一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法，环壁保护燃烧炉包括燃烧器和设置在燃烧器前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热衬里。在燃烧器的壳体内设置有保护气旋流片和分流孔；在燃烧器的壳体内设置有与过程气进口环腔相通的过程气进炉分配管；所述过程气进炉分配管沿壳体圆周方向均布并与壳体中轴线成45°～60°的夹角。本发明专利技术的积极效果是：保证了燃烧气体和空气的充分预混合；对燃烧炉的耐火材料衬里起到保护作用；计算方法便于在改进和使用过程中提供指导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天然气处理厂硫磺回收用再热炉的设计
，尤其涉及一种环壁 保护燃烧炉及其传热传质数值模拟方法。
技术介绍
气体燃烧主要有三种方式：非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。现有硫磺回 收装置再热炉所配燃烧器的燃烧属预混燃烧方式，在工作状态燃烧炉炉壁直接暴露在高温 中，当工况波动较大时，炉膛温度极易升高，使得炉壁温度显著上升，甚至超过耐火材料极 限而使衬里垮塌失效。因此，亟须对现有燃烧炉和燃烧工艺改进，以确保燃烧炉超温时衬里 的安全可靠性。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点，本专利技术提供了一种环壁保护燃烧炉及其传热传质数值 模拟方法。 本专利技术所采用的技术方案是：一种环壁保护燃烧炉，包括燃烧器和设置在燃烧器 前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和 过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热 衬里。 进一步地，在燃烧器的壳体内设置有保护气旋流片和分流孔。 进一步地，在燃烧器的壳体内设置有与过程气进口环腔相通的过程气进炉分配 管；所述过程气进炉分配管沿壳体圆周方向均布并与壳体中轴线成45°~60°的夹角。 进一步地，在燃烧器混合段和反应段对应的壳体上均设置有温度计检测接口。 进一步地，过程气出口设置在燃烧器壳体的尾端，且开口向上。 本专利技术还提供了一种环壁保护燃烧炉的传热传质数值模拟方法，包括如下步骤： 步骤一、对燃烧炉内的流动燃烧过程建立几何模型； 步骤二、对几何模型进行网格划分并进行数值求解； 步骤三、拟合保护风流量随过程气流量变化的函数关系； 步骤四、对模拟结果进行验证：当模拟结果与运行数据误差在5% -10%以内时， 则进入步骤五；否则，返回步骤一； 步骤五、壁面传热模拟计算； 步骤六、对燃烧炉内壁不同温度下建立隔热层厚度、耐火层厚度与壳体外壁温度 的函数关系； 步骤七、根据模拟结果拟合得到过程气流量与燃烧炉接口面积和体积之间的函数 关系，其中： (1)过程气流量与燃烧炉体积之间的函数关系为： V= 4. 26833XGXKT4 其中，G为过程气流量，V为燃烧炉体积； (2)过程气流量与燃烧炉接口面积的函数关系为： S= 3. 83188XG0-66667X10-4 其中，S为燃烧炉接口面积。 与现有技术相比，本专利技术的积极效果是： (1)保证了燃烧气体和空气的充分预混合； (2)通过在壳体上设置保护风进口，将保护风引入到燃烧炉周边，对燃烧炉的耐火 材料衬里起到保护作用； (3)提供一种对燃烧炉的传热传质数值的精确计算方法，以便于在改进和使用过 程中提供指导。【附图说明】 本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中： 图1为本专利技术燃烧炉的结构示意图；图2为燃烧炉本体的轴向剖面示意图； 图3为取炉体的横断面为计算传热对象时所得到的网格示意图； 图4是实施例拟合得到隔热层厚度Dge、耐火层厚度Dnai与壁温T的关系示意图； 图5是处理量与再热炉体积间的关系示意图； 图6是处理量与接口尺寸间的关系示意图。【具体实施方式】 一种环壁保护燃烧炉，如图1和图2所示，包括：燃料气进口 1、燃烧器壳体2、空气 进口 3、环壁保护风进口 4、耐火隔热衬里5、过程气进口 6、过程气进口环腔7、过程气进炉分 配管8、过程气出口 9、温度计接口 10等，其中： 在燃烧器前端设置有燃料气进口 1，在燃烧器壳体2内设置有耐火隔热衬里5,在 燃烧器壳体2上设有空气进口 3、环壁保护风进口 4、过程气进口环腔7和过程气出口 9。在 过程气进口环腔7上设置有过程气进口 6。在燃烧器尾端设置有开口向上的再热加热后的 过程气出口 9。在燃烧器壳体2的燃烧混合段和反应段设置温度计检测接口 10,用于对炉 膛温度和过程气出口温度进行监测。 环壁保护是指在引入保护气体、并通过燃烧器内部的保护气旋流片11 (如图2所 示）及分流孔的引入，在燃烧器内环壁的周边形成一层环壁气流保护膜，与燃料气燃烧方 向呈平行排列，该气流保护膜将燃烧区域与燃烧器内环壁隔离开来，形成一层边壁保护膜， 可有效地控制燃烧器内环壁耐火衬里的工作温度，降低耐火衬里受高温辐射的影响，通过 降低衬里表面温度从而有效提高衬里的安全可靠性和使用寿命。 在过程气进口 6处设置有环腔7和与环腔7相通的进炉分配管8,进炉分配管8沿 圆周方向均布并与炉体中轴线成45°~60°的夹角，以确保过程气通过炉体的壳体圆周 "环腔、多股、均布"地引入炉膛中。 本环壁保护燃烧炉的工作原理是：在使用时，通过燃料气进口 1引入燃料气体，与 从空气进口 3引入的空气混合燃烧，产生高温烟气进入炉膛。此次过程气经过程气进口 6 经环腔7,过程气进炉分配管8多股、均布地引入再热炉膛，与前端燃烧器产生的高温烟气 掺混，从而达到再热工艺过程气的目的。而保护风经环壁保护风进口4引入燃烧器内，保护 风流经保护气旋流片11后在燃烧器耐火层内壁圆周方向形成一层边壁保护膜，可有效地 控制燃烧器内环壁耐火隔热衬里5的工作温度，降低耐火衬里受高温辐射的影响。通过温 度检测接口 10对炉膛温度和过程气出口温度的监测，燃烧器会自动调节燃气流量以及环 壁保护风量来控制炉内过程气的再热反应。以至既满足了工艺生产要求，又起到对设备炉 衬的保护作用。再热后的工艺过程气经过程气出口9排出流经下一工序。在此再热反应过 程中：空气、工艺过程气、保护风在燃烧炉内是一个"组分湍流扩散及混合"的过程，期间发 生复杂的三维流动、组分混合和燃烧。此时的保护风能够均匀水平地分布在燃烧炉周边，将 燃烧状态的气体与燃烧炉内壁隔离开来，起到保护炉衬避免超温损坏作用。当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环壁保护燃烧炉，其特征在于：包括燃烧器和设置在燃烧器前端的燃料气进口，在燃烧器的壳体上设有空气进口、环壁保护风进口、过程气进口环腔和过程气出口，在过程气进口环腔上设置有过程气进口，在燃烧器的壳体内设置有耐火隔热衬里。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雒定明，刘文广，郭成华，汤晓勇，彭宛，宋久芳，唐昕，马艳林，焦建国，张毅，曹建强，汤智昀，马先，
申请(专利权)人：中国石油集团工程设计有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51