延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧的数值模拟研究.PDF

收稿日期 2003212225 通讯联系人王 娟 文章编号 10012871920040620058205 延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧 的数值模拟研究 NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FLOW AND COMBUSTION IN A DELAYED COKING FURNACE 王 娟1,毛 羽1,江 华1,张建国2,刘义中2 WANGJuan1, MAO Yu1, J IANG Hua1, ZHANGJian2guo2, LIU Yi2zhong2 1. 石油大学 化工学院,北京102249 ; 2.中国石油化工股份有限公司 金陵分公司研究院,江苏 南京210033 1. Department of Chemical Engineering , University of Petroleum , Beijing102249, China; 2. Jinling Branch Academe of China Petroleum 加热炉;燃烧;数值模拟;辐射传热 中图分类号 TE963 ; TQ53 文献标识码 A Abstract Numerical simulation of flow and combustion in a delayed coking tubular furnace was carried out.The dividing of the complicated structure grid in the furnace and combustor was generated without simplification. The standardk 2 ε turbulent model , the simplified PDF combustion model and the discrete ordinate transfer radiation model were used to simulate the three2dimension flow and combustion inside the furnace chamber.All fields ofvelocity , temperature and concentration inside the furnace chamber were successfully figured out.The simulation results showed that the combustors used in the furnace with flat shape flame were helpful to heat unily the fluid in the pipes. Key words delayed coking; furnace ; combustion ; numerical simulation ; radiation heat transfer 管式加热炉是延迟焦化工艺中的关键设备,燃料在炉膛内燃烧所产生的高温火焰和烟气作为热源通 过炉管管壁来加热炉管中流动的重质油,使其达到工艺所需的温度。但如果由于设计或操作不当而使炉 温局部过高,就会发生炉管内流体结焦、炉管烧穿等事故,迫使装置停工检修;反之,如果由于设计或 操作不当而使炉温过低或局部过低,管内的流体就达不到所需的反应温度[1]。以往的研究大多是通过 实验来进行的,所得到的结果难以提供炉内燃烧状况的细节。数值模拟方法速度快,重复性好,可以提 供加热炉内部过程的详细情况,有助于解释和理解观察到的燃烧现象,指导加热炉及燃烧器的设计,甚 至代替困难或昂贵的试验,因此它作为研究燃烧过程的一种新方法得到了迅速发展。笔者利用该数值模 拟方法,结合工程实际应用的需要,对延迟焦化加热炉整体的流动及燃烧过程进行了三维全尺寸的数值 模拟,得到了炉内的速率场、温度场以及各组分的分布。这种对大型工业炉进行的三维全尺寸的数值模 石油学报石油加工 2004年12月 ACTA PETROLEI SINICA PETROLEUM PROCESSING SECTION 第20卷第6期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 拟目前还少有报道。 1 燃烧过程的控制方程及计算模型 笔者研究的焦化炉燃烧的是多组分气体燃料,因此可以采用气相燃烧基本方程组来描述燃烧过程。 其中包括连续性方程、动量方程、能量方程以及组分输运方程。实际的加热炉内的燃烧过程都是湍流燃 烧,加热管内介质的热量约有70 是以辐射方式传递的[2],因此求解该方程组需要湍流模型、燃烧模 型以及辐射传热模型。 1. 1 气相燃烧的基本方程组及湍流模型方程 三维瞬时流动的基本方程组可以表示为下列通用方程1。 5 5t ρ φ 5 5xj ρujφ 5 5xj Γφ 5φ 5xj Sφ 1 式1中,等号左端第一项为非稳态项,第二项为对流项;右端第一项为扩散项,第二项为源项。 为了处理湍流流动,对此方程进行雷诺分解和时均化运算,可以得到通用时均化方程,使得方程组不封 闭。通过引入Boussinesq的湍流粘度概念,可以建立相应的湍流模型,得以求解方程组。在本计算过程 中采用标准的k2 ε双方程模型[3]。