渣油加氫裝置階梯型反應(yīng)進料加熱爐模擬分析

李春亮，段振亞

（1.中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071；2.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

固定床渣油加氫工藝技術(shù)是國內(nèi)煉油廠應(yīng)對石油資源重質(zhì)化挑戰(zhàn)的重要舉措，該工藝中使用的渣油加氫反應(yīng)加熱爐主要負(fù)責(zé)為油品升溫提供熱量［1-4］。傳統(tǒng)渣油加氫反應(yīng)加熱爐為雙面輻射結(jié)構(gòu)，爐側(cè)壁為垂直結(jié)構(gòu)，近年來很多新建渣油加氫反應(yīng)加熱爐為階梯型雙面輻射結(jié)構(gòu)［5-11］。本文利用計算流體動力學(xué)方法(CFD)，對階梯型渣油加氫反應(yīng)進料加熱爐進行溫度場和流場模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析并對比爐墻傾斜角度對加熱爐溫度場和流場的影響，以期為工程設(shè)計的優(yōu)化提供參考。

1 渣油加氫反應(yīng)進料加熱爐概況

某公司2.4×106t/a渣油加氫裝置階梯型反應(yīng)進料加熱爐有4個結(jié)構(gòu)相同的輻射爐膛。單個爐膛長15 188 mm，寬 2 888 mm，高 10 700 mm。每個爐膛有16臺附墻燃燒器，分2側(cè)布置，每側(cè)分配8臺。相鄰2臺燃燒器沿側(cè)墻方向的間距為1700mm，爐管尺寸為 φ177.8mm×19mm×13400mm，共16排，爐管中心距為355.6 mm，其中底部爐管中心距離爐底600 mm。

2 單爐膛建模及邊界條件設(shè)置

2.1 結(jié)構(gòu)模型

以單爐膛為研究對象，兼顧其結(jié)構(gòu)的對稱性和計算的簡便性，選取單爐膛半邊進行分析，將燃燒器簡化為爐底空氣出口和燃料出口，得到的加熱爐單爐膛1/2簡化模型見圖1。

圖1 反應(yīng)進料加熱爐單爐膛1/2簡化模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

針對加熱爐整體的燃燒和傳熱特別復(fù)雜、爐膛內(nèi)燃燒傳熱與爐管內(nèi)介質(zhì)耦合緊密以及耦合計算收斂難度大的具體情況，將加熱爐模型分為爐膛區(qū)域和爐管介質(zhì)區(qū)域，采用區(qū)域耦合方法［12］將2個區(qū)域協(xié)調(diào)計算，得出2區(qū)域截面相同的溫度和熱強度分布，從而實現(xiàn)間接的耦合。

爐膛區(qū)域采用氣體燃燒基本方程組描述，主要有連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程，計算模型采用k-ε湍流模型、P1輻射模型以及簡化的快速反應(yīng)擴散燃燒模型［13-15］。

爐管介質(zhì)區(qū)域采用連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，計算模型采用k-ε湍流模型、混合多相流模型。鑒于該加熱爐渣油氣化率變化小，為簡化計算，不考慮渣油氣化，整個過程按照入口氣化率考慮。

2.3 邊界條件

爐膛區(qū)域內(nèi)，燃料氣和助燃空氣設(shè)置為質(zhì)量入口，燃料質(zhì)量流量為0.105 5 kg/s，燃料溫度為40℃；空氣質(zhì)量流量為1.713 5 kg/s，空氣溫度為508℃。燃料氣為混合物，其組成見表1。爐膛出口采用壓力邊界，出口壓力為-25 Pa，爐墻和爐管管壁采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。爐墻采用對流傳熱表面，對流傳熱系數(shù)選取 10 W/（m2·K），外界溫度取27℃，爐膛保溫層厚度250 mm，傳熱系數(shù)按陶瓷纖維模塊考慮，爐管外壁為分區(qū)耦合計算的耦合邊界，其溫度和熱強度分布由爐膛區(qū)域和爐管區(qū)域耦合計算得出。

表1 燃料氣組成 %

爐管介質(zhì)（渣油）區(qū)域內(nèi)，入口設(shè)置為質(zhì)量入口，渣油總質(zhì)量流量為12.393 kg/s，其中氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.130 63，入口溫度為354℃。被加熱介質(zhì)為渣油，渣油密度、黏度等性質(zhì)數(shù)據(jù)采用多段線性差值描述，比焓采用多項式描述，介質(zhì)出口采用壓力邊界，爐管壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，同樣也是分區(qū)耦合計算的耦合邊界。

