劉德新

(中國(guó)石油中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

大型管式加熱爐燃燒傳熱CFD數(shù)值模擬

劉德新

(中國(guó)石油中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

為了研究大型管式加熱爐內(nèi)部流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)情況，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)石化行業(yè)中廣泛應(yīng)用的大型加熱爐爐膛內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)值模擬，用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型描述煙氣湍流情況，非絕熱的簡(jiǎn)化PDF燃燒模型計(jì)算了燃燒情況，離散坐標(biāo)輻射傳熱模型對(duì)爐膛內(nèi)輻射傳熱狀況進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果和工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好，模擬計(jì)算結(jié)果為大型加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

大型管式加熱爐； 計(jì)算流體力學(xué)； 燃燒； 速度分布； 組分濃度； 溫度分布

管式加熱爐已發(fā)展為近代石油化工工業(yè)中必不可少的工藝設(shè)備，在生產(chǎn)和建設(shè)中具有十分重要的地位。它利用燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生熱能，通過(guò)爐管把能量傳遞給流動(dòng)的物料，使其滿(mǎn)足下游工藝的要求，是運(yùn)行中的耗能大戶(hù)。加熱爐效率受爐膛內(nèi)部流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)的影響，所以研究爐膛內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布對(duì)于提高加熱爐熱效率有著重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使得利用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解帶有復(fù)雜的三傳一反過(guò)程成為可能。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)軟件已經(jīng)成為工業(yè)熱工過(guò)程模擬計(jì)算的有利工具。CFD軟件的特點(diǎn)在于可以部分甚至全部取代試驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)上模擬設(shè)備內(nèi)部的流體性能，相當(dāng)于“虛擬實(shí)驗(yàn)室”[1-2]。目前在加熱爐研究方面CFD數(shù)值模擬多用于燃燒器機(jī)構(gòu)改進(jìn)等方面。為了研究較低過(guò)?？諝庀禂?shù)條件下燃燒器結(jié)構(gòu)及一次風(fēng)量對(duì)燃燒過(guò)程的影響，李元青等[3]對(duì)石化管式加熱爐燃?xì)馊紵鬟M(jìn)行CFD模擬研究，得出了不同的一次風(fēng)量對(duì)爐內(nèi)速度分布、火焰長(zhǎng)度和NOx生成量的影響規(guī)律。張振奎等[4]對(duì)多點(diǎn)噴射模擬燃燒室性能進(jìn)行了CFD分析，得到了不同空氣過(guò)剩系數(shù)的影響及旋流器下游各截面的溫度分布。應(yīng)用CFD對(duì)工業(yè)裝置中運(yùn)行的加熱爐爐膛內(nèi)部的模擬報(bào)道較少，張朝環(huán)等[5]應(yīng)用CFD對(duì)工業(yè)裝置中運(yùn)行的乙烯裂解爐爐膛內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。吳德飛等[6]利用CFD對(duì)乙烯裂解爐內(nèi)的燃燒和輻射狀況進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，以研究爐膛內(nèi)的燃燒、傳熱和煙氣流動(dòng)情況。劉波等[7]以某煉油廠(chǎng)管式加熱爐空氣分級(jí)燃燒器為研究對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT，研究了二次風(fēng)分級(jí)比R(二次空氣與總空氣體積之比)對(duì)輻射室內(nèi)速度、溫度、組分濃度、火焰高度和NO生成速率的影響規(guī)律。同時(shí)CFD也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域[8-9]。

大型加熱爐爐膛內(nèi)部的熱過(guò)程包括復(fù)雜的流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、燃料燃燒等物理化學(xué)過(guò)程，目前對(duì)于芳烴裝置中的大型加熱爐CFD模擬分析少有報(bào)告，本文將應(yīng)用CFD對(duì)大型加熱爐內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

1 模擬對(duì)象和工藝參數(shù)

