劉德新

(中國石油中國昆侖工程公司，北京 100037)

大型管式加熱爐燃燒傳熱CFD數(shù)值模擬

劉德新

(中國石油中國昆侖工程公司，北京 100037)

為了研究大型管式加熱爐內部流動、傳熱和傳質情況，采用計算流體力學的方法對石化行業(yè)中廣泛應用的大型加熱爐爐膛內部進行了數(shù)值模擬，用標準的k-ε湍流模型描述煙氣湍流情況，非絕熱的簡化PDF燃燒模型計算了燃燒情況，離散坐標輻射傳熱模型對爐膛內輻射傳熱狀況進行模擬。計算結果和工業(yè)運行數(shù)據(jù)吻合較好，模擬計算結果為大型加熱爐優(yōu)化設計提供了理論指導。

大型管式加熱爐； 計算流體力學； 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備，在生產和建設中具有十分重要的地位。它利用燃料在爐膛中燃燒產生熱能，通過爐管把能量傳遞給流動的物料，使其滿足下游工藝的要求，是運行中的耗能大戶。加熱爐效率受爐膛內部流體流動、傳熱、傳質和燃燒反應的影響，所以研究爐膛內部溫度場和速度場分布對于提高加熱爐熱效率有著重要的意義。

隨著計算機數(shù)值模擬技術的發(fā)展，使得利用計算機數(shù)值求解帶有復雜的三傳一反過程成為可能。計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)軟件已經成為工業(yè)熱工過程模擬計算的有利工具。CFD軟件的特點在于可以部分甚至全部取代試驗，在計算機上模擬設備內部的流體性能，相當于“虛擬實驗室”[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構改進等方面。為了研究較低過剩空氣系數(shù)條件下燃燒器結構及一次風量對燃燒過程的影響，李元青等[3]對石化管式加熱爐燃氣燃燒器進行CFD模擬研究，得出了不同的一次風量對爐內速度分布、火焰長度和NOx生成量的影響規(guī)律。張振奎等[4]對多點噴射模擬燃燒室性能進行了CFD分析，得到了不同空氣過剩系數(shù)的影響及旋流器下游各截面的溫度分布。應用CFD對工業(yè)裝置中運行的加熱爐爐膛內部的模擬報道較少，張朝環(huán)等[5]應用CFD對工業(yè)裝置中運行的乙烯裂解爐爐膛內部的流場和溫度場進行了模擬分析。吳德飛等[6]利用CFD對乙烯裂解爐內的燃燒和輻射狀況進行三維數(shù)值計算，以研究爐膛內的燃燒、傳熱和煙氣流動情況。劉波等[7]以某煉油廠管式加熱爐空氣分級燃燒器為研究對象，應用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT，研究了二次風分級比R(二次空氣與總空氣體積之比)對輻射室內速度、溫度、組分濃度、火焰高度和NO生成速率的影響規(guī)律。同時CFD也廣泛應用于其他領域[8-9]。

大型加熱爐爐膛內部的熱過程包括復雜的流體流動、傳熱傳質、燃料燃燒等物理化學過程，目前對于芳烴裝置中的大型加熱爐CFD模擬分析少有報告，本文將應用CFD對大型加熱爐內部流場和溫度場進行模擬分析。

1 模擬對象和工藝參數(shù)

本文模擬對象為某百萬噸芳烴聯(lián)合裝置中負荷最大的加熱爐。該加熱爐為雙輻射室-對流室型圓筒型加熱爐，設12管程，每室6管程，每管程包含12根爐管，每室爐膛底部設有12個燃燒器。圖1為模擬對象的結構圖,表1為二甲苯重沸爐主要操作參數(shù)，表2為燃料氣組成。二甲苯重沸爐結構參數(shù)如下：直徑10 m，高20 m，底部燃燒器24個，爐膛內部節(jié)圓直徑9.4 m，其中爐管1長18.2 m，規(guī)格φ219.1 mm×14 mm，共44根，間距406 mm。

圖1 爐膛結構圖

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 網格劃分

數(shù)值模擬最主要的問題就是如何提高計算精度。網格的形狀、結構和所采用的湍流模型和計算方法都對計算精度有影響。所以在利用CFD對加熱爐進行模擬計算時，采用什么樣的網格型式、網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部空間較大(φ10 m×20 m)，如何選取具有代表性的區(qū)域進行計算，也是需要仔細考慮的問題。應在能保證模擬計算精度的前提下，盡可能地選用簡單的方法和模型，對較小的計算區(qū)域進行模擬。這樣不僅可以簡化問題，而且可以大幅減少計算時間，提高計算效率[6]。

由于圓筒爐爐膛內部結構對稱，所以本文取圓筒爐1/4爐膛為計算區(qū)域。由于圓筒爐內部結構具有對稱性，因此選取爐膛的1/4作為模擬對象，包括18根爐管和3個底部燃燒器。計算區(qū)域內部結構復雜尤其在爐膛底部以及爐管周圍區(qū)域，所以將計算區(qū)域分成3個部分：爐膛底部、爐膛中心和包含爐管的外圍爐膛，結構復雜或者物理量梯度較大的區(qū)域采用小尺寸非結構化非均勻網格，在爐管周圍和靠近燃燒器的爐膛底部區(qū)域形成密集的網格；反之，則采用大尺寸結構化網格，在爐膛中心區(qū)域內形成較為稀疏的網格，這在保證計算精度的前提下，減少了計算耗費機時。本文計算區(qū)域內共劃分網格7.63×105個。

