乙烯裂解炉内传递和反应过程综合数值模拟研究__炉膛内燃烧和传热过程的数值模拟

收稿日期:2002212209　通讯联系人:蓝兴英文章编号:100128719(2004)0120046206乙烯裂解炉内传递和反应过程综合数值模拟研究Ⅲ1炉膛内燃烧和传热过程的数值模拟NUMERICAL SIMU LATION OF TRANSFER AN D REACTIONPR OCESSES IN ETH YL ENE PY R OLYZERⅢ.Numerical Simulation of Combustion and H eat T ransfer Processes in Furnaces蓝兴英,高金森,徐春明LAN Xing 2ying ,G AO Jin 2sen ,XU Chun 2ming(石油大学重质油加工国家重点实验室,北京102249)(S tate Key L aboratory of Heavy Oil Processi ng ,U niversity of Pet roleum ,Beiji ng 102249,Chi na )摘要:在乙烯裂解炉综合模拟研究中,准确地描述炉膛内燃料燃烧和辐射传热过程极其重要。

笔者采用乙烯裂解炉传递反应过程综合数学模型中的炉膛数学模型,对工业裂解炉炉膛中的流动、燃烧和传热过程进行了系统的数值模拟,得到了流场、浓度场和温度场等详细信息,揭示了炉膛内流动、燃烧和传热过程的基本特点。

模拟结果表明,炉膛中存在着流动、燃烧反应与传热的不均匀分布,是造成反应管管壁热通量的非均匀分布的原因。

关　键　词:裂解炉;炉膛;烟气;流动;燃烧;辐射传热;热通量中图分类号:TQ53;TQ221;TE963 文献标识码:AAbstract :To accurately describe the fuel combustion and radiative heat transfer processes in furnaces is very crucial in comprehensive numerical simulation of ethylene pyrolyzer.Numerical simulation of the flow ,combustion and heat transfer in industrial furnace was carried out by employing the developed furnaces model.Some detailed information about the flow field ,concentration distribution and temperature field in furnaces was obtained ,presenting the basic characteristics of the flow ,combustion and heat transfer processes.Results showed that non 2uniform distribution of the flow ,combustion and heat transfer existed in furnaces ,thus resulted in the non 2uniform distribution of heat flux of reactor tubes.K ey w ords :pyrolyzer ;furnace ;flue gas ;flow ;combustion ;radiative heat transfer ;heat flux在裂解炉炉膛中,燃料燃烧释放的热量传给反应管内的原料,使之发生裂解反应,反应管内裂解反应的吸热量与反应管外炉膛所传递的热量保持平衡。

热裂解反应对温度十分敏感,炉膛内温度的变化直接影响了反应管中的裂解反应过程,引起产物收率和结焦情况的变化,从而影响整个乙烯装置的运行。

因此,在乙烯裂解炉综合模拟研究中,准确模拟裂解炉炉膛内燃料燃烧和辐射传热过程极其重要。

目前,在裂解炉炉膛的模拟研究中,主要是对辐射传热过程的模拟[1～4],没有模拟燃料燃烧过程,利用燃料的放热率估计烟气的组成和温度,也没有考虑燃烧和烟气流动过程对传热的影响。

在理论上较为完善的模拟计算方法是从质量、动量及能量守恒方程出发,将湍流模型、燃烧模型和辐射传热模型相结合,全面模拟裂解炉炉膛内所发生的各种复杂过程,得到流场、温度场和浓度场等详细的信息,为进2004年2月石油学报(石油加工)ACTA PETROL EI SINICA (PETROL EUM PROCESSIN G SECTION )第20卷第1期图1　模拟对象结构示意图Fig 11　The diagram of modeling object一步了解裂解炉以及裂解炉的设计、运行和改造提供参考信息。

笔者采用文献[5]中的炉膛数学模型对工业裂解炉炉膛内的流动、燃烧和传热过程进行系统的数值模型研究。

1　模拟对象和工况条件模拟对象为美国Stone 2Webster 公司USC 型管式裂解炉,炉膛中心置有28根U 型反应管,炉膛底部在炉管两侧设有16个烧嘴,炉膛两边侧墙上部设有32个侧壁烧嘴,所有烧嘴均烧气体燃料。

