乙烯裂解爐用圓形低NOx 燃燒器燃燒情況數(shù)值模擬

劉韞硯 毛小亮 孫建兵

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

乙烯裂解爐是乙烯裝置的核心設(shè)備之一，爐內(nèi)的燃燒情況決定著乙烯裂解爐的運(yùn)行情況。近年來，隨著環(huán)保要求的提高，燃燒器燃燒產(chǎn)生的污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，因此對(duì)燃燒器的設(shè)計(jì)及制造提出更高的要求。目前，低NOx燃燒器已普遍應(yīng)用于現(xiàn)役乙烯裂解爐中，因此進(jìn)一步開發(fā)新型低NOx燃燒器，實(shí)現(xiàn)低污染物排放已成為學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的問題。

通常燃燒器的設(shè)計(jì)主要采用半經(jīng)驗(yàn)方法：依據(jù)燃燒器的能力、燃料組成、壓力和溫度通過公式計(jì)算得到噴孔直徑；根據(jù)所需的火焰形狀和熱流密度布置燒嘴；通過熱態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性并加以修正，經(jīng)過多次反復(fù)修正和試驗(yàn)最終運(yùn)用在實(shí)際裝置中［1］。整個(gè)過程較為繁瑣。

CFD是模擬流體流動(dòng)、傳熱及其他附加的物理化學(xué)現(xiàn)象的工具［2］，同樣也適用于乙烯裂解爐內(nèi)的燃燒模擬。CFD數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于：可以快速高效地進(jìn)行多方案比較；可以得到流場內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量的分布情況；相比于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法可以極大地降低研發(fā)費(fèi)用、提高研發(fā)效率［3］。

以裂解爐為研究對(duì)象，其圓形底部燃燒器為擴(kuò)散式燃燒器，采用燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)的方法降低NOx排放量。該底部燃燒器可單獨(dú)使用于裂解爐中，也可與側(cè)壁燃燒器聯(lián)合使用。筆者運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)爐內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到爐內(nèi)的燃燒流動(dòng)和溫度分布情況，從而為低NOx燃燒器的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 前處理

1.1 幾何模型

采用通用三維建模軟件建立幾何模型，圖1為底部燃燒器整體幾何模型，圖2為底部燃燒器燒嘴磚處的局部放大圖。底部燃燒器共有8個(gè)噴頭環(huán)繞于燃燒器外側(cè)，每個(gè)噴頭都包含1個(gè)一級(jí)噴孔和3個(gè)二級(jí)噴孔，燒嘴磚上有多個(gè)半圓形缺口用于穩(wěn)定火焰，空氣從燃燒器底部進(jìn)入，先與一級(jí)噴孔中噴出的燃料在燒嘴磚內(nèi)混合后富氧燃燒，空氣離開燒嘴磚后再與噴頭上二級(jí)噴孔中噴出的燃料進(jìn)行燃燒。為了簡化模型方便計(jì)算，建模時(shí)忽略了長明燈、風(fēng)門等輔助部件。圖3為裂解爐整體的幾何模型，本次共模擬了8臺(tái)燃燒器在裂解爐內(nèi)共同燃燒的情況。

圖1 底部燃燒器整體幾何模型

圖2 底部燃燒器燒嘴磚處局部放大圖

圖3 裂解爐整體幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

將建好的幾何模型導(dǎo)入專業(yè)的軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本次模擬采用ICE CFD軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格的優(yōu)劣對(duì)計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度影響較大。由于計(jì)算機(jī)性能的限制，網(wǎng)格數(shù)量往往不能過多，在有限的條件下需優(yōu)化網(wǎng)格分布，使幾何形狀突變處和關(guān)鍵部位的網(wǎng)格盡可能密集，而相對(duì)形狀規(guī)整的區(qū)域則可以適當(dāng)減少網(wǎng)格。一臺(tái)裂解爐往往包含幾十個(gè)底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器，由于裂解爐爐膛本身具有對(duì)稱性，為了節(jié)省資源，本次僅對(duì)8個(gè)底部燃燒器聯(lián)合供熱的情況進(jìn)行模擬。模型大部分采用的是六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量及大小易于人為控制，能夠在形狀突變處和關(guān)鍵區(qū)域增加網(wǎng)格數(shù)量，在非關(guān)鍵區(qū)域減少網(wǎng)格數(shù)量。

由于燃燒器的復(fù)雜性，網(wǎng)格是分塊進(jìn)行劃分的。在爐膛與底部燃燒器之間、燃燒器噴頭與燃燒器之間采用四面體網(wǎng)格劃分，四面體網(wǎng)格的優(yōu)勢在于它是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可由電腦自動(dòng)生成，可以連接兩個(gè)不同的六面體網(wǎng)格邊界，使網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，但四面體網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量不易于人為控制。四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格之間有一層棱柱體網(wǎng)格過渡，用于連接兩種不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。單個(gè)底部燃燒器的網(wǎng)格數(shù)為564 468個(gè)，模型整體網(wǎng)格數(shù)為10 524 870個(gè)。圖4為底部燃燒器燒嘴磚處網(wǎng)格劃分情況，圖5為噴頭二級(jí)噴孔處的網(wǎng)格劃分情況。

