H2S是重要的硫资源，主要来源于天然气脱硫和石油炼制过程，在炼焦、煤气化、石油化工等工艺过程中也有产生。由于H2S有毒、易燃、易爆，不能直接排放, 因此对含H2S的酸性气进行处理和利用，不仅节约了硫资源，同时也保护了环境。随着我国环保要求越来越严格，将会有越来越多的炼油化工厂(以下简称炼厂)需要建设酸性气制酸装置[1-3]。
工业酸性气制酸，一般有两条途径：①H2S制硫磺，然后采用硫磺制酸装置生产硫酸, 该技术在国内外应用普遍，且基本成熟；②省略掉克劳斯装置，以H2S为原料直接制得硫酸，该方法可大大简化工艺流程，节省投资，一般分为干法与湿法两种[1-5]。本研究对象H2S焚烧炉属于干法制硫酸装置，即将全部含H2S的废气直接燃烧产生SO2后，采用与传统硫铁矿制酸工艺相似的方法洗涤、干燥、催化转化、吸收[6]。
H2S反应炉是硫回收及尾气处理装置中的关键设备，主要由燃烧器、花墙及炉体3部分组成。燃烧器是整个炉子的核心部件，安装于炉体最前端，作用是将酸性气与空气充分混合并提供将H2S完全燃烧的稳定火焰。花墙通常位于炉膛中间位置，其主要功能是增加炉内烟气在炉内的停留时间，保证酸性气的充分燃烧，提高炉温和均流作用。由于H2S气体的热值较低，理论燃烧温度低，其燃烧稳定性差，所以燃烧器及花墙结构的设计和布置对整个炉子的燃烧稳定性至关重要。
为提高H2S反应炉炉内的燃烧温度，保证炉内燃烧火焰的稳定性与H2S及其他碳氢化合物的反应完全，提高硫回收率，同时避免炉膛衬里损坏，国内外均有相关研究。陈赓良[7]对克劳斯制硫过程燃烧炉内的化学反应进行了归纳阐述，分析了COS、CS2等物质的生成过程。龚建华[8]等对克劳斯法制硫燃烧反应炉温度调控的操作方法作了归纳研究，并对不同控制方法做了对比。苏毅[9]等在Claus硫磺回收燃烧器旋流结构对反应炉燃烧的影响做了研究，获得燃烧情况较好下的旋流角度。崔立青、钟勇[10-11]分析了H2S燃烧炉炉衬损坏原因，并提出了一些改进办法。ZareiSamaned等[12]针对不同Claus反应炉的化学动力学模型进行了测试和优化，获得更合理的动力学模型。HAIMOUR.N等[13]研究了在使用空气或纯氧下，CO2含量对Claus反应炉绝热燃烧温度，硫回收的影响规律。ZareNezhad.B等[14]通过化学经验平衡法研究了提高Claus反应炉内温度的多种方法。AbdoliPedram等[15]通过数值模拟方法研究了干空气下不同O2含量对硫回收反应炉燃烧温度及产物的影响。Ibrahim.S等[16]研究了高H2S浓度下添加二甲苯对Claus燃烧生成物的影响。
本研究以替某炼厂设计提供H2S燃烧器为背景，通过数值模拟的方法，研究了不同燃烧器结构参数、燃料气成分与分配比例、反应炉内挡墙结构等因素对某H2S反应炉内流动与燃烧及组分场的影响，以获得合理的燃烧器燃气喷枪的布置位置、喷嘴结构及花墙开孔方式，进而确定与炉子相匹配的燃烧器结构。本研究对H2S燃烧器的设计及炉子运行也具有指导意义。
计算区域为某炼厂H2S废气反应炉，整体结构包括燃烧器及炉膛两部分。燃烧器本体包含壳体、酸性气喷枪、燃料气喷枪、耐火衬里、长明灯及内外旋流叶片等(见图 1)。炉膛包括炉膛前半段、花墙、炉膛后半段，整体结构见图 2，不同花墙结构见图 3。
图 1(a)为燃烧器原始结构，图 1(b)为修改结构。两种结构区别为：修改结构的外圈酸性气喷嘴直径变小，内圈酸性气喷头直径加大；内圈酸性气斜喷喷头下方增加一层直喷喷头，喷头数量增加。图 3(a)为圆孔型花墙结构，图 3(b)为方孔型花墙结构。
空气进口及中心设有旋流叶片。酸性气布置有内外两层酸性气喷口，酸性气组成见表 1。内层酸性气下方布置有一层燃料气喷口，中心布置为长明灯。各计算工况参数见表 2。
