加氫進料燃燒爐運行優(yōu)化研究

于艷秋 樊建春

加氫進料燃燒爐運行優(yōu)化研究

于艷秋 樊建春

中國石油大學(xué)

為了解決加氫進料燃燒爐排氣溫度偏高的問題,通過建立數(shù)據(jù)模擬模型,分析了加氫進料燃燒爐入口燃料氣流量、空氣流量、低壓蒸汽流量、上游尾氣流量等因素對加氫進料燃燒爐出口溫度、H2摩爾分數(shù)以及爐內(nèi)流場的影響,得出最佳工藝優(yōu)化方案。并通過現(xiàn)場應(yīng)用得出,加氫進料燃燒爐出口溫度明顯降低,燃料氣用量也有所降低。在解決加氫進料燃燒爐出口溫度偏高的同時,實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的,為國內(nèi)同類加氫進料燃燒爐的研究提供了借鑒。

加氫進料 燃燒爐 數(shù)值模擬

加氫進料燃燒爐是克勞斯硫磺回收裝置尾氣處理單元的一部分,其作用是發(fā)生甲烷的次氧化反應(yīng),對上游來的克勞斯尾氣進行加氫處理,為下游加氫反應(yīng)器提供帶有足夠熱量的還原性氣體。目前,加氫進料燃燒爐排氣溫度明顯偏高,僅降低其燃料氣流量時,該爐無法穩(wěn)定工作,出現(xiàn)火焰報警。為保證加氫進料燃燒爐的穩(wěn)定運行,在出口H2組分摩爾分數(shù)達標的前提下適當降低其排氣溫度,實現(xiàn)節(jié)能增效,有必要對加氫進料燃燒爐的運行進行優(yōu)化研究。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 數(shù)值模擬模型的建立

無論是燃燒化學(xué)反應(yīng)模型還是爐內(nèi)燃燒的計算模型均較為可靠,計算結(jié)果與對應(yīng)工況的實測結(jié)果吻合良好,表明采用數(shù)值模擬的方法研究加氫進料燃燒爐內(nèi)的燃燒是可行的。

1.1.1 幾何模型的構(gòu)建

數(shù)值模擬的幾何模型為加氫進料燃燒爐臥式圓筒燃燒爐(見圖1),其結(jié)構(gòu)可分為3部分:①爐頭部分(見圖2),該部分為燃料氣、燃燒空氣/低壓蒸汽的流入?yún)^(qū)域,帶有導(dǎo)流葉柵等,其功能是引入燃料氣和燃燒空氣/低壓蒸汽兩股氣體,并且使燃燒混合氣體產(chǎn)生一定的旋流,其中,空氣/低壓蒸汽中的空氣為燃料氣燃燒提供氧氣,水蒸氣為防止加氫進料燃燒爐爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象;②中間段的燃料氣和燃燒空氣混合點火區(qū),該區(qū)域的功能是將燃料氣和燃燒空氣混合并點火;③占燃燒爐主體最大的后段,該區(qū)域的主要功能是引入上游待處理的克勞斯裝置尾氣并對其進行加氫預(yù)熱及化學(xué)反應(yīng)處理,使得燃燒爐出口煙氣溫度及組分摩爾分數(shù)達到下游加氫反應(yīng)爐入口的工藝參數(shù)要求。

1.1.2 計算模型

綜合考慮計算工作量及工程計算結(jié)果的精度要求,采用基于雷諾平均的Navier-Stokes(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方程組進行爐膛內(nèi)氣體燃料燃燒的熱流場計算,湍流模型采用k-ε雙方程模型,燃燒模型采用EDC模型[1],輻射模型采用P-1模型。

1.2 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的建立

圖3是加氫進料燃燒爐的燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型分析示意圖,由圖3可以看出,加氫進料燃燒爐的爐頭部分引入燃料氣和空氣/低壓蒸汽兩股入流,經(jīng)過短暫的混合后在中段發(fā)生不完全燃燒,之后再在后段與來自上游的尾氣混合并發(fā)生進一步反應(yīng)。

