1、设备技术石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)21 24加热炉烟气流动及燃烧传热过程的数值模拟研究张伟乾，谷长超，周桂娟(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)摘要:采用 CFD(Computational Fluid Dynamics)技术对某装置加氢反应进料加热炉内烟气流动、燃烧传热过程进行了全尺寸的模拟和分析，揭示了加氢反应进料加热炉内烟气流动、燃烧传热过程的特性，分析对比了两种燃料气次级喷枪顶部开孔角度对加热炉内烟气流动、火焰形态、炉膛温度场、炉管表面热强度及热效率的影响。模拟计算结果表明:与 10结构相比，5 5结构下的火焰高度更高，炉墙高温区
2、域发生上移，相同位置炉管的吸热量更大，辐射炉管的整体热效率提高约 2%。关键词:加氢反应进料加热炉烟气流动火焰形态炉膛温度场炉管表面热强度doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 005加氢反应进料加热炉是各类加氢装置中的关键设备，其主要功能是为参与加氢反应的工艺介质提供所需的热量1。其用于加热的主要单元是辐射段与对流段。加热炉在工作时，1)燃料与助燃空气由辐射段底部的若干燃烧器进入辐射段炉膛内发生燃烧反应，产生高温火焰及大量高温烟气，完成以辐射传热为主、对流传热为辅的向工艺介质传递热量，即大幅提升位于辐射炉管内的工艺介质温度。2)与辐射炉管在辐射段内彼此热量交
3、换后的高温烟气进入对流段，与交错布置的若干排对流炉管进行对流换热，使对流盘管内的工艺介质小幅升温。辐射段内同时存在烟气流动、燃烧传热等过程，流场复杂，且辐射段热负荷在全炉热负荷中的占比达到 70%80%2。因此，研究加氢反应进料加热炉辐射段内烟气流动、燃烧传热过程对优化其结构设计具有重要指导意义。加氢反应进料加热炉的结构复杂且体积庞大，其实验研究的成本亦高且无法获取完整的数据信息。近年来快速发展的 CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)技术，已成为研究管式加热炉内燃烧与传热机理的有效手段，可获得炉内烟气流动及燃烧传热的详细信息3。本文以某装置加氢反应
4、进料加热炉为研究对象，构建加热炉全尺寸三维物理模型，采用 CFD 技术分析辐射段内烟气流动、燃烧和传热过程的特性，为加氢反应进料加热炉的优化设计提供技术支撑。1构建加氢反应进料加热炉物理模型本文所述的加氢反应进料加热炉(下称加热炉)是双炉膛双面辐射加热炉，且整体结构庞大;为减少数值计算量，采用合理的对称边界条件，选取单个炉膛的一半建立三维物理模型见图 1(a)，同时建立了燃烧器 见图1(b)及所有燃料气喷枪的细部结构特征，其中，燃料气次级喷枪顶部开孔角度详见图 1(c)和(d)。本文共建立 2 个加氢反应进料加热炉的物理模型(A 模型与 B 模型)，两者唯一的不同之处在于燃料气次级喷枪顶部开孔
5、角度分别是 10与 5 5。2构建数值模拟计算的数学模型和边界条件1)本文所研究的加氢反应进料加热炉采用底部附墙气体燃烧器，加热炉内涉及烟气剧烈的湍流流动、燃料气与空气的剧烈燃烧过程、复杂的传热过程。烟气流动、燃烧和传热过程可用气体燃烧方程组描述，包括质量守恒方程、动量守恒方收稿日期:2023 01 19。作者简介:张伟乾，男，2001 年毕业于中国石油大学(北京)化学工艺专业，工学硕士，现任工业炉室副主任，高级工程师，长期从事石油化工加热炉的设计工作，已发表论文 3 篇。联系电话:010 84877670;E mail:zhangweiqian sei com cn 22 石 油 化 工 设