本文模擬對(duì)象為某百萬(wàn)噸芳烴聯(lián)合裝置中負(fù)荷最大的加熱爐。該加熱爐為雙輻射室-對(duì)流室型圓筒型加熱爐，設(shè)12管程，每室6管程，每管程包含12根爐管，每室爐膛底部設(shè)有12個(gè)燃燒器。圖1為模擬對(duì)象的結(jié)構(gòu)圖,表1為二甲苯重沸爐主要操作參數(shù)，表2為燃料氣組成。二甲苯重沸爐結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：直徑10 m，高20 m，底部燃燒器24個(gè)，爐膛內(nèi)部節(jié)圓直徑9.4 m，其中爐管1長(zhǎng)18.2 m，規(guī)格φ219.1 mm×14 mm，共44根，間距406 mm。

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Thefigureoffurnace

表1 二甲苯重沸爐主要操作參數(shù)Table 1 Theparameter of xylene column reboilerfurnace

表2 燃料氣組成Table 2 The component of fuel gas

2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬最主要的問(wèn)題就是如何提高計(jì)算精度。網(wǎng)格的形狀、結(jié)構(gòu)和所采用的湍流模型和計(jì)算方法都對(duì)計(jì)算精度有影響。所以在利用CFD對(duì)加熱爐進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，采用什么樣的網(wǎng)格型式、網(wǎng)格密度和湍流模型都要慎重考慮。而且由于大型加熱爐爐膛內(nèi)部空間較大(φ10 m×20 m)，如何選取具有代表性的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，也是需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。應(yīng)在能保證模擬計(jì)算精度的前提下，盡可能地選用簡(jiǎn)單的方法和模型，對(duì)較小的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行模擬。這樣不僅可以簡(jiǎn)化問(wèn)題，而且可以大幅減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率[6]。

由于圓筒爐爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，所以本文取圓筒爐1/4爐膛為計(jì)算區(qū)域。由于圓筒爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，因此選取爐膛的1/4作為模擬對(duì)象，包括18根爐管和3個(gè)底部燃燒器。計(jì)算區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜尤其在爐膛底部以及爐管周?chē)鷧^(qū)域，所以將計(jì)算區(qū)域分成3個(gè)部分：爐膛底部、爐膛中心和包含爐管的外圍爐膛，結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者物理量梯度較大的區(qū)域采用小尺寸非結(jié)構(gòu)化非均勻網(wǎng)格，在爐管周?chē)涂拷紵鞯臓t膛底部區(qū)域形成密集的網(wǎng)格；反之，則采用大尺寸結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在爐膛中心區(qū)域內(nèi)形成較為稀疏的網(wǎng)格，這在保證計(jì)算精度的前提下，減少了計(jì)算耗費(fèi)機(jī)時(shí)。本文計(jì)算區(qū)域內(nèi)共劃分網(wǎng)格7.63×105個(gè)。

3 模型的建立和邊界條件的設(shè)定

模擬計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程湍流模型來(lái)封閉連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程，氣相燃燒采用PDF模型，輻射模型采用能夠符合要求且計(jì)算量較小的P-1輻射模型。壓力速度耦合采用SIMPLE 算法求解，動(dòng)量、能量、組分、湍動(dòng)能和湍流耗散率的離散格式均采用二階迎風(fēng)差分格式；反應(yīng)管壁面和爐膛壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理[10-12]。

設(shè)定的邊界條件：

(1) 進(jìn)口條件，包括從各燃燒器進(jìn)入爐膛的燃料和空氣流量、溫度、湍流動(dòng)能和耗散率。

(2) 出口條件，包括爐膛出口壓力。

(3) 壁面條件，包括爐管和爐壁的溫度。

(4) 對(duì)稱(chēng)條件，包括爐膛結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)面。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1模擬結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)于加熱爐內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，選取了爐管傳熱量和爐膛出口煙氣的溫度作為模型驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)操作值對(duì)比見(jiàn)表3。其中，計(jì)算區(qū)域內(nèi)爐管吸收的熱量為輻射室總熱負(fù)荷的1/4。從表3中的對(duì)比結(jié)果可以看出，雖然模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)值存在一定的偏差，但是模擬結(jié)果還是可以在一定程度上正確的反應(yīng)加熱爐內(nèi)部流體流動(dòng)和傳熱情況。以下對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

