导致泵内流体滑失,滑失又会影响泵内压力分布,泵外漏失是泵内滑失达到一定程度时出现的现象;气相存在一个较小的滑失区间,随着泵排出口压力增加,滑失区间向吸入口偏移;泵吸入口空隙率的增加改变了泵内流体的可压缩性,使得液相滑失速度曲线由线性进化为抛物线型,气相滑失区间向排出口扩散。研究结果为螺杆泵漏失量的计算提供了依据。     

涡流探测管对除油旋流器分离性能的影响

由室内模拟试验可知，在相同流量、相同入口和底流口压力、相同分流比条件下，带涡流探测管的旋流器溢流口压力高。采用具有一定粒度分布的油水乳液结合激光粒度仪和等动量取样系统的粒级效率测试方法，对有涡流探测管和无涡流探测管除油旋流器的粒级效率进行了测试。测试结果表明，对于不稳定乳液，有涡流探测管旋流器的分离效率比无涡流探测管旋流器的分离效率高；对于稳定乳液，两者的分离效率基本相同，油滴中粒径在１０～２５μｍ范围内，有涡流探测管旋流器的分离效率略高一些。两种旋流器的最佳分流比都是１５％，分割直径ｄ５０为１０μｍ，分离极限为３０μｍ。     

液动冲击器缸体结构优化设计

为解决液动冲击器在使用过程中缸体出液孔口出现冲蚀坑的问题,采用CFD分析法对缸体工作过程进行模拟仿真,根据流场模拟结果提出结构改进方法,将缸体流道从径向水平改为与水平方向成45°角的结构。研究结果表明,缸体流道沿径向水平时会引起出液孔口附近液体流速和压力突变,产生脱流回流现象,导致缸体出液孔口附近发生严重冲蚀;结构改进后流场分布情况得到明显改善,且能满足缸体强度要求,延长了冲击器缸体的使用寿命。现场试验中改进后的液动冲击器的平均钻速比改进前提高了34%。     

低温冷屏蔽系统流场数值模拟研究

提出一种以低温深冷剂相变制冷为原理的冷屏蔽系统技术,即通过深冷剂的相变制冷使物体表面温度降低从而降低红外辐射特性,进而建立三维立体模型并对模型进行单元流场及系统模型流场数值模拟。模拟结果表明,单元模型流场内温度分布梯度满足系统表面温度分布要求,流场参数变化幅度满足系统分层高度要求;系统模型流场参数分布满足变压出口条件,模型内流场参数保持稳定且变化幅度小;系统出口大小满足稳定状态下产生节流效应时所要求的出口大小;模型结构参数能够满足冷屏蔽系统原理要求。     

提升管反应器稳态模拟：器壁散热对过程的影响

修改Gupta等的催化裂化提升管反应器稳态模型,在能量衡算方程中添加器壁散热项,以模拟器壁散热对反应器的影响;使用FORTRAN编程语言实现稳态模型在AspenPlusTM软件中的求解;采用某炼油厂提升管反应器现场数据及文献结论,对修改的模型进行了参数校正及模型验证;利用经校正及验证的反应器模型,模拟预测了器壁散热对装置产物分布等的影响。器壁散热抑制了提升管内油气裂化反应,恶化了装置出口产物分布,从而表明了在工程设计及工业运行中加强提升管器壁保温的重要性。     

物理聚结构件对水包油乳化物分离特性研究

利用重力式油水分离模拟试验装置,以柴油和水为试验介质,通过分析入口和油出口、水出口的油水分离效果以及液滴粒径的分离效率,研究了7种物理聚结构件对油包水乳化物的分离特性。研究结果表明,对于水包油型乳状液,亲油性聚结填料的油水分离效果要优于亲水性聚结填料,表面粗糙的亲油性聚结填料油水分离效果要优于表面光滑的聚结填料;板间距越小,油水分离效果越好;粒径分析方法得到的结论与入口和油出口、水出口的油水分离效果所得到的结论一致,聚结构件能进行有效分离的粒径为20μm以上。     

螺旋分离器水流动特性的CFD模拟与PIV试验

设计了一种新的螺旋分离器,采用CFD数值模拟技术对螺旋分离器的入口管段、螺旋分离段及出口管段内流体流动速度场及压力损失分布特性进行了分析,结合PIV流场测试试验对分离器的入口管段和出口管段内流体流动速度场进行了测量和对比分析。介绍了螺旋分离器油水分离的工作原理、结构参数及PIV实验流程。结果表明：该螺旋分离器螺旋导流效果明显,在螺旋分离段及出口管段内具有持续时间长、离心分离强的螺旋流分离流场;流体流过螺旋分离段后,在出口管段内可形成稳定的螺旋流场;通过对比分离器内入口管段及出口管段PIV试验速度测量值与数值模拟值,结果吻合良好,验证了模拟结果的可靠性;通过分离器的压力损耗分析,指出了螺旋分离器的主要压力损耗位置,设计工况下的分离器最大压力损耗不超过90 kPa。     

多产异构烷烃的催化裂化工艺两个反应区概念实验研究

在多产异构烷烃的催化裂化工艺反应器的第一反应区和第二反应区出口现场取样,并测定其气体组成、液体组成以及产物分布。对这些数据的分析结果表明,第一反应区的转化率占总转化率的70.98％,汽油烯烃含量为58％;第二反应区的转化率占总转化率的29.02％,汽油烯烃含量为33.1％,从而认识了第一反应区和第二反应区的作用,开发了以“两个反应区”概念为基础的多产异构烷烃的催化裂化工艺(MIP)。