3 反應(yīng)進料加熱爐模擬計算結(jié)果與分析

3.1 流場

3.1.1 煙氣流線

階梯型反應(yīng)進料加熱爐煙氣速度流線分布云圖見圖2。

圖2 階梯型反應(yīng)進料加熱爐煙氣速度流線分布云圖

由圖2可以看出，煙氣在爐膛內(nèi)部的流動不是簡單的直接排到爐外，而是以漩渦的狀態(tài)流動。該漩渦將高溫?zé)煔鈳У降蜏貐^(qū)域，從某種程度上講，漩渦攪動爐膛煙氣，促進了爐膛溫度的混合，使之分布更均勻。

3.1.2 截面速度矢量

反應(yīng)進料加熱爐爐膛中間端截面的速度矢量分布云圖見圖3。

圖3 反應(yīng)進料加熱爐爐膛中間端截面速度矢量分布云圖

從圖3可以看出，煙氣沿著爐壁向上流動，到達傾斜側(cè)面時，一部分煙氣流出爐膛，其余煙氣轉(zhuǎn)向沿著爐管向下流動，從而在中間端截面形成2個大的對稱漩渦，該漩渦將爐頂高溫?zé)煔鈳У綘t底區(qū)域，有利于爐膛溫度均勻化。

反應(yīng)進料加熱爐爐膛側(cè)截面的速度矢量分布云圖見圖4。

圖4 反應(yīng)進料加熱爐爐膛側(cè)截面速度矢量分布云圖

從圖4可以看出，到達傾斜側(cè)面的煙氣，一部分如圖3所示流向爐管和流出爐膛，其余煙氣水平流動到端墻，沿著端墻轉(zhuǎn)而向下流動，而后流向爐底，最后在爐膛中間匯集后向上流動，即在中間側(cè)截面形成2個大的對稱漩渦。

3.1.3 流場總體特征

通過圖2～圖4可以看出，燃料和空氣從燃燒器噴出后，在階梯爐爐膛內(nèi)形成漩渦。總之，爐膛存在兩兩對稱、兩兩垂直的多個漩渦，此漩渦攪動爐膛煙氣，使得高溫?zé)煔饬飨虻蜏貐^(qū)，對爐膛溫度均勻化有積極作用。

3.2 溫度場

反應(yīng)進料加熱爐爐膛不同位置截面溫度分布云圖見圖5。從圖5可以看出，火焰沿著爐墻分布，火焰及爐膛中上部為煙氣高溫區(qū)，底部為低溫區(qū)，與實際相符，爐頂溫度為685℃。

圖5 反應(yīng)進料加熱爐爐膛不同位置截面溫度分布云圖

3.3 管壁溫度

反應(yīng)進料加熱爐爐管溫度分布云圖見圖6。從圖6可以看出，溫度沿著高度方向降低，爐管入口處最低，爐管出口處最高，溫度介于408.5～443.4℃，平均溫度424℃。此結(jié)果比加熱爐通用工程核算軟件FRNC-5計算的范圍430～462℃更保守，這是因為FRNC-5根據(jù)實際情況考慮了一定的污垢系數(shù)，導(dǎo)致計算的爐管外壁溫度更高。

圖6 反應(yīng)進料加熱爐爐管溫度分布云圖

3.4 爐管熱強度

反應(yīng)加熱爐爐管熱強度分布云圖見圖7。從圖7可以看出，熱強度沿著高度方向增大，爐管入口處最高，爐管出口處最低，熱強度介于24 638～43 296 W/m2，平均熱強度31 270 W/m2。由于爐膛頂部煙氣溫度較高，而介質(zhì)溫度偏低，因此熱強度偏大;而爐膛底部煙氣溫度較低，介質(zhì)溫度偏高，因此熱強度偏低。

圖7 反應(yīng)進料加熱爐爐管管壁熱強度分布云圖

4 爐墻角度對反應(yīng)進料加熱爐流場及溫度場影響

4.1 結(jié)構(gòu)建模

目前階梯型加氫反應(yīng)進料加熱爐爐膛雙面輻射結(jié)構(gòu)按側(cè)墻結(jié)構(gòu)特征分為2種，第1種側(cè)墻下部垂直（90°），第 2種側(cè)墻從底部開始傾斜，一般角度在 85°～87°。按照側(cè)墻傾角 90°和 85°對上述2種結(jié)構(gòu)建模，見圖8。

圖8 反應(yīng)進料加熱爐爐墻結(jié)構(gòu)及計算模型

4.2 流場比較

不同爐墻角度下中間端截面流線的比較見圖9。從圖9可以看出，2種結(jié)構(gòu)都存在對稱的2個漩渦，不同的是，90°結(jié)構(gòu)的漩渦更大，而且漩渦的中心靠近爐膛高度方向的中心。而85°結(jié)構(gòu)的漩渦更狹窄，煙氣回流貫穿爐膛豎直方向，靠近爐管，且在爐底區(qū)域存在2個較小的漩渦。