爐膛內(nèi)的燃燒可以分為兩個化學(xué)反應(yīng)區(qū)域:燃料氣與空氣/低壓蒸汽混合燃燒區(qū)以及前一階段燃燒產(chǎn)物與上游尾氣發(fā)生混合反應(yīng)的區(qū)域。按此思路,將整個反應(yīng)流程簡化為圖4所示的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)簡化模型。

氣體混合模型(Gas Mixer)多用于計算不反應(yīng)氣體組分的混合過程,在此過程中,氣體不與外界發(fā)生熱交換且不做功。

采用100%處理負荷的進口條件,利用k-ε雙方程湍流模型,EDC燃燒模型和P-1輻射模型,對之前所建立的加氫進料燃燒爐幾何模型進行數(shù)值模擬計算,迭代計算的收斂條件為連續(xù)性方程、能量方程和輻射方程的相對殘差值均小于10-4。該工況計算得到的出口組分與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對比見表1。數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)偏差很小,說明建立的加氫進料燃燒爐爐內(nèi)熱流場計算模型是可靠的。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of numerical simulation results with field data

1.3 單一入口參數(shù)對燃燒性能的影響

為了分別研究燃料氣入口、燃燒空氣入口、低壓蒸汽入口、上游尾氣入口4個入口參數(shù)對出口參數(shù)的影響,從而找出單一入口參數(shù)對出口參數(shù)的獨立于另外兩個入口參數(shù)的影響規(guī)律,設(shè)計采用四因素三水平正交試驗的方法,四因素分別選擇燃料氣質(zhì)量流量、燃燒空氣質(zhì)量流量、低壓蒸汽質(zhì)量流量和上游尾氣質(zhì)量流量;三水平分別選擇標準工況下工作時各物流進口摩爾流量的90%、100%和110%,具體安排如表2所示,正交實驗結(jié)果如表3所示。

表2 四因素三水平正交試驗安排表Table 2 Tests schedule of four factors and three levels orthogonal g/s

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Results of orthogonal tests

將出口溫度和出口組分中的H2摩爾分數(shù)作為需要優(yōu)化的兩個目標,通過正交設(shè)計并進行回歸分析,找到燃料氣質(zhì)量流量、燃燒空氣質(zhì)量流量、低壓蒸汽質(zhì)量流量、上游尾氣質(zhì)量流量與出口溫度、還原氣體組分摩爾分數(shù)之間的定量影響關(guān)系,見表4和表5。

表5 各因素對出口H2摩爾分數(shù)的影響Table 5 Effects of various factors on H2 molar fraction of the outlet %

綜合考慮表2和表3的研究結(jié)果,可以得出以下主要結(jié)論:

(1)空氣流量對出口溫度的影響最大。

(2)燃料氣流量對出口H2摩爾分數(shù)的影響最大,但空氣流量的影響也很大。

(3)低壓蒸汽流量對出口溫度和H2摩爾分數(shù)的影響均非常小。

(4)上游尾氣流量對加氫進料燃燒爐出口氣體中H2摩爾分數(shù)的影響很小。

1.3.1 空氣流量對出口參數(shù)的影響分析

考察單一因素水平的變動范圍為標準工況的40%～200%流量,其余不變因素維持在100%工況流量。單一因素水平在標準工況的40%～200%流量的變動范圍內(nèi)取1 000個平均分布的工況點,進行批量試驗。先考察空氣流量對出口參數(shù)影響的量值關(guān)系,研究結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以得出以下主要結(jié)論:

(1)隨著空氣流量的增大,良攪拌反應(yīng)器中的氣體平均溫度先上升后下降,出口溫度也是先上升,在達到峰值后略微下降;良攪拌反應(yīng)器和加氫爐出口氣體中的平均H2摩爾分數(shù)均先上升后下降。

(2)當空氣流量為標準工況下空氣流量的128.23%時,良攪拌反應(yīng)器中的氣體平均溫度達到最大值2 221.69 K;當空氣流量為標準工況下空氣流量的160.21%時,加氫進料燃燒爐出口溫度達到最大,為617.32 K。

(3)當空氣流量為標準工況下空氣流量的58.55%時,良攪拌反應(yīng)器中的H2摩爾分數(shù)達到最高,為15.06%;當空氣流量為標準工況下空氣流量的67.69%時,加氫進料燃燒爐出口H2摩爾分數(shù)達到最高,為2.56%。

