Fackelfelder mit niedrigem Profil stellen erhebliche konstruktive Herausforderungen dar, wie z. B. langgestreckte Flammen, angemessene Luftzufuhr zu den Brennerspitzen in den inneren Reihen und hoher Strahlungsfluss von der Flamme zum umgebenden Windzaun. Jüngste Arbeiten von Ingenieuren bei Alion Science and Technology für Zeeco, Inc. konzentrierten sich auf die Analyse der Leistung einer firmeneigenen Brennerspitze, die in großen Gasfackeln mit niedrigem Profil verwendet wird, bei denen mehr als 400 Brennerspitzen in einer gestaffelten Rohrleitungskonfiguration, umgeben von einem speziell entworfenen Windzaun, zusammengebaut sind. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse der CFD-Analyse dieser Gasfackel vorgestellt und die Fähigkeit des CFD-Tools zur Simulation der Rußbildung, des Strahlungsflusses, der Flammenform und der Flammenhöhe für Low-Profile-Fackelfelder im industriellen Maßstab veranschaulicht. Diese Arbeit wurde in Verbindung mit Fackeltests durchgeführt, bei denen Ethylen durch die Brennerspitzen abgefeuert wurde. Die während dieser Fackeltests gesammelten Daten umfassten Video-, Strahlungsfluss- und Schalldaten. Die Testergebnisse wurden zur Kalibrierung des Verbrennungsmodells und zur Validierung der CFD-Vorhersagen von Flammenhöhe und Luftbedarf verwendet. Auf dieser Grundlage wurden die vorausgesagte Flammenhöhe und der Luftbedarf für zwei vollständige Fackelfälle ermittelt. Darüber hinaus wurden Schätzungen des Strahlungsflusses an den umgebenden Windzaun vorgenommen.
EINFÜHRUNG
Es wurde eine Reihe von Berechnungen der Fackelleistung durchgeführt. Ziel der Berechnungen war es, den Luftbedarf unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen. Darüber hinaus wurde auch das Wärmestrahlungsprofil um die Fackel herum bestimmt. Für diese Analyse wurde in erster Linie das Programm ISIS-3D (Computational Fluid Dynamics, CFD) verwendet [1, 2, 3]. ISIS-3D wurde bereits in einer Reihe von Poolbrandanalysen zur Vorhersage der thermischen Leistung von Verpackungen eingesetzt [4]. In jüngerer Zeit wurde ISIS-3D für die Analyse von Fackeln eingesetzt. In dieser Anwendung wurden neue Verbrennungsmodelle für die Handhabung neuer Brennstoffmischungen, einschließlich Propan und Ethylen, implementiert. Die Verbrennungs- und Strahlungsmodelle wurden mit Flammengröße, -form und Strahlungsmessungen verglichen, die während Einzelbrenner- und Mehrbrennertests unter windstillen und windarmen Umgebungsbedingungen gemessen wurden.
Das CFD-Modell enthielt verschiedene Details, je nach dem Fall, der ausgeführt wurde. Für einen Fall mit einem Brenner wurde ein Berechnungsgebiet von 6 m x 6 m x 30 m gewählt. Für einen Fall mit mehreren Brennern wurde eine Domänengröße von 35 m x 35 m x 25 m gewählt. Für das gesamte Feld wurde das Berechnungsgebiet 10 m über den Windzaun hinaus erweitert, der das gesamte Fackelfeld umgibt.
Vollständige Feldberechnungen
Es wurden vier vollständige Feldberechnungen durchgeführt, die einen Spitzenströmungsfall und einen anhaltenden Mischgasfall ohne Seitenwind darstellen. Diese Berechnungen hatten eine Netzdichte von über 700.000 Zellen für den Mischgasfall und 1.200.000 Zellen für den Spitzenströmungsfall. Der simulierte physikalische Bereich reichte in allen Richtungen 10 m über den Zaun hinaus und hatte eine Gesamthöhe von 25 m. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden verwendet, um den Gesamtluftbedarf für die Fackel sowie den Strahlungsfluss zu zwei Mittelpunkten des Windschutzes zu ermitteln.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die in diesem Papier vorgestellte Arbeit dokumentiert eine instationäre Flammenanalyse für die Mehrspitzen-Niedrigprofil-Fackel. Zu den Zielen dieser Arbeit gehört die Vorhersage des Gesamtluftbedarfs und der erwarteten Flammenhöhe für einen Fall mit anhaltender Strömung und einen Fall mit Spitzenströmung bei der Verbrennung von Ethylen. Das ISIS-3D CFD-Modell wurde zur Durchführung von Computersimulationen für einen Einzelbrennertest und einen Dreibrennertest verwendet, um die Modellvorhersagen zu überprüfen. Auf der Grundlage der Modellüberprüfung wurde das gesamte Feld simuliert. Es wurden Simulationen des gesamten Feldes durchgeführt, die alle Brenner im Fackelfeld sowie den umgebenden Zaun einschlossen. Die ISIS-3D-Vorhersagen zeigen, dass genügend Luft durch den Zaun geführt wird, um zu verhindern, dass sich die Flamme über die Oberseite des Zauns hinaus ausbreitet und für den Fall des Spitzenflusses, der als Grenzfall betrachtet wird, spürbaren Rauch erzeugt. Die Strahlungsflüsse zum Windschutzzaun werden mit bis zu 100.000 W/m2 vorhergesagt.
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