李鹏飞，吉喆，宋伟

(中石化广元天然气净化有限公司，四川 广元 628400)

0 引言

在高含硫天然气净化工艺流程中，加氢炉为过程气提供所需的还原性气体。在加氢反应器中，过程气中残余的二氧化硫及硫蒸汽与加氢炉生成的还原性气体在催化剂的作用下反应，将其还原成硫化氢气体，并经脱硫溶剂吸收后送往尾气焚烧炉。过程气经还原吸收后，降低了硫化物的含量，确保焚烧后尾气二氧化硫含量符合标准。因此，确保加氢炉正常工作有重大的环保意义。如果加氢炉炉头长期超温或振动强度过大，将会导致耐火材料产生裂纹甚至从本体脱落[1]，严重影响耐火材料的寿命，进而影响加氢炉的正常运行。而燃料气与燃烧空气的配比直接影响燃料气的燃烧速率以及燃料气与燃烧空气混合均匀度[2]，因此合理调整燃料气与燃烧空气配比可以有效控制燃料气燃烧程度及燃烧后产生的热应力，进而控制加氢炉炉膛温度及燃烧器振动强度。

1 加氢炉运行状态

自元坝净化厂投产以来，加氢进料燃烧炉作为装置中重要的工业燃烧炉，其稳定运行情况一直受到重点关注，自加氢炉投用后便对该设备进行定时监测。在对加氢炉测温测振时，发现各装置中加氢炉均存在高频振动且噪音较大的现象，且有局部温度过高情况。对振动强度最大的三联合进行了处理量调整试验，测量不同原料气处理量条件下加氢炉相同位置的振动强度，如表1所示，结果表明随着原料气处理量的变化，加氢炉各位置振动强度变化较小，因此可排除原料气量对加氢炉振动强度的影响。而对测试不同配风比下加氢炉振动强度的结果显示，如表2所示，通过改变配风比可以有效降低加氢炉振动强度，因此探究配风比对加氢炉振动强度和燃烧室内温度的影响显得尤为重要。

表1 三联合不同原料气处理量条件下的振动强度 单位：mm/s

表2 配风比对加氢炉振动强度的影响

2 建模分析

由于无法直接测量加氢炉炉头燃烧室内温度，因此运用三维建模软件建立仿真计算模型，通过设置不同燃料气与燃烧空气的配比来模拟燃烧室内燃烧火焰温度，并测试不同配风比下加氢炉振动情况，进而探究不同配风比对加氢炉炉头燃烧室温度及加氢炉振动的影响。

燃料气与燃烧空气在加氢炉炉头燃烧室内混合后燃烧，因此高温部位主要集中在燃烧室内，对加氢炉炉头燃烧室按实际尺寸进行建模分析。运用Gambit软件对所建模型进行网格划分，并对燃烧室与火焰接触壁面局部网格进行加密处理。由于燃烧室结构模型较大，对燃烧室接近炉头端采用四面体等非结构化网格进行划分，对远炉头端采用正六面体结构进行网格划分，此种划分方式能保证在数值模拟计算过程中的精度要求。根据网格划分所得结果可知，整体计算区域网格总数量为447万个，燃烧室的网格分布及结构如图1所示。

图1 加氢炉炉头燃烧室结构及网格划分

3 无关性验证

网格无关性验证指验证计算结果对网格密度变化的敏感性。网格点越密集，计算结果越精确，同时也会导致计算量增大，延长计算周期。并且随着网格数量的增加，计算其浮点运算造成的舍入误差也会增大。因此需要确定适合的网格密度[3]。

选择监测点位于测试炉膛中心轴线上，距离燃烧器出口1 m。根据图2可知，流体运动速度随着网格数增加呈先增大后平稳的趋势。当网格数量超过300万个后，流体流动速度稳定在15.6 m·s-1左右，这表明当网格数量超过300万个之后，满足网格无关性验证。综合考虑计算结果精确度及计算周期，本次模拟中采用的网格数量为347万个。

图2 网格无关性验证

4 多相流模型求解

本次数值模拟计算对加氢炉炉头燃料气与燃烧空气采用混合欧拉多相流模型进行求解，用标准k-ε湍流模型来分析燃烧室内部燃烧流动特性[4]；选择DO辐射模型计算炉膛内部辐射换热[5]；在加氢炉正常工况下，加氢进料燃烧炉内的气体流动主要以湍流的形式存在，对于湍流燃烧采用Finiterate/Eddy-Dissipation模型[6]。

5 燃烧室中间剖面温度分布

在设置流体边界条件时，根据相关参数进行设置，将燃料气与燃烧空气进口设为体积流量入口边界，延期出口为压力出口，燃烧室其余边界全部设为绝热，将燃烧室外壁面设置为等温面。在燃烧空气与燃料气的配比为7.5、7.9、8.3、8.7、9.1、9.5时，模拟计算燃烧室内火焰温度。不同配比条件下计算得到燃烧室中间剖面上的温度分布情况图如图3所示。

由图3可以看出，随着配风比的增大，火焰的长度有明显的增加，且燃烧火焰的温度也随配风比增大而升高。这是由于配风比增大，燃料气由不完全燃烧趋于完全燃烧，使得炉膛内部燃料气燃烧更为充分，释放出更多的热量，故而燃烧室内温度升高。此外，火焰有一定程度的向上偏斜，这是因为甲烷燃烧后形成的烟气密度较小，烟气向上流动从而导致火焰向上偏斜，这与联合装置现场燃烧室上部耐火砖失效情况基本一致，从侧面证明了数值模拟计算的有效性。

图3 燃烧室中间剖面上的温度分布云图

6 优化前后振动强度变化

燃料气与燃烧空气的配比直接影响两者混合的均匀程度，而配风比过大会造成燃料气与燃烧空气混合不均匀，进而导致燃料气燃烧后产生较大热应力，使得燃烧器受力不均振动强度增大。通过调整配风比测试加氢炉炉头振动强度的结果发现，减小配风比可以有效降低加氢炉炉头振动强度。测试结果如图4所示。

从图4可以看出，减小配风比有效降低了加氢炉炉头低频及高频的振动强度。当配风比为8.5时振动强度较大且频率分布较广，低于100 Hz及高于300 Hz均有较高强度的振动。当配风比为7.7时，振动强度有明显降低，低于100 Hz及高于300 Hz高强度振动几乎消失，振动强度较大的情况主要集中频率为150～250 Hz的区间。对比不同配风比的条件下，频率为150～250 Hz区间的振动强度发现，减小配风比此区间内振动强度也有明显的降低。这表明，减小配风比能有效降低加氢炉炉头的振动强度。

图4 不同配风比炉头振动强度

7 结语

通过模拟计算不同配风比燃烧室温度及测试不同配风比炉头振动强度得出以下结论。

(1)随着配风比的增大，炉膛内部燃料气燃烧更为充分，释放出更多的热量，进而导致加氢炉炉膛温度升高。且燃烧火焰有一定程度的向上偏斜，对燃烧室上部耐火砖存在冲击，与现场观察燃烧室上部耐火砖失效情况基本一致。

(2)减小配风比有效降低了加氢炉炉头低于100 Hz及高于300 Hz区间的振动强度，频率为100～300 Hz区间的振动强度也有明显的减弱。表明，减小配风比能有效降低加氢炉炉头的振动强度。

(3)在满足加氢炉正常工况条件下应尽量将加氢炉燃料气配风比控制在8.3以下，有利于延长耐火砖的使用寿命，保证设备平稳运行。