6、 计2023 年第 2 期(第 40 卷)程、能量守恒方程以及组分输运方程，同时还需要用合适的湍流模型4、燃烧模型以及辐射传热模型使气体燃烧基本方程组封闭。本文的湍流流动模型采用标准 k 模型5 6，燃烧模型采用简化的快速反应扩散燃烧模型6，辐射传热模型采用离散坐标法7 8。2)边界条件。进口边界条件:燃料气和空气入口采用速度入口边界条件。燃料气温度为314 K，燃料气的初始压力为 0 Pa(表压)，燃料气组成见表1，空气温度为306 K，空气的初始压力为0 Pa(表压)。出口边界条件:采用压力出口边界条件，压力值为 11 Pa(表压)。壁面边界条件:假设加氢反应进料加热炉的壁面绝热，热通量密
7、度为 0，反射率为 0 85;根据加热炉工艺计算结果，给定炉管外壁表面温度。对称边界条件:对称边界位置详见图 1(a)。表 1燃料气组成组分名称摩尔百分比，%分子量质量百分比，%N21281 43CO20005440 01CH484166885C2H68392301290C3H84449 02n C4H1025587 43n C5H1201720 37图 1加氢反应进料加热炉物理模型示意1、2 第 1 排/第 16 排辐射炉管;3 3 排对流炉管;4 对称边界;5 烟气出口;6 燃烧器;7 燃料气次级喷枪3计算结果及分析3 1速度场图 2 为两种结构 5 5结构与 10结构，下同辐射炉膛的速度
8、矢量图和纵向截面速度云图。1)由图 2 的速度矢量图可知:两种结构炉膛内的速度矢量分布高度相似，烟气附墙向上运动，到达炉膛顶部之后，部分烟气通过辐射转对流烟道进入对流段下部，另一部分烟气沿管排向下回流。不同之处在于，与 5 5结构相比，10结构顶部的涡流区域较大，上部炉管两侧的烟气流动对称性较差。2)由图 2 的速度云图可知:两种结构炉膛内的速度场分布高度相似，由于燃料气与空气从炉膛底部喷射进入燃烧器上方附墙区域，导致此区域(速度云图中的浅绿色区域)存在高速区，其余区域的速度较小。图 2两种结构辐射炉膛的速度矢量及纵向截面速度云图3 2温度场图 3 为两种结构的辐射炉膛纵向截面温度云图，图 4
9、 为两种结构的辐射炉膛侧墙温度云图。由图 3 和图 4 可知:两种结构的辐射炉膛内温度场的分布高度相似，辐射炉膛在附墙火焰处均存在高温区(图 3 中黄色及深绿色区域，图 4 中红色及黄色区域)，其他区域温度基本分布在 680 2023 年第 2 期(第 40 卷)张伟乾等 加热炉烟气流动及燃烧传热过程的数值模拟研究 23 960 K。不同之处在于，5 5结构与 10结构的辐射顶部区域 各自为图 3(a)与(b)的红色矩形框内区域 的温度分别是 865 895 K(592 622)与860 890 K(587 617);5 5结构辐射顶部区域的平均温度比 10结构略大。另外，由图 4 可知:与
10、10结构平均温度相比，5 5结构的炉膛高温区域发生上移，即随着燃料气次级喷枪顶部开孔角度的增大，炉膛高温区域发生下移。图 3两种结构辐射炉膛的纵向截面温度云图图 4两种结构辐射炉膛侧墙的温度云图图 5 为两种结构辐射炉膛顶部截面的温度云图。顶部截面距离辐射炉膛顶部 200 mm，此截面的温度场分布代表辐射炉膛顶部的水平方向上的温度分布。由图 5 可知:两种结构的炉顶温度分布高度相似，在水平方向存在一定温度梯度，具体表现为:炉顶两端温度较高，中部区域温度较低，温度分布范围为 850 955 K。不同之处在于，5 5结构与 10结构辐射转对流烟道的区域(均为图 5 绿色矩形框区域，即加热炉实际温度
11、测点所在区域)温度分布范围分别为870 883 K(597 610)和 865 880 K(592 607);5 5结构的平均温度比 10结构略大。图 5两种结构辐射炉膛顶部截面的温度云图3 3火焰形态图 6 为两种结构辐射炉膛内的火焰形态云图。图 6两种结构辐射炉膛内的火焰形态云图(正视和侧视)由图 6 可知:炉膛内的火焰形态在竖直方向的刚直度良好，5 5结构下的火焰高度基本在 24 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)1 5 m左右，10结构下的火焰高度基本在 1 3m 左右，即:随着燃料气次级喷枪顶部开孔角度的增大，火焰高度略有减小。另外，由图 6(c)、(d)可