此时,湍流流动过程的基本方程组仍取式1的形式,φ、Γφ、Sφ的 具体含义见表1。计算过程中模型常数和取值分别为σk 1. 0 ,σε 1. 3 ,σYσh 0. 9 ,c1 1. 44 ,c2 1. 92。 表1 式1中 φ、 Γφ、Sφ的含义 Table 1 Meaning ofφ,ΓφandSφin ula 1 EquationφΓφSφ Continuity100 x2momentumux μe - 5p 5x 5 5x μe 5ux 5x 5 5y μe 5uy 5x 5 5z μe 5uz 5x y2momentumuy μe - 5p 5y 5 5x μe 5ux 5y 5 5y μe 5uy 5y 5 5z μe 5uz 5y z2momentumuz μe - 5p 5z 5 5x μe 5ux 5z 5 5y μe 5uy 5z 5 5z μe 5uz 5z - ρg Turbulent kinetic energyk μe/σkGk-ρ ε Diffusion rate of turbulent kinetic energyε μe/σεε c 1Gk-c2ρ ε / k ComponentYs μe/σY-Rs Energyh μe/σh -q 1. 2 燃烧模型 对于燃烧过程的模拟,笔者采用了简化的PDF扩散燃烧模型,该模型假设湍流涡团内部有瞬时的 层流反应,反应速率是有限的,而且不处于局部瞬时平衡状态,适用于扩散燃烧的数值模拟计算。该模 型也可以用通用方程式1来描述,但方程中的变量比表1中所示的变量多了混合物分数方程和混合物 分数脉动均方值方程,其对应的系数如表2所示。 表2 PDF扩散燃烧模型变量及系数 Table 2 V ariables and coefficients in the PDF diffusion2combustion model Equationφ ΓφSφ Mixer fractionf μe/σf 0 Pulsed mean square value of mixer fractionn μe/σn cn1μe5f/5xj 2- cn2ρgε/ k 1. 3 辐射传热模型 对于辐射传热的模拟,笔者采用离散坐标法。离散坐标法是一种较新的计算辐射换热的方法。该方 95第6期 延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧的数值模拟研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 法具有较好的精度,算法可靠,计算工作量小,是目前燃烧室内辐射传热过程数值模拟的一种较好的方 法。离散坐标法可以很方便地处理入射散射项,并且容易与流动方程联立求解。 2 计算区域及网格划分 图1为本计算的焦化加热炉示意简图。该焦化炉采用的是一种低NOx排放扁平焰燃烧器,燃料通 过对称分布的3对燃料喷头进入,燃料喷头上有一定数量的不同喷射角度的喷孔;助燃空气通过燃烧器 中部的矩形进气道进入;需要加热的介质在水平放置的炉管中流动。由于喷孔及其周围的几何结构很复 杂,需要较多的节点来刻画,因此对该处进行非结构化的网格划分,同时为了保证计算精度并缩短计算 时间,炉膛部分采用结构化的网格。 3 计算条件及边界条件 所计算的焦化炉如图1所示的尺寸为 750 mm750 mm6000 mm。计算中根据实际 加热炉的负荷以及开口的几何尺寸,设定燃料和 助燃空气入口的边界条件。单个燃烧器的功率为 360 kW ,计算时采用的空气过剩系数为1. 1。燃 烧用的炼厂瓦斯气是多组分混合气,其中包括氢 气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等共14种组 分。对炉膛烟气出口采用了充分发展的压力边界。 炉膛两侧的炉管所在的面设为取热壁面,壁温和 热强度是根据实际加热的炉管中流体吸收的热量 进行当量核算得到的。其它壁面包括燃料通道、 助燃空气通道、耐火墙、炉膛底部则为绝热壁 面 。 由于所计算的焦化炉具有左右对称性,因此 图1 延迟焦化加热炉示意简图 Fig. 1 Sketch of heating furnace for delayed coking 在计算中只取1/ 2的加热炉几何模型划分计算网格,将图1所示的中间纵截面设为对称性边界,并简称 为对称面,将与对称面垂直的面称为中间截面。在对称面上取与其垂直的速率分量为零,其它所有变量 在对称面垂直方向上的导数为零。 4 模拟结果及分析 4. 1 燃烧器附近的速率场 计算结果表明,在对称面上形成了由喷头组喷射方向决定的扩散形状的燃料和燃气射流,而在中间 截面上两股高速射流与空气相会合,形成较窄的中心向上的高速流动,并由于惯性作用一并继续向上运 动并燃烧,因而形成了沿对称面方向较宽、沿中间截面方向较窄的扁平射流,最终形成了扁平形火焰。 这对于均匀加热水平布置的炉管内的介质是非常有利的。还发现在中间截面上炉膛底部的两侧形成了低 压区,因此产生了回流。回流的气体又与高速射流的气体混合一起向上运动并燃烧,形成了炉内循环的 流动。回流的气体降低了燃烧区的最高温度,使得炉膛内的温度分布较为平均,可以有效地降低NOx 的生成和排放。 4. 2 加热炉整体温度场 管式加热炉提供炉管中流体介质升温、 蒸发和反应所需要的热量。图2为不同截面上温度分布的模 拟计算结果。由图2可见,火焰周围的温度为1300～1500 K,炉膛内的温度为1200 K左右,烟气出口的 温度为1140 K左右,这与加热炉运行时实测的温度接近。