(4)在保持其余進口參數(shù)不變(維持100%負荷工況參數(shù))的情況下,空氣流量在由標準工況下空氣流量的100%下降到67.69%的過程中,使出口溫度由555.15 K逐漸下降為492.22 K,同時,H2摩爾分數(shù)由1.98%逐漸增大為2.56%。在此區(qū)間變化時,加氫進料燃燒爐的出口溫度和出口處的H2摩爾分數(shù)均滿足下游加氫反應(yīng)器入口的工藝參數(shù)要求。

1.3.2 空氣流量對爐內(nèi)流場的影響分析

為了研究氣體流量的增大對爐內(nèi)流場的具體影響,空氣流量分別取標準工況下空氣流量的80%、90%和110%3個值,其余兩進口流量參數(shù)保持標準工況不變,分析加氫進料燃燒爐爐內(nèi)的溫度分布、H2摩爾分數(shù)分布和火焰長度的變化規(guī)律,見圖8～圖11。

分析圖8～圖11,可以得到以下主要結(jié)論:

(1)隨著空氣流量的不斷增大,燃料氣和空氣發(fā)生的燃燒反應(yīng)愈加偏向完全燃燒,火焰高溫區(qū)域向爐尾部方向偏移,同時,爐出口溫度升高。

(2)空氣流量的增大會導(dǎo)致爐膛內(nèi)H2高濃度區(qū)域減小,良攪拌反應(yīng)器中的最高H2摩爾分數(shù)明顯降低,在混合反應(yīng)器中,H2摩爾分數(shù)分布的均勻性下降。

(3)空氣流量的增大使燃燒更加充分,爐膛內(nèi)火焰長度隨之變短,火焰剛性增強。

(4)受加氫進料燃燒爐結(jié)構(gòu)和湍流燃燒的綜合影響,在不同的空氣流量工況,在不同的軸向位置處,橫截面上的溫度分布均具有明顯的非對稱特征?？偟膩碚f,越靠近中間,溫度越低,越靠近邊壁處,溫度越高。

1.3.3 燃料氣流量對出口參數(shù)的影響分析

考察燃料氣流量對加氫進料燃燒爐出口參數(shù)影響的量值關(guān)系,研究結(jié)果如圖12～圖13所示。

由圖12和圖13可以得出以下結(jié)論:

(1)隨著燃料氣流量的增大,良攪拌反應(yīng)器中的氣體和加氫進料燃燒爐出口氣體的平均溫度均先上升后下降;H2平均摩爾分數(shù)均先上升,并在到達峰值后略微下降。

(2)當燃料氣流量為標準工況燃料氣流量的77.76%時,高溫區(qū)域產(chǎn)物氣體的平均溫度達到最大,為2 224.60 K;當燃料氣流量為標準流量的79.68%時,出口溫度達到最大,為567.30 K。

(3)在燃料氣流量為標準工況下燃料氣流量的166.49%時,高溫區(qū)域產(chǎn)物氣體的H2摩爾分數(shù)達到最高,為14.70%;在燃料氣流量為標準工況下燃料氣流量為181.91%時,出口H2摩爾分數(shù)達到最高,為2.97%。

(4)在保持其余進口參數(shù)不變的情況下,當燃料氣流量降為標準工況下燃料氣流量的76.82%時,出口H2摩爾分數(shù)由標準工況的1.98%降為加氫反應(yīng)器工作所需摩爾分數(shù)的下限,為1.6%,而此時出口溫度由555.15 K上升為566.54 K。

(5)當燃料氣流量低于為標準工況下燃料氣流量的65.21%時,良攪拌反應(yīng)器中的燃燒幾乎不生成H2,此時加氫進料燃燒爐出口中的H2幾乎全部來自于上游克勞斯尾氣。

(6)僅降低燃料氣流量無法完成加氫進料燃燒爐運行優(yōu)化目標(降低出口溫度,減少燃料氣消耗,同時出口的H2摩爾分數(shù)達標),需要同時對燃料氣流量和燃燒空氣流量進行耦合匹配調(diào)整。