针对计算模型的结构特点，几何结构属于中心对称结构，故采用周期性边界条件处理，选择1/4模型区域进行计算，减少整体网格数量。运用ICEM软件进行网格划分，采用混合型网格，对燃烧器部分采用四面体网格，对炉膛主体部分采用六面体网格，燃烧器喷嘴等地方采用局部加密。经网格无关性验证，确定网格总数为700万左右合理，整体网格质量较高，均在0.3以上。网格划分与质量图如图 4所示。
模拟采用Realizable-K-e湍流模型模拟炉内气流湍流输送，采用混合分数概率密度函数法模拟酸性气与空气的湍流燃烧，采用DO辐射模型对炉内的辐射器进行稳态计算。出口监视变量值(温度、O2摩尔分数、速度等)均基本不变，认为达到收敛。关于炉内混合气与温度相关的物性参数，如导热系数、混合气体黏度、热容等参数采用质量加权混合定律。炉内烟气的热辐射特性参数采用灰体加权和模型进行计算。计算过程采用SIMPLE算法进行速度与压力的耦合，压力方程选用PRESTO，能量与组分方程采用二阶迎风格式，湍流及其他方程采用一阶迎风格式，各项余差小于10-4，选用基于压力求解。
酸性气量为5250 m3/h，入口设为速度入口，温度为300 K，酸性气分为内外两层，分配比例可调；空气流量为53 000 m3/h，温度为300 K，入口设为速度入口；炉膛壁面由于采用耐火砖及浇注料，具有良好的保温性能，可看作绝热壁面；炉膛出口设定为压力出口；整体计算区域采用周期性边界条件。酸性气为高含量H2S酸性气，主要成分见表 1。模拟计算工况参数见表 2。
如何确保H2S稳定地完全燃烧是H2S燃烧器设计的关键，运用合理的燃料分级技术一定程度上既有利于H2S的稳定燃烧，又能降低污染物的低排放，所以合适的酸性气配比十分重要。通过工况1、工况2不同酸性气配比(见表 2)，研究不同酸性气配比对燃烧的影响，结果如图 5~图 9所示。
从图 5可以看出，气流经燃烧器射流速度较大，进入炉膛后，由于花墙的阻隔作用，导致气流方向发生分流和偏离，在炉膛前半段出现回流。从图 6(a)可以看出，该工况下，烟气气流整体比较均匀，回流区较小，存在于炉膛近壁附近。从图 6(b)可以看出，随着外内酸性气比例的提高，外圈酸性气气流受到花墙的阻隔作用也相应增加，内圈酸性气流速度降低，气流刚性减弱，导致炉膛前半段形成明显的两个大回流区，一定程度增加了烟气的停留时间，对燃烧有利。
图 7、图 8为不同酸性气配比下炉膛轴向截面温度与H2S含量分布云图。从图 7(a)、图 8(a)可以看出，该工况下，外圈酸性气燃烧较好，H2S气体基本反应完全。内圈酸性气与空气混合较差，出现燃烧滞后的现象，炉膛中心轴线附近烟气温度较高，花墙的阻挡作用并没有保证酸性气在炉膛前半段燃烧完全，导致未燃烧的H2S气体进入炉膛后半段继续燃烧。从图 7(b)、图 8(b)可以看出，适当提高外圈酸性气比例后，炉膛气流分布较好，回流区较大，使得内圈酸性气在炉膛前半段也基本反应完全，炉膛出口烟气平均温度也有所提高。
图 9为不同酸性气配比下炉膛径向截面温度分布。从图 9可以看出，由于气流在炉内的旋转燃烧，导致火焰在炉内空间呈现“花瓣型”。对比图 9(a)、图 9(b)径向截面温度分布可以看出，内圈酸性比例较大时，炉内火焰较为集中在中部，对H2S气体燃烧不利。提高外圈酸性气量，火焰集中的问题得到改善，有利于H2S气体的充分燃烧，炉内温度更加均匀。
不同酸性气喷头结构影响H2S燃烧，喷头的设计和布置影响燃料与空气的混合程度、火焰空间形状分布和稳定性。不同的花墙结构对烟气的阻挡作用不同，造成的回流区大小也不一样，对烟气中酸性气的再燃影响程度不同。计算工况1、工况3(见表 2)，研究不同酸性气喷嘴和花墙结构对H2S反应炉的流动与燃烧的影响，计算结果如图 10~图 12所示。