炉膛内整体温度的分布比较均匀,这有利于均 匀加热管内的介质。在这两个相互垂直的截面上,火焰的宽度是不一样的,因此形成了扁平状火焰。这主 要是由燃烧器的结构决定的。因此,改变燃烧器的结构可以改善火焰形状和燃烧状况。由图2还可以看 06 石油学报石油加工 第20卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 出,沿炉膛高度方向3 m以上时,温度分布已经非常均匀了。由于炉管是在与对称面平行的平面上水平放 置的,因此这种扁平状火焰可降低炉膛内的温差,均匀地加热管内的介质,有利于反应的顺利进行。 4. 3 加热炉内浓度场 采用数值模拟方法还可以得到炉内的反应物和生成物的浓度及其分布的详细情况,从而可以了解加 热炉内燃烧过程的细节,以便更好地控制其安全稳定地运行。图3为中间截面上燃料 H 2、氧化剂 O 2和产物 CO 2的质量分数分布。 由于计算中燃料是包括14种气体的多组分混合气体,其中质量分数较大的是H2,因此图 3a 给出 了燃烧器附近H2的质量分数分布。由图 3a 可见,燃料从燃烧器喷孔中高速喷出,与空气中的O2 发生反应而迅速燃烧,燃料质量分数迅速下降, 生成CO2和H2O。由图 3 b 可以看出,在入口 处O2浓度最高,经过燃烧区域后迅速下降。由 于计算与实际操作过程相同,采用的过剩空气系 数为1. 1 ,在出口处还有少量剩余的O2,该剩余 量与计算中采用的燃料组分有关。由图 3 c 可以 看出,在入口处CO2浓度为零,在燃烧区域CO2 迅速生成,其浓度最高,然后CO2分布逐渐趋于 均匀。从整体上来看,各组分浓度的分布趋势与 火焰形状是一致的。 图2 炉膛内等温线 Fig. 2 Isothermal curves inside in the furnace body a Symmetry section; b Middle section T/ K 1 1139 ; 2 1192 ; 3 1245 ; 4 1298 ; 5 1351 ; 6 1404 ; 7 1457 图3 H2、O2和CO2的质量分数分布 Fig. 3 Mass fraction distribution of H2, O2and CO2 a H2;wH2/ 1 0. 17 ; 2 0. 34 ; 3 0. 5 ; 4 0. 68 ; 5 0. 85 ; 6 1. 5 ; 7 1. 8 ; b O2;w O 2/ 1 3. 1 ; 2 2. 3 ; 3 1. 6 ; 4 0. 8 ; 5 3. 9 ; 6 23. 3 ; c CO2;wCO2/ 1 11. 7 ; 2 12. 5 ; 3 13. 2 ; 4 13. 9 ; 5 14. 7 5 结 论 1应用数值模拟方法,采用标准的k2 ε湍流模型、PDF扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型可 以成功地模拟延迟焦化管式加热炉中的流动、燃烧和传热的耦合过程,得到炉内温度、浓度、压力等参 数分布的全部细节。 2燃烧器的结构决定了火焰的形状,因此改变燃烧器的具体结构可以优化火焰形状和燃烧过程。 16第6期 延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧的数值模拟研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3本计算所涉及的延迟焦化炉中采用扁平焰燃烧器,可以产生扁平形状的火焰和温度分布,均匀 地加热炉管中的介质,有利于反应的顺利进行。 符号说明 c1, c2, cn1, cn2 模型常数,无量纲; f 混合物分数; f 平均混合物分数; Gk 湍流动能产生项, J/ kg; g 重力加速度, m/ s2; h 流体焓, J/ kg; k 流体湍流动能, m2/ s2; n 混合物分数脉动均方值; p 流体压力, N ; q 辐射热流, J/ kg; Rs s组分反应率, kg/ sm3 ; Sφ 源项; t 时间, s; uj 通用坐标方向上流体速率, m/ s; ux, uy, uz 不同坐标方向上流体速率, m/ s; xj 通用坐标,无量纲; Ys s组分体积分数; x , y , z 直角坐标系坐标,无量纲; 希腊字母 ε 湍流动能耗散率, m2/ s2; ρ 流体密度, kg/ m3; Γφ 扩散系数, m2/ s; μe 有效粘性系数, Pas; σk,σ ε,σY,σh,σf,σn 对应方程的常数,无量纲; φ 通用变量。 参考文献 [1]黄祖祺,杨光炯,于遵宏,等.石油化工管式炉的模拟与计算机计算[M].北京化学工业出版社,1993. [2]钱家麟,于遵宏,李文辉,等.管式加热炉[M].北京烃加工出版社, 2003. [3]周力行.湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟[M].北京科学出版社, 1994. 作者简介 王 娟1977 - ,女,博士研究生,从事多相流动及燃烧过程的数值模拟研究; 毛 羽1955 - ,男,教授,博士,从事化工过程装备优化及化工过程的数值模拟研究; 江 华1977 - ,男,博士研究生,从事多相流动及燃烧过程的数值模拟研究; 张建国1957 - ,男,高级工程师,学士,从事设备研究工作; 刘义中1965 - ,男,工程师,从事设备研究工作。 26 石油学报石油加工 第20卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.