石油化工高架火炬燃烧的数值模拟研究

朱旭东

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波315812）

优化与控制

石油化工高架火炬燃烧的数值模拟研究

朱旭东

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波315812）

火炬是石油化工生产领域安全排放系统的核心设备，其安全平稳泄放是保证企业安全生产、减少环境污染的关键。文中运用CFD有限元分析方法建立了火炬燃烧数值的分析模拟模型，对于提高和加强火炬系统的设计、运行维护和管理水平具有重要意义。

高架火炬；燃烧；模拟研究；CFD

近年来国家对大气环境污染治理重视程度日益提高，对于石化生产领域的火炬排放，给周边环境造成的噪音、辐射提出了更新的苛刻要求。由于高架火炬燃烧器安装位置及运行条件的特殊性，造成目前对于其运行阶段的可复现性、预测性的研究较难开展，直接影响了火炬头燃烧器稳定可靠性。建立高架火炬燃烧的数值模型，可以对运行状态下火炬头燃烧器工作状态进行计算分析，满足预防性、超前性调整、维护、管理和环保标准的需要，能够确保燃烧器的平稳运行［1］。

1 研究对象

模型研究对象设定为某石化厂的高架火炬，其火炬头燃烧器类型为内置多根蒸汽—空气喷管式，火炬头口部高145 m、内径1.3 m，消烟蒸汽温度235℃、压力0.7 MPa，大气环境温度20℃、相对湿度70%、平均风速2 m/s。主体结构见图1，基本参数见表1。

图1 内置多根蒸汽—空气喷管式火炬燃烧器

表1 高架火炬燃烧火焰基本参数

2 建立模型

2.1 建模条件和步骤

火炬头架设在140 m高的塔架上，内径1.3 m，火炬气在火炬头口部与大气接触并燃烧形成火焰后随环境气流扩散，建立包含该火炬头燃烧器在内的直径80 m高150 m的模型空间，以满足描述火炬燃烧器及火炬火焰的有限元计算包容范围，通过CFD有限元分析方法建模研究整个火炬燃烧器运行工况（温度、压力、密度）及火焰燃烧后在此空间内的扩散性质，计算方式采用稳态、亚声速流场、k-ɛ湍流模型、部分预混燃烧模型［2］。

建模步骤：（1）建立3D几何模型；（2）划分网格；（3）设置基本模型、能量方程、湍流模型；（4）定义组份，启动组份输运和燃烧模型；（5）设置边界条件、算法，进行计算；（6）后处理输出计算结果［3］。

2.2 几何建模和边界设置

采用CAD建模工具建立3D的模型计算范围，并进行边界范围设置，见图2。

图2 火炬头燃烧器及空间燃烧模拟计算范围

2.3 网格划分和计算

在3D几何建模的基础上，进行网格划分，本模型计算范围空间尺度较大，模型整体采用4边形网格，生成计算单元数量1 000万个。生成后的网格质量、偏斜度等满足计算划分质量要求。划分好的火炬头燃烧器和燃烧空间网格见图3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）。

图3 火炬头燃烧器和燃烧空间网格

模型建立完毕后，进行全面初始化，首次计算按照10 000步迭代，后续各种方案调整计算2 000步迭代即可满足要求［4］。

3 模型数据分析

3.1 4种工况条件下的模拟结果

（1）工况1的模拟结果

工况1条件下模型计算的火焰燃烧温度、燃烧器筒壁的高温区见图4；消烟蒸汽空气混合喷嘴流速、烟气相对密度见图5。

图4 工况1火焰燃烧温度、燃烧器筒壁的高温区

图5 消烟蒸汽空气混合喷嘴流速、烟气相对密度

（2）工况2的模拟结果

工况2条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图6。

图6 工况2条件下火焰高度、高温区分布、烟气相对密度

（3）工况3的模拟结果

工况3条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图7。

图7 工况3条件下火焰高度、高温区分布、烟气相对密度

（4）工况4的模拟结果

工况4条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图8。

图8 工况4条件下火焰高度、高温区分布、烟气相对密度

3.2 综合结果分析

由模型模拟的结果可以看出，直接利用CFD方法整体构建的模型，能直观地将火炬燃烧器运行过程中的不同工况进行全方位的综合计算。无论从空间大气影响、燃烧状态、设备结构等各方面都可以直接描述，对于生产运行调整和控制环境污染都有重要的指导意义。

对于火炬头燃烧器在高温、高空这种极特殊条件下工作，不具备随时进行检修及故障诊断这一难题，数值模型更具有无法比拟的优势［5］。

可以直观的发现，在工况1这种较低的排放燃烧流速状况下，该火炬燃烧器，存在很明显的筒壁本体温度局部超高的问题。为了避免损坏设备，在运行过程中必须要采取必要的蒸汽空气补充降温措施，不要因为焚烧排气流量低，火炬头没有明显火焰烟羽，为了节约而停止蒸汽注入，这样很容易造成设备因局部高温而损坏。

另外对于工况4这种大排放流速燃烧的状况，由于消烟蒸汽最大流量的通入，造成蒸汽空气喷射混合喷嘴处的流速极高，同时还形成扰流漩涡。尤其在主蒸汽接管正对处的喷嘴，因高速汽流的射流冲刷，磨损非常严重，在进行设备定期检修时应特别注意。

对于石化企业周边的火炬燃烧排放产生的环境污染问题，在设计阶段可以通过合理设置火炬头燃烧器的安装高度和设备结构进行适当控制。在运行生产阶段，可以通过调整生产、计划性提前告知等措施尽量消减。

4 结论

通过该例的实践，运用建模技术对于石油化工高架火炬燃烧的工作状况进行了数值计算分析，为今后进行火炬头燃烧的设计、生产运行、环保控制及设备维护保养和定期检修提供了一定的参考。该方法对于运行条件极其特殊的火炬设施，具有方便易行和可反复推演性，在生产实践中可进一步根据燃气排放组分与流量的变化，根据用户的需要不断进行调整，并且可以完善增加有关噪声、辐射热、烟气黑度等方面的计算。

［1］刘家明.石油炼制工程师手册—炼油厂设计与工程［M］.北京：中国石化出版社2014：35-36.

［2］朱红钧.FLUENT15流场分析指南［M］.北京：人民邮电出版社 2015：27-29.

［3］朱红钧.FLUENT CFD工程仿真实战指南［M］.北京：人民邮电出版社，2014：9-13.

［4］黄庭枫.石化企业高架火炬安全距离确定方法与实验研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

［5］姜巍巍，李奇，李俊杰，等.喷射火及其热辐射影响评价模型介绍［J］.石油化工安全环保技术，2007，23（1）：33-36.

Numerical simulation research on flaming of petrochemical overhead flare

Zhu Xudong
（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co，Ltd.Ningbo 315812，China）

Flare is core equipment of safe emission system of petrochemical production field,and its safe and smooth venting is critical to ensure safe production of enterprise and reduce environmental pollution.This paper uses CFD finite element analysis method to set up numerical analysis simulation model of flare flaming,has significant meaning for improving and strengthening flare system’s design,operating maintenance and management level.

overhead flare;flaming;simulation research;CFD

X937

B

1671-4962（2017）05-0061-04

2017-08-24

朱旭东，男，工程师，2010年毕业于中国石油大学（北京）化学工程与工艺专业，现从事石油化工公用工程管理工作。