圖4 底部燃燒器燒嘴磚處網(wǎng)格劃分

圖5 噴頭二級(jí)噴孔處網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算條件設(shè)置

計(jì)算條件包括計(jì)算模型的選取和邊界條件的設(shè)定［4］。本次模擬采用CFX商用軟件，軟件中的計(jì)算模型是針對(duì)各種流動(dòng)、傳熱、輻射模型設(shè)定的一系列計(jì)算程序，對(duì)不同的燃燒流動(dòng)情況需選取相適應(yīng)的計(jì)算模型。

本次模擬采用的模型為甲烷空氣反應(yīng)模型（Methane Air WD2），同時(shí)考慮氫氣與空氣的反應(yīng)模型（Hydrogen Air），流動(dòng)模型采用k-ε紊流模型，燃燒模型采用有限速率漩渦耗散模型（Finite Rate Chemistry and Eddy Dissipation），輻射模型采用離散傳播輻射模型（Discrete Transfer）。

邊界條件設(shè)置為：底部燃燒器進(jìn)口處分別給出燃料和空氣的質(zhì)量流量和溫度；爐膛出口給出負(fù)壓平均值（-25 Pa）；爐膛兩側(cè)端面設(shè)為對(duì)稱面；爐管表面給出溫度沿高度方向的變化規(guī)律；其余壁面默認(rèn)設(shè)為絕熱。

1.4 NO生成模型

NO生成機(jī)理有很多種，如熱力型、快速型、燃料型等。其中，燃料型NO是由燃料中的HCN根分解得到的，然而裂解爐用燃燒器使用的燃料一般為甲烷和氫氣，故無法生成燃料型NO。因此筆者主要介紹熱力型NO和快速型NO的生成機(jī)理及湍流對(duì)NO生成的影響。

1.4.1 熱力型NO

CFX中熱力型NO生成機(jī)理涉及3個(gè)反應(yīng)，分別為O+N2→NO+N （反應(yīng)1）、N+O2→NO+O （反應(yīng)2）、OH+N→NO+H （反應(yīng)3），3個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率計(jì)算式分別為：

其中，T為溫度，單位K。

熱力型NO的生成速率主要受反應(yīng)1的限制，反應(yīng)1生成的N會(huì)迅速參與反應(yīng)2或反應(yīng)3，因此反應(yīng)1完成1次后會(huì)迅速生成兩份NO。

CFX中熱力型NO總生成量SNO，thermal表達(dá)式為：

其中，kthermal為熱力型NO的生成速率，其值kthermal=2k1，WNO為NO的摩爾質(zhì)量，［O］和［N2］分別為O和N2的摩爾濃度。

其 中，SNO，thermal，O2為 采 用 有 限 速 率 漩 渦 耗 散 模型時(shí)熱力型NO的總生成量，kthermal，O2為采用有限速率漩渦耗散模型時(shí)熱力型NO的生成速率。

1.4.2 快速型NO

快速型NO是由CH根與氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN，隨后HCN被氧化后所生成的。反應(yīng)過程非常復(fù)雜，反應(yīng)機(jī)理可簡化為CH+N2→HCN+N，HCN+O2→NO+…

CFX中快速型NO總生成量SNO，prompt表達(dá)式為：

其中，kprompt為快速型NO的生成速率；［Fuel］為燃料的摩爾濃度；W為混合物的平均摩爾質(zhì)量；ρ為混合物密度；系數(shù)Aprompt和TA，prompt的取值與燃料有關(guān)，當(dāng)燃料為甲烷時(shí)，Aprompt=6.4×1061/s，TA，prompt=36510 K。

1.4.3 湍流的影響

當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，溫度的波動(dòng)對(duì)NO的生成速率有著顯著影響。對(duì)于熱力型和快速型NO，其影響尤為明顯，因此溫度的波動(dòng)，特別是正向波動(dòng)會(huì)急劇增加NO排放。在CFX中，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法考慮溫度的波動(dòng)。為了計(jì)算NO生成的平均速率，運(yùn)用假設(shè)的概率密度函數(shù)：

其中，［Tl，Tu］為溫度范圍，默認(rèn)取值為300～2 300 K，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可將溫度范圍控制在物料進(jìn)口溫度和燃燒絕熱溫度之間；函數(shù)P（T）較為復(fù)雜，詳細(xì)方程參見文獻(xiàn)［5］；κ（T）為反應(yīng)速率函數(shù)。

2 迭代計(jì)算

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)質(zhì)上是將求解方程中的連續(xù)問題離散成不連續(xù)問題，然后迭代計(jì)算求解。迭代計(jì)算方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法［6］。CFX采用基于有限元的有限體積法，在有限體積法的守恒特性基礎(chǔ)上，吸收了有限元法的數(shù)值精確性。迭代計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成，在計(jì)算過程中只需設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算方法、計(jì)算步長，觀察計(jì)算曲線的走勢，調(diào)整參數(shù)使計(jì)算收斂即可。