图 10与图 11为不同结构下炉膛中心截面速度分布图。对比图 11(a)、图 11(b)可以看出，在内外圈酸性气配比相同情况下，改变酸性气喷头结构后，增加的一层酸性气直喷喷头导致燃烧器中心区射流分层比较清晰，内圈酸性气与空气的扰动也增强。进入炉膛后，由于花墙结构的改变，导致其阻挡作用改变，修改后的花墙结构对烟气的影响更加明显，中心回流区有一定减小，但炉膛近壁面回流区范围扩大。
图 12、图 13分别为不同结构下炉膛温度场与H2S含量场分布云图。对比可以看出，由于酸性气喷头结构的修改，整体酸性气径向分级进一步提高，导致火焰长度变短，火焰宽度增加，火焰扩散更好，从H2S的含量也可体现出来，修改后的结构下H2S提前燃烧完全。修改后的花墙造成的炉膛近壁附近回流区扩大，使得炉膛近壁附近燃烧更好，烟气温度提高。而中心回流区的减小，相应导致中心区燃烧减弱，烟气温度有所降低。修改后的结构，炉膛出口烟温有所提高。
由于H2S热值较低，提高H2S反应炉内燃烧温度，保证燃烧稳定性十分必要。国外学者做过很多相关研究，均通过添加新的气体(如纯氧、CO2、二甲苯等)或改变反应气中组分含量等方式来研究其对H2S燃烧的影响[12-14]。本文研究了掺烧CH4气体对H2S反应炉燃烧的影响，如计算工况3、工况4(见表 1)所述，计算结果如图 14~图 17所示。
从图 14可以看出，沿炉膛高度方向，炉膛内温度基本呈现先逐渐上升后逐渐稳定的趋势。不同酸性气配比、不同花墙结构、掺烧燃料气甲烷对炉内的平均温度影响较大。其中，掺烧燃料气CH4(工况4)下炉内平均温度较其他不掺烧的工况明显提高，约200 ℃左右，这对于提高H2S的稳定燃烧十分有利。
从图 15(b)可以看出，由于内圈燃料与空气的混合较差，内圈掺烧CH4后，一方面由于H2S较CH4在炉内优先发生氧化反应，另一方面由于轴向的高速射流，导致CH4的燃烧滞后，内圈火焰较长，炉膛前半段未燃烧的CH4进入后半段燃烧，导致炉内出口烟气温度偏差较大，且容易残留CH4，对整个硫回收工艺不利。在掺烧CH4时，可适当降低燃料的喷射速度，增强炉内烟气循环，有利于延长CH4的停留时间，保证其完全燃烧。
从图 16，图 17(工况3，工况4)可以看出，逐渐掺烧CH4后，H2S也基本在炉膛前半段反应，H2S浓度较掺烧前增加，这是由于CH4的掺入降低了H2S的局部分压，导致H2S局部浓度较掺烧前降低，化学反应强度减弱。故掺烧CH4一方面能够提高炉内温度水平，促进了H2S气体的稳定燃烧，另一方面导致H2S气体在炉内的局部浓度降低，又抑制了H2S气体的反应。
通过对H2S焚烧炉进行数值模拟，分别研究了不同酸性气配比、不同燃烧器及花墙结构、掺烧燃料气CH4工况下炉内流动及燃烧特性，得到如下结论：
(1) 原始燃烧器结构下，内圈酸性气与空气混合较差，外内酸性气比为8:2时，燃烧滞后，火焰较长，H2S燃烧不充分，提高外内酸性气比为9:1，有利于H2S的完全燃烧。
(2) 优化后的燃烧器结构下，火焰更分散，炉内燃烧好，炉内温度较原始结构有所提高，H2S在炉膛前半段反应完全，H2S出口含量较低。
(3) 炉内花墙结构导致烟气在炉内产生内部回流，增强了烟气与酸性气的混合程度，延长了H2S在炉内的停留时间，有利于其完全燃烧。方孔型结构的阻隔作用要优于圆孔型。
(4) 掺烧CH4一方面能够明显提高炉内整体温度，对H2S的稳定燃烧有利，但另一方面会造成H2S在炉内局部浓度降低，降低反应速率，两者共同影响。
(5) H2S反应炉内掺烧CH4容易导致CH4在炉内燃烧滞后，炉内火焰拉长，CH4燃烧不完全。掺烧时，降低CH4射流速度对燃烧有利。
2019, Vol. 48 Issue (6): 98-104
2019, Vol. 48 Issue (6): 98-104