3 模型的建立和邊界條件的設定

模擬計算中采用標準的k-ε雙方程湍流模型來封閉連續(xù)性方程、動量守恒方程，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，動量、能量、組分、湍動能和湍流耗散率的離散格式均采用二階迎風差分格式；反應管壁面和爐膛壁面均采用標準壁面函數(shù)方法處理[10-12]。

設定的邊界條件：

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

(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) 對稱條件，包括爐膛結構對稱面。

4 計算結果與分析

4.1模擬結果驗證

對于加熱爐內部流場和溫度場的模擬計算，選取了爐管傳熱量和爐膛出口煙氣的溫度作為模型驗證標準，模擬計算結果和現(xiàn)場操作值對比見表3。其中，計算區(qū)域內爐管吸收的熱量為輻射室總熱負荷的1/4。從表3中的對比結果可以看出，雖然模擬結果和現(xiàn)場操作數(shù)值存在一定的偏差，但是模擬結果還是可以在一定程度上正確的反應加熱爐內部流體流動和傳熱情況。以下對計算結果進行詳細分析。

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

4.2煙氣流場和溫度場分析

加熱爐爐膛內部高溫煙氣的流動和溫度場分布是相互影響的。圖2和圖3為加熱爐爐膛內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噴出，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。在高溫煙氣射流兩側，即在爐膛中心和爐管附近區(qū)域內分別形成了回流區(qū)。這是由于火焰射流的卷吸作用，強制周圍的氣體向射流靠近，形成爐膛下部的煙氣回流?；亓鞯某霈F(xiàn)，增加了煙氣停留時間，提高了爐膛中心區(qū)域和爐管附近區(qū)域的溫度，強化火焰對爐管的輻射傳熱，有利于提高爐膛的傳熱效率。隨著煙氣向爐頂?shù)牧鲃樱刂鵂t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 爐膛內部煙氣速度分布

Fig.2Thevelocitydistributioninfurnace

圖3 爐膛內部煙氣溫度分布

Fig.3Thetemperaturedistributioninfurnace

4.3物質濃度場分析

4.3.1 燃料氣濃度場 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%(質量分數(shù))，所以對于燃料氣的組分分布情況以氫氣、甲烷和乙烷為代表進行討論。

燃氣在燃燒器中心質量分數(shù)分布參見圖4。由圖4可見，在靠近爐膛底部區(qū)域內隨著流動面積增加以及和空氣的混合，燃料氣的質量分數(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

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

4.3.2 主要燃燒產物濃度場 燃料氣燃燒產生二氧化碳和水，還包括一氧化碳等燃燒中間產物?？疾烊紵a生的中間產物和最終產物的濃度分布，可以反映出爐膛內部燃燒是否充分。由于在中間產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的質量分數(shù)分布，具體參見圖5。由圖5可見，在燃燒器中心線上，隨著燃燒的不斷進行，產生的一氧化碳、二氧化碳和水不斷增多，在內焰區(qū)域內三者濃度不斷增大。在進入外焰區(qū)域后，作為燃燒中間產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。最終燃燒產物二氧化碳和水濃度不斷的增加，在外焰邊緣達到峰值。其后隨著流動的不斷發(fā)展，二者濃度不斷降低。

圖5 燃燒器中心燃燒產物組分分布

Fig.5Theburnedgascomponentdistributiononthecenterlineofburner

4.3.3 氧氣濃度場 為了保證加熱爐內燃料的充分燃燒，總是向爐膛內通入過量的空氣，一般采用空氣過量系數(shù)來表征空氣的過量程度。空氣過量系數(shù)有一定適宜的范圍，系數(shù)小會使燃料燃燒不完全，反之會降低加熱爐熱效率?？疾鞝t膛內部氧氣的濃度分布情況，可以反映助燃空氣過量情況。燃燒器中心線上氧氣的濃度分布見圖6。助燃空氣分兩次和燃料氣混合，一部分在進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圍氧氣不斷補充，氧氣濃度有小幅增加。最終由于燃燒完成和流動的不斷發(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 結論

采用所建的加熱爐爐膛內部燃燒反應CFD模型，對加熱爐爐膛內部的燃燒、流動、傳熱和傳質過程進行了數(shù)值模擬，結果與實際工業(yè)過程進行了對比，兩者基本吻合。模擬結果表明，爐膛內部煙氣速度、濃度和溫度分布是不均勻的，內部存在的煙氣射流和回流區(qū)不斷的更新了火焰及周圍各組分濃度，促進了燃燒、傳熱和傳質的進行；流動發(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。

此計算的爐型在工業(yè)上具有廣泛的應用，其模擬結果對加熱爐的設計和改進提供了理論指導，同時為加熱爐爐膛內燃燒和爐管內傳熱的綜合數(shù)值模擬奠定基礎。

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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

中國石油科研項目(2012GJTC-02-02)。

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

TE905; TP93

： A

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