笔者将对100%底部烧嘴供热的工况进行模拟。

由于烧嘴和反应管之间的相互作用具有相似性,在模拟中,以四分之一的裂解炉为模拟对象,其中包括7根反应管和4个底部烧嘴。

图1为模拟对象结构示意图,表1、2分别为炉膛结构参数和主要操作条件参数,表3为燃料气组成。

在炉膛模型的求解过程中,需事先假设管壁温度。

在本研究中,将以现场实时测量得到的6个温度(见表4)为基础,通过线性插值得到其它位置的管壁温度。

表1　炉膛结构参数T able 1　Structure parameters of the furnaceFurnaceLength/mmWidth/mm Height/mm Number of bottom burnersNumber of side burners51403040134101632Reactor tube Total length /mm External diameter of inlet tube /mmExternal diameter of outlet tube/mmThe distance betweentubes/mm Number of tubularreactors 29460617916028表2　主要操作参数T able 2　Main operating parametersq m (Fuel )/kg ・h -1T (Fuel )/℃p (Fuel )/MPa T 1)/℃Excess air ratiow (Oxygen )2)/%240025011321030111531111)Temperature of outlet flue gas ;2)Oxygen content of outlet flue gas2　计算方法采用Fluent515软件求解炉膛数学模型,其中湍流模型采用标准的k 2ε双方程模型;燃烧模型采用非绝热的PDF 模型;辐射传热模型采用离散坐标模型。

采用SIMPL E 算法求解压力2速度耦合方程,动量、能量、组分、湍动能和湍流耗散率的离散格式均采用二阶迎风差分格式;反应管壁面和炉膛壁面均采用标准壁面函数方法处理。

烧嘴周边区域中各物理量变化大,为了更准确地模拟这种变化表3　燃料气组成T able 3　Fuel gas composition%w (H 2)w (CH 4)w (C 2H 6)w (C 3H 8)w (C 4H 10)910979142817411311143表4　反应管管壁温度T able 4　Skin temperature of reactor tubeFurnace height/mmT (Inlet tube )/℃T (Outlet tube )/℃145010901117611092010211077086596874　第1期 乙烯裂解炉内传递和反应过程综合数值模拟研究 图2　流场示意图Fig 12　A schem atic of flow f ield趋势,计算时采用非均匀网格,对烧嘴周边区域的网格进行加密。

3　计算结果及讨论模拟计算结果表明,由于各烧嘴之间间隔较大,相互之间基本不影响,每个烧嘴周边的情况基本一致,因此,将以一个烧嘴来说明炉膛内的流动、燃烧和传热情况。

其中x 、y 、z 方向分别代表炉膛长度、宽度和高度方向,烧嘴中心线离炉墙01433m ,离反应管11087m 。

311　烟气流动燃料气从烧嘴射入,产生高速射流,使炉膛内流动状况变得非常复杂,特别是在烧嘴附近,由于燃料气高速射流卷吸而在烧嘴射流核心区周围形成回流,这种流动状况对传热产生较大的影响。

图2为烧嘴中心线截面上流场示意图。

由图2可以看出,在炉膛中下部区域,反应管管壁附近出现回流。

沿炉膛高度方向,随着射流截面的扩展,核心区流速逐渐减小,流速分布趋于平坦,流动逐渐趋向平稳,回流现象消失。

312　组分含量分布CH 4在燃料气中占很大的比重(约80%),以CH 4和O 2为例,探讨不同组分在炉膛中的分布情况。

模拟结果表明,在炉膛的3个坐标方向上组分分布十分不均匀,特别是在炉膛底部不同横截面上,由于燃料气射流的影响而存在较大的梯度。

图3为y 方向烧嘴中心线截面上w (CH 4)和w (O 2)的分布,图4、5分别为z 方向不同截面上w (CH 4)和w (O 2)的分布。

由图3～5可以看出,在烧图3　y 方向烧嘴截面组分含量的等值线Fig 13　Contour diagram of component content at sectionsof nozzle center line in y direction(a )CH 4;(b )O 2嘴附近射流核心区内w (CH 4)高,w (O 2)低,而周围区域中w (CH 4)低,w (O 2)高,在炉膛高度截面上组分分布差别大。

沿炉膛高度方向,随着燃烧反应的进行,不断消耗燃料和O 2,w (CH 4)和w (O 2)逐渐降低,烟气流动的扩散作用,使得炉膛高度截面上w (CH 4)和w (O 2)的差异程度逐渐减弱。

炉膛内组分分布出现这种分布形态是燃料气射流流动和燃烧反应综合影响的结果。

313　烟气温度分布流动和组分分布的复杂使得烟气温度分布也十分复杂。

图6、7和8分别为炉膛长度、宽度和高度方向上不同截面的温度分布。

由图6～8可以看出,烟气温度在炉膛的各个方向上都存在较大的梯度,特别是在炉膛中下部区域。