3 后處理

3.1 火焰形狀及溫度分布

由于火焰形狀無法用一個(gè)參數(shù)準(zhǔn)確地表示，因此在工程上往往取一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)的等值面來表示，當(dāng)一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)為某值時(shí)得到的火焰形狀如圖6所示。從圖中可以看出，底部燃燒器8個(gè)噴頭噴射形成的火焰較為剛直，在爐膛壁面附近形成一個(gè)平行于爐管壁面的高溫區(qū)域，這樣的火焰形狀既有利于高溫區(qū)域向爐管輻射熱量，同時(shí)還不會(huì)發(fā)生火焰接觸爐管而將爐管燒壞的情況。

圖6 火焰形狀

圖7為爐膛內(nèi)兩個(gè)方向上的溫度分布情況，可以看出，爐膛內(nèi)高溫區(qū)域集中在火焰燃燒區(qū)，在遠(yuǎn)離火焰區(qū)域溫度較均勻。

圖7 爐膛溫度分布云圖

3.2 流場及速度場

圖8、9分別為爐膛內(nèi)的流場和速度場?？梢钥闯?，底部燃燒器噴孔中燃料高速噴出，在爐膛壁面同爐管之間形成了回流區(qū)，爐膛內(nèi)的煙氣被帶動(dòng)不斷循環(huán)，回流的煙氣從底部燃燒器燒嘴磚回流通道重新進(jìn)入燃燒區(qū)，與燃料氣混合，有利于降低火焰區(qū)域的溫度，從而降低了NOx的排放量。

圖8 爐膛內(nèi)的流場分布圖

圖9 爐膛內(nèi)的速度場分布圖

3.3 爐膛內(nèi)煙氣濃度分布

一氧化碳為燃燒的副產(chǎn)物，其在爐膛中的濃度能反映出爐膛內(nèi)的燃燒是否完全。圖10為爐膛中CO含量的分布情況，可以看出，火焰區(qū)域CO濃度較高，遠(yuǎn)離火焰區(qū)域濃度快速降低，在爐膛頂部出口處濃度極?。柗?jǐn)?shù)僅為2.3×10-7），爐膛內(nèi)燃燒完全。圖11為爐膛內(nèi)氧含量的分布情況，可以看出，氧氣在燃燒區(qū)域快速消耗，由于計(jì)算時(shí)設(shè)置了10%的過?？諝饬?，因此在爐膛出口處仍有1.8×10-2（摩爾分?jǐn)?shù)）的氧氣剩余。

圖10 一氧化碳含量分布圖

圖11 氧含量分布圖

3.4 輻射強(qiáng)度曲線和NOx排放量

燃燒器的排布及結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整都是為了能夠給爐管提供更均勻的熱量分布，爐管主要依靠火焰輻射傳熱的方式被加熱，均勻的輻射強(qiáng)度分布能夠延長爐管的使用壽命和減少結(jié)焦的形成，有利于延長裂解爐的操作周期。圖12是在爐管表面處做出的輻射強(qiáng)度隨爐膛高度的變化曲線。由于本次模擬僅采用了底部燃燒器，因此輻射強(qiáng)度較高的區(qū)域集中在爐膛的中下部，可以看出，在靠近爐管面附近輻射強(qiáng)度沿爐膛高度方向分布均勻度在80%以上，燃燒器輻射加熱爐管的效果良好。

圖12 輻射強(qiáng)度隨爐膛高度的變化曲線

4 結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，在試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行了兩臺(tái)底部燃燒器聯(lián)合供熱的熱態(tài)試驗(yàn)。

CFD模擬得到的NOx排放量略小于熱態(tài)試驗(yàn)和工程應(yīng)用的實(shí)測值，這是由于模型中僅考慮了燃料為CH4時(shí)的熱力型、快速型NOx的生成情況，而在試驗(yàn)和工程應(yīng)用中還有少量的H2等燃料，這些額外燃料的燃燒會(huì)影響爐膛內(nèi)溫度的波動(dòng)及爐膛內(nèi)絕熱溫度的大小，如需使NOx模型更接近實(shí)際情況，可適當(dāng)調(diào)整模型中熱力型、快速型NOx生成方程中的反應(yīng)速率參數(shù)，另外也可調(diào)整概率密度函數(shù)中的溫度積分范圍，使其更加接近真實(shí)情況。

5 結(jié)束語

筆者采用CFD模擬軟件，模擬了某裂解爐內(nèi)8個(gè)圓形底部燃燒器聯(lián)合燃燒的情況，得到了爐膛內(nèi)的燃燒流動(dòng)和溫度分布。模擬結(jié)果與試驗(yàn)及工程應(yīng)用結(jié)果吻合較好，證明了模型選取和參數(shù)設(shè)置是合適的。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可以判斷燃燒器的選型是否正確，噴頭的空間布置是否合理，噴孔的大小及角度是否合適，通過調(diào)整以上幾個(gè)參數(shù)可以達(dá)到優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)的目的。本次模擬研究的燃燒器具有一定的代表性，模擬計(jì)算方法和結(jié)果可為燃燒器的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。