1.3.4 燃料氣流量對爐內(nèi)流場的影響分析

為了研究燃料氣流量的增大對爐內(nèi)流場的具體影響,燃料氣流量取標準工況下燃料氣流量的80%、90%和110%3個值,其余兩進口仍保持標準流量不變,利用已建立的湍流燃燒模型進行數(shù)值模擬,分析其對爐內(nèi)溫度分布、H2摩爾分數(shù)分布和火焰長度的影響。如圖14～圖17所示。

分析圖14～圖17,可以得到以下主要結(jié)論:

(1)隨著燃料氣流量的不斷增大,燃料氣和空氣發(fā)生的燃燒反應(yīng)越來越偏向不完全燃燒,燃料氣流量的增加帶來的流速增大和換熱增強效果不明顯,加氫進料燃燒爐出口的溫度也隨之降低。

(2)燃料氣流量的增大會導(dǎo)致爐膛內(nèi)H2高濃度區(qū)域沿中軸線方向向加氫進料燃燒爐爐頭偏移,且分布更加貼近爐膛壁面,但在加氫進料燃燒爐出口處,H2摩爾分數(shù)的變化不大。

(3)由于燃料氣流量的增大會加劇燃燒反應(yīng)的不平衡,因此,爐膛內(nèi)火焰長度變長,剛性降低。

(4)在不同的燃料氣流量工況下,不同的軸向位置處橫截面上的溫度分布均具有明顯的非對稱特征。

2 多入口參數(shù)對燃燒性能的綜合影響

2.1 優(yōu)化操作參數(shù)的確定

為了降低出口氣體溫度,使溫度在495～525 K盡可能接近下限。同時要保證H2摩爾分數(shù)不下降,保證H2摩爾分數(shù)大于等于1.97%。利用響應(yīng)面分析軟件Design Expert,可以得到如表6所示的優(yōu)化組合方案。

從表6中可以看出,組合方案5燃料氣流量降低較明顯,具有較好的節(jié)能效果,利用Chemkin軟件對該工況進行計算,可以得到出口H2摩爾分數(shù)為2.385%,出口溫度為500.03 K,與預(yù)測組合方案5基本吻合,驗證了該方案的可行性。而出口H2的總摩爾流量為19.821 mol/s,相比優(yōu)化前的標準工況,出口H2流量16.564 mol/s有所提升?？梢钥吹?優(yōu)化后方案的操作參數(shù)不但降低了加氫進料燃燒爐出口溫度,減少了燃料氣的供給量,還保證了出口H2的摩爾分數(shù),達到了預(yù)期的優(yōu)化目標。

表6 處理負荷100%時兩入口操作參數(shù)優(yōu)化組合Table 6 Optimum combination of two inlet operating parameters at full load

2.2 優(yōu)化前后爐內(nèi)流場對比

利用響應(yīng)面法獲得加氫進料燃燒爐操作參數(shù)優(yōu)化組合方案后,采用Chemkin軟件完成燃燒化學(xué)方應(yīng)的模擬并確認優(yōu)化效果,再利用已建立的爐內(nèi)湍流燃燒數(shù)值模型,采用FLUENT軟件對其熱流場進行數(shù)值模擬,進一步考察優(yōu)化后的爐膛內(nèi)溫度分布、H2分布和火焰長度等,如圖18～圖20所示。

由圖18～圖20可以得出以下主要結(jié)論:

(1)操作參數(shù)調(diào)整后的爐膛中段區(qū)域中,高溫區(qū)域面積有所減小,且分布位置向中軸線方向靠攏。而溫度最高的區(qū)域相對于中軸線方向上的投影位置,則略微向下游方向偏移。

(2)操作參數(shù)調(diào)整前,H2的最高濃度區(qū)域分布從爐膛壁面一直向中軸線方向延伸,分布面積大;調(diào)整后H2最高濃度區(qū)域更加貼近壁面。

(3)調(diào)整操作參數(shù)減小了燃料氣和空氣的流量,爐內(nèi)火焰長度變短;火焰長度變短后更不容易受到來自上游尾氣的影響,因此,火焰偏離中軸線的距離更小。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

加氫進料燃燒爐目前的標準工況,即處理負荷100%時的進口參數(shù)分別為:燃料氣流量139.73 g/s,空氣/低壓蒸汽流量1 702.03 g/s,上游尾氣即處理負荷流量21 030.28 g/s。出口溫度為555.15 K,還原性氣體即H2摩爾分數(shù)為1.98%。

