乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算

关键词：

将计算流体力学技术及计算机技术应用于乙烯裂解炉的优化设计及研究由于没有对燃烧过程及烟气流动对传热的影响予以考虑, 导致其在实际应用中还存在一些不足之处, 为了有效地解决这一问题, 本文应用计算流体力学方法, 对一种新型乙烯裂解炉实施三维流场及燃烧传热的详细模拟计算, 对于提升裂解炉的设计水平及工作效率具有积极的作用。

一、数学模型

本次研究中提出的模拟计算方法应用的是标准的K-E湍流模型, 、蒙特卡洛辐射换热模型、双D概率密度函数扩散燃烧模型等组成封闭的控制方程组, 相关的计算是在大型计算流体力学软件CFX平台上进行。

二、网格划分与计算条件

1. 网格划分

通常情况下, 乙烯裂解炉中含有四组相同的燃烧器及裂解炉管, 四组中各包含两部分, 在计算时, 为了使计算的效率得到提高, 在充分确保计算精度的基础上, 会对炉的对称性予以充分的利用, 只需要选择半组炉的辐射段作为计算域。本次研究中的乙烯裂解炉中一共有:铁壁瓦斯燃烧器96个和底部瓦斯燃烧器32个, 两种瓦斯燃烧器按照1:3配置, 每一个底部瓦斯燃烧器顶端配置3个铁壁瓦斯燃烧器, 对其进行六面体网格划分, 以便于其具有良好的网格质量。在计算域中, 炉膛辐射段的宽度与高度分别为3m和11.5m。

因为计算域的体积非常大, 所以在计算的过程中, 流畅梯度与温度场区域内的密度非常大, 与其它区域相比, 该区域的密度是最大的, 为了使计算的精度得到有效提高, 并且能够提升计算的效率, 本组研究将计算域划分为56.2万个计算节点进行计算, 从计算的结果来看, 计算精度与计算效率都得到了有效的提升。

2. 计算条件

主要包含:燃烧器的入口条件、炉体壁面、辐射段的出口边界、炉管取热壁面、计算域两侧的对称性边界, 在实际应用中, 燃烧器主要有底部燃烧器与炉膛贴壁燃烧器两种, 其中底部燃烧器的燃料气的入口条件为:温度25e, 压力0.27兆帕, 燃料气中的摩尔组成表现为:乙烯0.9%、氢气5.3%、甲烷93.8%, 通过燃烧器底部空气入口, 底部瓦斯燃烧器的助燃空气直接进入炉膛内部, 起到均衡过剩空气系数的目的, 是该系数始终保持为1.1。

对于铁壁燃烧器来说, 这是一种预混燃烧器, 按照1.1的过剩空气混合系数, 空气与燃料气混合在一起, 并且通过燃烧器底部空气入口进入到炉膛内部, 在计算时, 按照贴壁燃烧器的实际功率, 对其出口速率进行设置, 本次研究设置为20.2m/s。本文中, 对计算域的选择为半组炉管, 类似于将整个炉管裂解为多个单元, 对其中一个单元进行计算, 为了保证计算结果的准确性, 通常选择在计算域两侧取对称性边界进行计算, 整个计算域中含有六对二合一的炉管, 其中最主要的取热边界就是炉管壁面, 在已知数据的基础上, 计算炉管壁面沿着炉管高度的热流条件, 按照实际工况条件下测得的压力设置辐射段出口压力, 辐射边界为炉体壁面对炉内的传热作用。

三、计算结果分析

1. 辐射段烟气流场情况

由燃烧器底部烧嘴形成的火焰射流是炉膛内的流场主要组成部分, 通过燃烧器的中心, 达到炉膛界面的平行与垂直关系, 从炉膛界面的速率分布可以直观的看到火焰射流的发展情况, 随着炉顶烟气的汇集, 射流逐渐衰退, 射流运动速率呈现出降低的态势, 因为在贴壁瓦斯燃烧器的一定高度处对新的燃烧烟气进行了补充, 因此烟气的流动速度略微有所提高, 烟气会从炉膛顶部进入到对流室中, 在高度为10米处会出现速率差异, 并且随着火焰射流的逐渐减弱, 将燃烧器分别安装于高度为6米、7.4米、8.8米处, 其相对应的高度附近的速率会表现出小幅度的增加。

2. 烟气含量分布

对底部燃烧器的火焰进行观察, 主要表现为扁平状, 导致其形成这种形状火焰的主要原因是:助燃气流场的组织情况及燃烧器的特殊结构, 对计算结果进行分析, 其能够是实际的工业生产情况保持良好的一致性。

炉膛上部的贴壁燃烧器具有功率与火焰形状都比较小的特点, 这是一种预混型的燃烧器, 在实际的运行过程中预混燃气的流动方向是从燃烧器中向四周流出, 表现出放射性的特点, 并且其热量补充的量比较小, 主要集中于燃烧器周围比较小的区域中, 这对于因炉膛上部烟气温度较低所导致的炉管受热不足具有很好的防止作用, 通过对火焰的形状进行分析, 能够得到燃料气中各种含量的组成及分布, 如:甲烷、二氧化碳、氧气、一氧化碳等烟气组成成分的含量分布。

3. 温度分布

在考察热炉工作性能的过程中, 应用到的一个关键指标就是炉内的温度分布, 对温度分布起决定作用的因素是的哥底部燃烧器与六个贴壁燃烧器喷射的火焰所提供的热量, 由于裂解炉会将大量的热量吸收掉, 因此在炉膛内部的温度是非常高的, 伴随着炉膛内部温度的上升, 温度值会趋于下降, 这主要是因为炉管吸收了大量的热量, 在贴壁燃烧器对应的高度, 因为对热量进行了补充, 其温度值稍有提升, 炉管处于炉膛中部, 因此炉膛跨度中间的温度要比两侧靠近炉壁的温度要高很多, 由此可见, 温度场中此种温度分布和炉膛内火焰分布的特点是相符的。

结束语

本文主要对乙烯裂解炉辐射段的三维流场及燃烧数值的模拟计算进行了简单分析, 计算过程中应用到的数据采用的实际工程中的操作数据, 通过计算能够得到炉膛中的三维流场的情况, 对于炉膛中的流动细节具有很好的描述。

摘要：乙烯裂解炉是一种技术含量非常高的管式工艺炉, 作为乙烯装置中的核心设备, 其生产工艺是非常先进的, 目前世界上掌握其成套生产技术的国家的数量是比较少的, 在其优化计算过程中, 具有较大难度, 本文就介绍一种将新型乙烯裂解炉辐射段作为模型的三维流场与燃烧的数值模拟计算方法, 这对于指导燃烧器的选型及裂解炉的优化设计具有积极的作用。

关键词：乙烯裂解炉,辐射段,三维流场,燃烧,数值模拟计算