表3 模擬結(jié)果和操作數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 3 Comparison with simulated resultsand operation data

4.2煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析

加熱爐爐膛內(nèi)部高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)和溫度場(chǎng)分布是相互影響的。圖2和圖3為加熱爐爐膛內(nèi)縱截面速度矢量分布圖、速度云圖和溫度分布云圖。從圖2和3中可以看出，燃料氣從爐膛底部的燃燒器噴孔高速?lài)姵?，與助燃空氣混和發(fā)生劇烈的燃燒，形成溫度高、流速快的射流向爐頂部流動(dòng)。在高溫?zé)煔馍淞鲀蓚?cè)，即在爐膛中心和爐管附近區(qū)域內(nèi)分別形成了回流區(qū)。這是由于火焰射流的卷吸作用，強(qiáng)制周?chē)臍怏w向射流靠近，形成爐膛下部的煙氣回流?；亓鞯某霈F(xiàn)，增加了煙氣停留時(shí)間，提高了爐膛中心區(qū)域和爐管附近區(qū)域的溫度，強(qiáng)化火焰對(duì)爐管的輻射傳熱，有利于提高爐膛的傳熱效率。隨著煙氣向爐頂?shù)牧鲃?dòng)，沿著爐膛高度方向射流逐漸衰減，由于受到爐膛頂部煙氣出口形狀的限制，爐膛中心區(qū)域內(nèi)煙氣流速高于其他區(qū)域，造成爐膛中心區(qū)域煙氣溫度高于其他區(qū)域。

圖2 爐膛內(nèi)部煙氣速度分布

Fig.2Thevelocitydistributioninfurnace

圖3 爐膛內(nèi)部煙氣溫度分布

Fig.3Thetemperaturedistributioninfurnace

4.3物質(zhì)濃度場(chǎng)分析

4.3.1 燃料氣濃度場(chǎng) 氫氣、甲烷和乙烷是燃料氣的主要組分，三者總和占燃料氣總量83.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，所以對(duì)于燃料氣的組分分布情況以氫氣、甲烷和乙烷為代表進(jìn)行討論。

燃?xì)庠谌紵髦行馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布參見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在靠近爐膛底部區(qū)域內(nèi)隨著流動(dòng)面積增加以及和空氣的混合，燃料氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅降低，變化梯度較大。

圖4 燃燒器中心燃料氣組分分布

Fig.4Thefuelgascomponentdistributiononthecenterlineofburner

進(jìn)入火焰區(qū)域不久，由于燃燒消耗了大部分氧氣，使得在內(nèi)焰區(qū)域中燃料氣不能充分燃燒，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化梯度減小。在外焰區(qū)域內(nèi)，隨著氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，燃燒反應(yīng)快速進(jìn)行，不斷地消耗燃料氣，使得燃料氣濃度大幅降低。由于該過(guò)程中氧氣量高于燃料的理論耗氧量，燃料氣在火焰內(nèi)完全反應(yīng)，在火焰以外區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎為零。

4.3.2 主要燃燒產(chǎn)物濃度場(chǎng) 燃料氣燃燒產(chǎn)生二氧化碳和水，還包括一氧化碳等燃燒中間產(chǎn)物。考察燃燒產(chǎn)生的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的濃度分布，可以反映出爐膛內(nèi)部燃燒是否充分。由于在中間產(chǎn)物中一氧化碳含量最大，所以本文考察了二氧化碳、水和一氧化碳三者在燃燒器中心線(xiàn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，具體參見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，在燃燒器中心線(xiàn)上，隨著燃燒的不斷進(jìn)行，產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和水不斷增多，在內(nèi)焰區(qū)域內(nèi)三者濃度不斷增大。在進(jìn)入外焰區(qū)域后，作為燃燒中間產(chǎn)物的一氧化碳隨著燃料氣不斷減少以及本身不斷燃燒，濃度不斷降低。最終燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水濃度不斷的增加，在外焰邊緣達(dá)到峰值。其后隨著流動(dòng)的不斷發(fā)展，二者濃度不斷降低。