12、知:两种结构炉膛内的火焰均为附墙火焰，与炉管之间存在一定安全距离，不存在火焰“舔烧”炉管的现象，火焰基本附着在炉墙上。3 4炉管表面热强度分布图 7 为两种结构辐射炉管的表面热强度分布，图 8 为两种结构炉管的表面热强度、辐射炉管吸热量随管排高度的变化曲线。图 7两种结构辐射炉管的表面热强度分布图 8两种结构炉管的表面热强度、辐射炉管吸热量随管排高度的变化曲线由图 7、图 8 可知:两种结构辐射炉管的表面热强度的分布相似，随着炉管位置高度的增加，炉管的表面热强度逐渐增大。由图 8 可知:不同之处在于，相同位置处的炉管，5 5结构的炉管表面热通量略大于 10结构。这一点在炉管吸热量也有直观的体现
13、，相同位置管排条件下，5 5结构的炉管吸热量均大于 10结构。在辐射炉管总吸热量方面，5 5结构为 1 47MW，10结构为 1 44 MW。即:与 10结构相比，5 5结构下辐射炉管的热效率提高约 2%。4结语通过数值模拟计算，获得了加氢反应进料加热炉内烟气流动、火焰形态、炉膛温度场、炉管表面热强度分布等详细信息，同时对比分析了燃料气次级喷枪顶部开孔角度 5 5与 10两种结构对加热炉内烟气流动、火焰形态、炉膛温度场、炉管表面热强度分布的影响。针对 5 5与 10两种结构，本文得出的主要结论是:1)两者炉膛内的火焰形态在竖直方向的刚直度良好，其中，5 5结构的火焰高度基本约为 1 5m;10
14、结构的火焰高度基本约为 1 3 m。即:随着燃料气次级喷嘴顶部开孔角度的增大，火焰高度略有减小。2)两者炉膛内的火焰均为附墙火焰，与炉管之间存在一定安全距离，不存在火焰“舔烧”炉管的现象，火焰基本附着在炉墙上。3)两者辐射炉膛内温度场的分布态势极其相似，辐射炉膛在附墙火焰处存在高温区。不同之处在于，与 10结构相比，5 5结构的炉膛高温区发生上移。4)两者炉顶温度的分布也大概率相似，在水平方向存在一定温度梯度，具体表现为:炉顶两端温度较高，中部区域温度较低。不同之处在于，与10结构相比，5 5结构下炉膛顶部温度测点区域的平均温度略有增高。5)两者辐射炉管的表面热强度分布亦几乎完全相似，随着炉管
15、位置高度的增加，炉管表面热强度逐渐增大。不同之处在于，相同位置处的炉管，5 5结构的炉管表面热通量略大于 10结构。在辐射炉管总吸热量方面，5 5结构为1 47 MW，(下转第 28 页)28 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)口管上的插入式热电偶套管下方应留有足够的净空，避免保温影响热电偶套管热位移;表面式热电偶的活接头应位于保温结构外部，以便于后期仪表检修更换。图 6出口管盖板外保温1 贴壁式热电偶活接头;2 出口炉管;3 插入式热电偶4施工注意事项辐射盘管进出口保温的施工质量直接影响其保温密封效果。施工时应重点关注的事项包括:1)应在辐射盘管平衡调试完成后进行进
16、出口保温施工。这样既便于在调试炉管时观察炉管的状态，也可以避免炉管调整时的横向位移导致炉管与保温间出现缝隙。2)图纸要求松散填充处，不得填塞过于密实，以避免保温设施限制炉管的位移。3)对于固定于炉管上的陶纤毯，应对其绑扎情况进行隐蔽工程检查，避免后期陶纤毯脱落。4)应重点关注各组炉管保温间的间隙，避免彼此发生干涉。5)辐射盘管进出口保温应参照 SH/T 35222017石油化工绝热工程施工技术规程5 进行施工。5结语裂解炉辐射盘管和盘管进出口保温是裂解炉设计中最复杂的部分之一，不同工程项目中进出口保温结构繁多，本文无法一一列举。每种保温结构都有其优缺点和适用范围，应根据具体项目情况选择最优设计。随着技术的不断进步，盘管进出口保温向着便于施工和更换炉管方向发展。目前有文献6 和工程项目采用了整体箱式隔热罩的形式，使用效果良好，具有很好的发展前景。针对不同特点的项目，制定科学合理，经济且可实施的方案，仍是一个不断进行中的课题。参考文献:1吴德飞，何细藕，孙丽丽，等 乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算J 石油化工，2005，34(8):749 753 2中国石化工程建设有限公司 一