以數(shù)值模擬為主,輔以已有的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行驗證。經(jīng)過優(yōu)化所得到的進口參數(shù)為:燃料氣流量127.09 g/s,空氣流量1 191.54 g/s,上游尾氣流量保持不變,仍為21 030.28 g/s。在此進口條件下,數(shù)值模擬預(yù)測的出口溫度為500 K,現(xiàn)場實測出口溫度約530 K,還原性氣體H2摩爾分數(shù)為2.39%,出口溫度下降了25.15 K。

參數(shù)調(diào)整后出口H2總摩爾流量為19.82 mol/s,相比優(yōu)化前的標準工況16.56 mol/s有所提升,理論上也滿足了加氫反應(yīng)器工作所需的H2流量。

除滿足下游加氫反應(yīng)器的正常工作以外,燃料氣流量的減少也使得加氫進料燃燒爐的節(jié)能效果更為明顯。燃料氣消耗量從139.73 g/s降為127.09 g/s,理論上單臺加氫進料燃燒爐365天節(jié)約的總?cè)剂蠚饬靠烧酆蠘藴拭? 233.77 t。

4 結(jié)論

(1)空氣流量對加氫進料燃燒爐出口溫度的影響最大。

(2)燃料氣對出口H2摩爾分數(shù)的影響最大,但空氣流量的影響也很大。

(3)水蒸氣對出口溫度和H2摩爾分數(shù)的影響均非常小。

(4)上游尾氣流量對加氫進料燃燒爐出口氣體中的H2摩爾分數(shù)沒有直接影響。

(5)與設(shè)計運行工況相比,優(yōu)化后的運行參數(shù)為:燃料氣流量127.09 g/s,空氣流量1 191.54 g/s,上游尾氣流量21 030.28 g/s,出口氣體中H2摩爾分數(shù)為2.39%,出口溫度下降了25.15 K。

(6)操作參數(shù)優(yōu)化后的爐膛中段區(qū)域(即燃料氣和空氣發(fā)生混合燃燒反應(yīng)的區(qū)域)中,高溫區(qū)域的面積有所減小,且分布位置向中軸線方向靠攏。爐內(nèi)火焰長度變短,火焰偏離中軸線的距離更小。

[1]張俊霞.化學(xué)動力學(xué)機理耦合EDC燃燒模型對湍流擴散火焰的數(shù)值模擬[J].工業(yè)爐,2007,29(1):41-44.

[2]趙秋月,張廷安,曹曉暢,等.管式攪拌反應(yīng)器中流動特性實驗及模型研究[J].化學(xué)工程,2007,35(9):25-28.

Research on operation optimization of hydrogen-feeding combustion furnace

Yu Yanqiu,Fan Jianchun
China University of Petroleum,Beijing,China

In order to solve the problem of high exhaust temperature of hydrogen-feeding combustion furnace,the data simulation model was established.The effects of some factors of hydrogen-feeding combustion furnace entrance,which including fuel gas flow,air flow,low pressure steam flow,upstream exhaust flow,etc.,on outlet temperature,H2molar fraction and flow field in hydrogen-feeding combustion furnace were analyzed to get the best process optimization scheme.The field application results showed that the outlet temperature of hydrogen-feeding combustion furnace decreased obviously,and the fuel gas consumption reduced as well.The process optimization scheme solved the problems of high outlet temperature of hydrogen furnace and achieved the purpose of energy saving,which could provided a reference for the research of domestic similar hydrogen-feeding combustion furnace.

hydrogen-feeding,combustion furnace,numerical simulation

TE644

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.006

于艷秋(1971-),男,高級工程師,1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院(現(xiàn)東北石油大學(xué))精細化工專業(yè),大學(xué)學(xué)歷(工學(xué)學(xué)士),現(xiàn)就職于中國石化中原油田分公司達州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠,從事天然氣處理與加工研究工作,發(fā)表論文近20篇,多次獲局級、四川省科技獎勵及實用新型和發(fā)明專利。E-mail:402149834@qq.com

2017-06-15;編輯:溫冬云