圖9 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下中間端截面速度流線

對沿端面外側(cè)起，經(jīng)過第1～第4排燃燒器端截面流線的比較見圖10～圖13。

圖10 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第1排燃燒器端截面速度流線

圖11 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第2排燃燒器端截面速度流線

圖12 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第3排燃燒器端截面速度流線

圖13 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第4排燃燒器端截面速度流線

從圖 10～圖 13可以看出，90°結(jié)構(gòu)均含有對稱的2個較大漩渦，分布偏向于爐膛中部。85°結(jié)構(gòu)均含有對稱的2個漩渦，分布偏向在爐膛中下部，且距離爐管更近。這是由于爐墻傾斜使得爐膛上部空間減小，迫使?fàn)t膛內(nèi)的漩渦靠近中間管排及爐底。

4.3 溫度場比較

對不同爐墻角度下沿端面外側(cè)起，經(jīng)過第1～第4排燃燒器端截面溫度場的比較見圖14～圖17，對不同爐墻角度下中間端截面溫度場的比較見圖18。

圖14 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第1排燃燒器端截面溫度場

圖15 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第2排燃燒器端截面溫度場

圖16 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第3排燃燒器端截面溫度場

圖17 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下經(jīng)過第4排燃燒器端截面溫度場

圖18 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下中間端截面溫度場

從圖14～圖17可以看出，受傾斜面影響，85°結(jié)構(gòu)比90°結(jié)構(gòu)火焰更扁平，根據(jù)爐膛溫度計算結(jié)果，85°結(jié)構(gòu)的更均勻。從圖18可以看出，經(jīng)爐中間端截面溫度場，整個爐管在一個更加均勻的溫度場中，高溫區(qū)溫度更低，低溫區(qū)也較少。

4.4 爐管熱強度和管壁溫度比較

4.4.1 爐管熱強度

2種結(jié)構(gòu)爐管熱強度分布見圖19。

圖19 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下爐管管壁熱強度

從圖19可看出，爐管熱強度沿高度方向增大，爐管入口處最高，爐管出口處最低。經(jīng)計算查詢，90°結(jié)構(gòu)爐管熱強度在24 638～43 296 W/m2，平均熱強度為31 270 W/m2；85°結(jié)構(gòu)爐管熱強度在26 562～42 199 W/m2，平均爐管熱強度為31 157 W/m2?？梢?5°結(jié)構(gòu)爐管熱強度分布更均勻，與之前煙氣分布類似，二者平均爐管熱強度接近。

4.4.2 管壁溫度

2種結(jié)構(gòu)爐管溫度分布比較見圖20。

圖20 反應(yīng)進料加熱爐不同爐墻角度下爐管溫度場

從圖20可以看出，溫度沿著高度方向降低，爐管入口處最低，爐管出口處最高。

4.4.3 綜合對比

經(jīng)計算查詢，90°結(jié)構(gòu)爐管外壁溫度在408.5～443.4℃，爐管內(nèi)壁溫度在 359.9～404.9℃，內(nèi)膜溫度在353.7～400.8℃；85°結(jié)構(gòu)爐管外壁溫度在406.5～462℃，爐管內(nèi)壁溫度在 359.7～407.6℃，內(nèi)膜溫度在 353.7～400.7℃。這些數(shù)據(jù)表明，85°結(jié)構(gòu)爐管外壁存在更低的低溫區(qū)域，且范圍較大，位于管排上部3～4根爐管區(qū)域。同時，爐管外壁存在局部高溫區(qū)，高溫區(qū)域主要集中于出口管末端，總體高溫區(qū)域位于最下面2排爐管及彎頭。85°結(jié)構(gòu)爐管外壁溫度整體均勻性不如90°結(jié)構(gòu)，爐管內(nèi)壁溫度同樣，但是差異性不大。2種結(jié)構(gòu)下的內(nèi)膜溫度分布極為接近。

改用加熱爐通用軟件FRNC-5進行計算，得到的爐管外壁溫度在430～462℃，內(nèi)膜溫度為362～400℃?？梢钥闯?，相比CFD計算結(jié)果，F(xiàn)RNC-5計算的管外壁最高溫度與85°結(jié)構(gòu)的接近，比90°結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果高20℃，內(nèi)膜溫度最小值高8.3℃，最大值極為接近。

5 結(jié)語

在文中模擬條件下，加熱爐內(nèi)部端截面、側(cè)截面均存在對稱分布的渦流。相比而言，側(cè)墻90°傾斜條件下渦流主要分布在爐膛中部，側(cè)墻85°傾斜條件下渦流主要分布在爐膛偏中下的位置，且距離爐管較近，煙氣溫度分布更均勻。側(cè)墻85°傾斜條件下加熱爐熱強度分布區(qū)間更小也更均勻，側(cè)墻90°傾斜條件下爐管管壁溫度分布更均勻。側(cè)墻85°傾斜條件下，爐管外壁的局部高溫區(qū)主要集中于出口管末端，總體高溫區(qū)位于最下面2排管及彎頭。但是兩者內(nèi)膜溫度幾乎一致。