燃硫炉的数值模拟及其结构优化研究

论文摘要

燃硫炉是制糖工业中用来制备二氧化硫气体的主要设备。燃硫炉燃烧室的燃烧过程包括流体流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理化学变化。长期以来,燃硫炉燃烧室结构的优化设计方法主要是依靠经验。随着燃烧学和计算流体力学的迅速发展,数值模拟在燃烧方面得到了广泛的应用,为燃烧室的结构优化设计研究提供了有力的工具。本文针对燃硫炉燃烧室的结构及硫磺燃烧的特点,建立了燃硫炉燃烧室中燃烧过程的数学物理模型。其中数学模型是以连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程及组分守恒方程为基础的控制方程,物理模型包括标准的k-ε湍流模型、通用有限速率/涡耗散模型、非预混合燃烧反应模型和蒸发离散项模型。并设置了合理的边界条件及模型的求解方法。通过对传统自熔式燃硫炉燃烧室中在不同过量空气系数α时的燃烧过程进行了数值模拟,得出最佳过量空气系数α为1.6,以及燃烧室中的速度场、温度场及各组分浓度场。通过对传统自熔式燃硫炉燃烧室内流场分析,结果表明其燃烧室中存在空气与燃气混合不均匀,导致燃烧不均匀,使出口燃气存在大量S2及SO3。在最佳的α条件下,出口燃气中,SO2摩尔分数达到13.0%,S2的摩尔分数达到0.011%,SO3的摩尔分数达到0.088%。为了验证模拟方法的可行性及准确性,将模拟结果与实际运行结果进行比较,结果表明:在边界条件相同的条件下,模拟结果与实际运行结果吻合良好,说明模型的选择是合理的,模拟方法是可靠的。为克服传统自熔式燃硫炉的缺陷,本文选用旋风燃烧方式对硫磺燃烧进行数值模拟研究。由旋风炉的燃烧特性设计出燃烧量6吨/日的立式旋风燃硫炉,通过对立式旋风燃硫炉二次燃烧室在不同过量空气系数α时的燃烧过程进行了数值模拟,得出最佳过量空气系数α为1.10,以及燃烧室中的速度场、温度场及各组分浓度场。通过各流场分析及利用数值模拟方法对二次燃烧室的结构进行了优化,得到最优结构参数为:增加过度环型燃烧室（过度角45°）、混合燃气进口直径d1为0.125 m、二次空气进口直径d2为0.065m、前后燃烧室直径比为1:0.80、二次空气进口高度h为0.80 m。在最优结构参数条件下,出口燃气中SO2、S2、SO3的摩尔分数分别为18.8%、0%、0.0188%。通过对比传统自熔式燃硫炉与立式旋风燃硫炉的燃烧过程的模拟结果,表明:旋风立式燃硫炉燃烧室内气体混合均匀,燃烧更完全,出口燃气中S2为零,有极少的SO3生成,SO2浓度更高。达到了减少燃烧室中S2和SO3的含量,从而提高SO2含量的优化设计的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 燃硫炉概述
• 1.2.2 CFD技术的发展
• 1.2.3 CFD技术优点及通用软件
• 1.2.4 CFD在化学工程中的应用
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 本课题的意义
• 第二章 燃烧数值模拟的数学物理模型及求解方法
• 2.1 数学模型
• 2.2 物理模型
• 2.2.1 湍流模型
• 2.2.2 燃烧反应组分模型
• 2.2.3 离散项模型
• 2.3 基本方程的离散化
• 2.3.1 有限体积法
• 2.3.2 一阶迎风离散格式
• 2.4 算法
• 2.4.1 流场数值计算的主要方法
• 2.4.2 SIMPLE算法
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 入口边界条件
• 2.5.2 出口边界条件
• 2.5.3 壁面边界条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 传统自熔式燃硫炉燃烧的数值模拟
• 3.1 模拟对象
• 3.1.1 燃烧室的结构
• 3.1.2 自熔式燃硫炉的燃烧特性
• 3.1.3 燃烧室结构简化
• 3.1.4 边界条件
• 3.2 模拟结果及分析
• 3.2.1 燃烧室速度场
• 3.2.2 燃烧室温度场
• 2组分浓度场'>3.2.3 燃烧室SO₂组分浓度场
• 2组分浓度场'>3.2.4 燃烧室S₂组分浓度场
• 3组分浓度场'>3.2.5 燃烧室SO₃组分浓度场
• 3.2.6 不同空气过量系数α对燃烧产物的影响
• 3.2.7 数值模拟结果与实测数据的对比
• 3.3 本章小结
• 第四章 立式旋风燃硫炉燃烧的数值模拟
• 4.1 立式旋风燃硫炉的设计
• 4.1.1 一次燃烧室的结构设计
• 4.1.2 二次燃烧室结构设计
• 4.1.3 硫磺燃烧的相关计算
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 模拟结果及分析
• 4.2.1 二次燃烧室速度场
• 4.2.2 二次燃烧室温度场
• 2组分浓度场'>4.2.3 二次燃烧室SO₂组分浓度场
• 2组分浓度场'>4.2.4 二次燃烧室S₂组分浓度场
• 3组分浓度场'>4.2.5 二次燃烧室SO₃组分浓度场
• 4.2.6 不同空气过量系数α对燃烧产物的影响
• 4.3 二次燃烧室结构优化
• 4.3.1 过度环型燃烧室
• 4.3.2 混合燃气进口直径
• 4.3.3 二次空气进口直径
• 4.3.4 前后置燃烧室直径比
• 4.3.5 二次空气进口高度
• 4.4 传统自熔式燃硫炉与立式旋风燃硫炉模拟结果对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 本论文特色与创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况