高温石墨化炉燃烧过程的数值模拟;热能与动力工程

IV高温石墨化炉燃烧过程的数值模拟热能与动力工程张赣（099014031）指导教师李朝祥教授摘要混气炭黑燃烧器在生产混气炭黑时有着不可替代的作用。该燃烧器结构是否合理，对于混气炭黑的生产至关重要。本文用计算流体力学研究该燃烧器的各项参数的分布，并对其结果进行优化。应用Fluent软件，采用可实现k-模型，对非预混燃烧三维流场进行数值模拟。同时，对数值计算结果作出分析，并给出优化方向。本文讨论影响燃烧器内温度分布的各种因素，并对于其燃烧产物的分布进行讨论。综合本文的工作，可以得到该燃烧器优化的方向，这为该燃烧器的进一步研究和改进提供了参考和依据。结果表明，用可实现k-模型来预测燃烧器内的燃烧具有较高的经济性与准确性。通过数值模拟，可代替大量的实验探索，在很大程度上，缩小实验范围，节省人力物力，是一种经济有效的研究手段。关键词：炭黑混气炭黑燃烧器可实现k-模型数值模拟VABSTRACTTheburnerusedforgas—mixturecarbonblackhasanirreplaceableroleintheproductionofgas-mixturecarbonblack.Whethertheburnerstructureisreasonableornotisessentialforgas-mixturecarbonblackproduction.ThisarticleusestheCFDtostudythedistributionoftheparametersoftheburner，andthenoptimizestheresults.Thearticleusestherealizablek-εmodeloftheFluentsoftwaretosimulatethethree-dimensionalflowofthiscombustion.Meanwhile,itgivestheanalysisofthenumericalresultsandthedirectionoffurtheroptimization.Thearticleanalyzesthefactorsaffectingthefieldoftemperatureandfurtherstudiesthedistributionofcombustionproducts.Itgivesthewaysoffurthermodificationoftheburner.Anditalsocanbeareferenceandbasisforthefurtherstudyingoftheburner.Itshowsthatusingrealizablek-εmodelcangettheremarkableeconomicandaccuracy.Toalargeextent,usingNumericalSimulationcanbeaneconomicmethodforitsreducingoftheresourceandshrinkingofthescopeoftheresearchingfield.Anditcanalsoreplacealotofexperimentalresearches.Keywords:Carbonblack;Gas-mixtureCarbonblack;Realizablek-εmodel;Numericalsimulate第1页共44页1绪论炭黑是由许多含碳有机物质(包括固态、液态或气态)不完全燃烧生成的。炭黑通常系指由炉黑、槽黑、热裂黑和灯烟黑所构成的一组工业产品。炭黑是一种重要的化工原料，可以在作为补强填充剂，可赋予胶料优异的补强和耐磨性能，并且因为炭黑价格较生胶低，大量填充炭黑可以降低胶料成本，故炭黑90%以上应用于橡胶工业，特别是轮胎工业。同时作为胶料的着色剂或调色剂，炭黑被广泛用于油墨、涂料、制革和化纤工业。炭黑用塑料制品，不仅有着色或调色作用，还具有抗紫外线、防止老化以及抗静电或导电等功能，故普遍用于黑色或灰色塑料制品、电线电缆护套和半导电屏蔽层中。