圖5 燃燒器中心燃燒產(chǎn)物組分分布

Fig.5Theburnedgascomponentdistributiononthecenterlineofburner

4.3.3 氧氣濃度場(chǎng) 為了保證加熱爐內(nèi)燃料的充分燃燒，總是向爐膛內(nèi)通入過(guò)量的空氣，一般采用空氣過(guò)量系數(shù)來(lái)表征空氣的過(guò)量程度?？諝膺^(guò)量系數(shù)有一定適宜的范圍，系數(shù)小會(huì)使燃料燃燒不完全，反之會(huì)降低加熱爐熱效率?？疾鞝t膛內(nèi)部氧氣的濃度分布情況，可以反映助燃空氣過(guò)量情況。燃燒器中心線(xiàn)上氧氣的濃度分布見(jiàn)圖6。助燃空氣分兩次和燃料氣混合，一部分在進(jìn)入燃料氣噴嘴前混合，另一部分在出燃燒器后混合，所以在圖6中的起始部分，氧氣濃度不斷增加，在全部混合完成后，并隨著燃燒的不斷進(jìn)行，氧氣濃度不斷降低，并且在外焰處濃度最低。隨著燃燒的逐漸完成和周?chē)鯕獠粩嘌a(bǔ)充，氧氣濃度有小幅增加。最終由于燃燒完成和流動(dòng)的不斷發(fā)展，氧氣濃度趨近于穩(wěn)定值。

圖6 燃燒器中心氧氣濃度分布

Fig.6Theoxygendistributiononthecenterlineofburner

5 結(jié)論

采用所建的加熱爐爐膛內(nèi)部燃燒反應(yīng)CFD模型，對(duì)加熱爐爐膛內(nèi)部的燃燒、流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與實(shí)際工業(yè)過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比，兩者基本吻合。模擬結(jié)果表明，爐膛內(nèi)部煙氣速度、濃度和溫度分布是不均勻的，內(nèi)部存在的煙氣射流和回流區(qū)不斷的更新了火焰及周?chē)鹘M分濃度，促進(jìn)了燃燒、傳熱和傳質(zhì)的進(jìn)行；流動(dòng)發(fā)展平穩(wěn)后，煙氣溫度和各組分濃度分布較為均勻，變化梯度較小。

此計(jì)算的爐型在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用，其模擬結(jié)果對(duì)加熱爐的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論指導(dǎo)，同時(shí)為加熱爐爐膛內(nèi)燃燒和爐管內(nèi)傳熱的綜合數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。

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(編輯 王亞新)

Numerical Simulation of Combustion of Large Tube Furnace

Liu Dexin

(ChinaKunLunContracting&EngineeringCorporation,ChinaNationalPetroleumCorporation,Beijing100037，China)

A state computational fluid dynamics (CFD) model was developed to predict the combustion and heat transfer of a large tube furnace. The model studied the three-dimensional numerical simulation of combustion, flow, heat and mass transfer process, by usingk-εturbulent flow model, composition PDF transport model and DO radiation model. The CFD simulations reflect chaotic hydrodynamics flow in furnace. The predicted results were in good agreement with the industrial process data. This model provided the theoretical reference for designing and optimizing furnace.

Large tube furnace; Computational fluid dynamics (CFD); Combustion; Velocity distribution; Concentration distribution; Temperature distribution.

1006-396X(2014)04-0092-05

2014-01-17

：2014-03-18

中國(guó)石油科研項(xiàng)目(2012GJTC-02-02)。

劉德新(1980-)，男，博士，工程師，從事芳烴聯(lián)合裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)工作；E-mail:liudexin01@cnpc.com.cn。

TE905; TP93

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.020