除此之外，炭黑还广泛用于冶金、电子、感光材料、黑色农膜和包装材料等诸多领域。1.1炭黑的定义与分类炭黑（carbonblack，又名碳黑），是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末，比表面积非常大，是有机物（天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。目前所知的炭黑种类较多，主要有以下几种：a.气槽法，气炉法和热解法炭黑—由气体原料制成；b.喷雾法和灯焰法炭黑—由液体燃料制成；c.活性蒽法炭黑—由煤发生的碳氢化合物蒸汽与焦炉煤气的混合物制成。除了这几种重要的炭黑外，还有乙炔法炭黑与用于高级油漆及染料的特种炭黑。只是其产量较少。1.2炭黑的生成过程与产物炭黑的生成过程，是在高温作用下分解烃类，并从所得产物中分出炭黑的碳来。烃类适用于制取炭黑，是因为烃类中碳的含量很丰富。例如最简单的甲烷，就有75%的碳。炭黑可以从其气体中制取。天然气是生产气槽法，气炉法与热解法炭黑的原料。各种乙炔法炭黑即使用乙炔制取的。把烃类分解成元素碳与氢需要较高的温度。例如分解甲烷是在1100℃下进行的。在空气进入不足时，可用燃烧原料的方法来制取炭黑，燃烧的产物除炭黑外，还有氧化物和二氧化碳，甲烷，氢气，氧气，氮气以及水蒸气。氧气之所以存在第2页共44页于炭黑生成中，是因为虽然空气供应量不足的，但是一部分空气经过设备而不加入炭黑的生成过程。当原料在平沿火焰的缝式烧嘴中燃烧时，在逸出的气体中就会含有较多的氧气。1.3炭黑的生产方法炭黑的工业生产方法，是在高温作用下，以分解碳氢化合物为基础的。大体上有这些种方法：1）在一些情况下的炭黑形成是在空气不足时来燃烧原料进行的;2）在当缺乏空气时热解原料来进行的。某几种炭黑是从碳化氢的合成（而在某些情况下是分解）产物中提取而得到的（例如，在用甲烷合成乙炔时）。其中每一种炭黑的制取方法，都有某些变化。在进入限量的空气时，以燃烧原料来制取炭黑主要使用两种方法进行：1）在装有不同构造烧嘴的炉子中燃烧原料。在火焰中生成炭黑，在某些时间内（在6S以内）是与生产过程的气体产物同处高温带中。此后使用炭黑和气体的混合物冷却，并在专门的设备中使炭黑与气体分离。2）用金属设备上装置的缝式烧嘴来燃烧原料。燃烧原料的平沿火焰与移动的金属面相接触。火焰与金属面接触的时间很短。收集在金属面上的炭黑迅速地丛炭黑生成带离开。在实际中，槽法炭黑的生产由于能耗大，高污染而且产量不大，所以在实际工艺中已被淘汰。所以本文所用的为热解原料生产炭黑，这里只讲该方法所生成的炭黑。其中最重要的为该方法使用的燃烧器。1.4混气炭黒1.4.1生产工艺过程和设备混气炭黑与槽法炭黑相比，单位火房的炭黑产量会提高14—20倍。与槽法炭黑相比，混气炭黑粒径稍大，在硫化胶中表现为抗张强度稍差，伸长率稍低。混气炭黑的工艺流程如图1—1所示。其生产工序大体上与槽法炭黑相似，唯有增添了原料气制备工序。固态或液体烃原料经熔化、脱水、除去机械杂质和汽化后与预热后的载燃气混合，制备成原料气。炭黑除了在槽钢冷却面上收集外，燃余气中的炭黑用过滤器收集。汽化釜加热温度，根据所用原料不同而异。用防腐油时为220~340℃，用粗蒽时为250~360℃。汽化釜加热温度，随着生产日期的增长而逐步上升。根据所第3页共44页用原料的不同，制定相应的升温曲线平均日升温4~6℃。汽化釜和熔化釜的温度、压力和液面位置，由安装在釜盖上的温度计、测压管和浮标液面计测量。预热后的载燃气进入汽化釜中，高温的裁燃气流经沸腾着的液体原料表面，表面层的烃原料迅速汽化蒸发，形成混合原料气。然后，混合原料气，从汽化釜出口沿混气总管进入火房。为了增加高温栽燃气在汽化釜巾通过的路程，使其与液态原料有更多的接触机会，夹带出更多的烃蒸气，在釜中设有深340~700毫米、间隔27~290毫米的螺旋形折流板。此外，为了调节原料气中烃蒸气的含量(即油气比)，还专门设置了裁燃气直通管道，使一路分预热裁燃气可不经汽化釜而直接进入混气总管。通常，油气比控制在0.4~0.5公斤每立方米。从汽化釜出口到通往火房的混气总管，可采用明火加热保温，以防原料气中烃蒸气冷凝。通常，在车间的布局上，将原料气制备工序(釜房)与火房平行布置，以尽量缩短涡气总管的长度。每4座沼气火房，通常共用两套熔化釜和汽化釜设备，一套生产，一套备用，以便用期出渣和清扫。混气火房内部设备由于原料气中含有大量芳烃蒸气，其火焰外形尺才铰小。因此，火房内可设置较多的、规格较小的槽钢，火嘴间距也可以缩小。例如，每座火房中可设置10排宽140毫米的槽钢。火嘴间距可为68毫米。每座火房约有火嘴4000个。混气从烧嘴中喷出，形成火焰而燃烧分解。一部分炭黑沉积在住复运动的槽钢面上，由利刀收集于收集斗中，然后由螺旋输送器送出火房。另一部分炭黑，随同燃余气一起从火房顶上的烟囱排出，经冷却塔后，送入袋滤器收集。火房槽钢收集的炭黑和袋滤器收集的炭黑，经气密阀由风送系统送到造粒工段造粒。第4页共44页1.4.2生产操作和调整汽化釜操作均衡，是稳定混气炭黑产量、质量的关键。汽化釜中液态烃的汽化量要保持均匀，以便得到恒定的沼气浓度。通常油气比为0.4一0.5公斤每立方米，若原料气中添加有一次空气时，油气比可提高至0.6一0.7公斤每立方米。当使用浓体油料时，为了保证均匀汽化，应根据油料在不同温度时的馏出曲线规定出不同阶段的升温速度。加以防腐油为例，在280℃以下，可较快升温，280一320℃范围内耍较缓慢升温；320一240℃，汽化量最多，要更缓慢升温。当使用固态烃，如粗恩、粗萘时，由于组分较单纯，汽化温度范围较窄。因此，汽化釜中的汽化量，几乎和温升成正比，在操作上容易掌握。这时，汽化釜每8小时升温2℃左右。只要严格控制汽化釜的升温速度和载燃气流易就能实现稳定生产。若汽化釜图1-1混气炭黑生产流程1—贮油器；2—预热罐；3—油泵；4—载燃气预热器；5—熔化釜；6—汽化釜；7—火房；8—冷却塔；9—袋滤器；10—风筛机；11—反吸风机；12-旋风分离器；13—造粒机；14—吸尘袋滤器；15—吸尘风机；16—空气压缩机；17—空气净化设备；18—沥青泵；19—沥青池；20—排风机；21—风机；22—沥青洗涤塔第5页共44页升湿速度过快，将使火房排气不良，烧嘴“灯花”，破坏了火焰的稳定燃烧。由于原料分解不完全，燃余气中含有大量烃蒸气，达不仅影响收免也使炭黑中丙酮抽出物含员过高。在混气炭黑的生产操作中，除汽化釜原料汽化量要稳定之外，还要防止管路堵塞。管路堵塞的主要原因如下：1.原料的组成，特别是原料中水分和沥青质含量，对管路堵塞影响很大。在汽化釜中，液态原料的含水量不应超过1％，否则容易发生溢钢现象。原料中沥青质含量过多，抽沥青操作就频繁，汽化釜温度也上下波动。如果抽沥青不及时，沥青液面相对升高，当釜内液体沸腾时，沥育质也容易被载燃气带走，在管道内冷凝，堵塞管路。2．混气在管道中流通不畅。气流在管道的弯头、法兰垫片的突出部位等处，由于产生涡流，容易堵塞。因此，在混气管道中，应尽可能地减少造成涡流的管件。在有弯头的部分，应没有便于清扫的管头。3．混气总管的明火保温情况。温度过高，产生局部过热，烃蒸气在管道中结焦；当保温不良，部分烃蒸气从载燃气中冷凝出来，堵塞管路。此外，汽化釜均衡升温、载燃气流星保持恒定、经常检查维修各种指示仪表，如汽化釜温度计、液面计等，也是保证正常操作的必要条件。1.4.3燃烧室与烧嘴汽化混合物在燃烧室内发生生燃烧并生成炭黑，炭黑的产量与质量都决定于燃烧室的工作。烧嘴装置是燃烧室的主要组成部分之一。它的精确性性和应有的维护都决定这燃烧室的生产量及所取取的炭黑质量。烧嘴装置是由直径50cm的金属管子1及其上装置烧嘴的的32个管接头组成。管子与管接头是包在用绝缘材料(玻璃棉)充满的套装中。第6页共44页图1-2烧嘴装置1.5CFD简介CFD是计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)的英文缩写。利