裂解炉供热方式对燃烧特性影响的模拟研究

夏文娟，王 滨，李 智

(郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)

乙烯裂解炉是乙烯装置中的重要设备之一，裂解炉的运行情况是由炉内的燃烧情况决定的[1-2]，燃烧受很多因素的影响，如燃烧器的结构形式、炉管以及燃烧器的布置结构、燃料的组成和性质、底部和侧壁燃烧器的供热比例等[3]，其中燃烧器的排布结构是非常重要的影响因素之一[4]。燃烧器的安装主要布置在裂解炉的辐射段底部和侧壁两个位置，根据组合方式主要分为以下3种：全部由底部燃烧器供热(即全底烧供热)、全部由侧壁燃烧器供热、底部燃烧器和侧壁燃烧器联合供热[1,5]。

本文应用流体力学Fluent计算软件，以某石化厂的乙烯裂解炉为模拟对象，模拟计算出三种供热方式下燃烧器内的NO浓度场、燃气喷口的温度场等。可以为新型乙烯裂解炉的设计和现有裂解炉的优化研究提供参考。

1 物理模型及边界条件

1.1 几何模型

本文应用Solidworks和 icem CFD软件对裂解炉进行模型建立和网格划分。联合供热与全低烧供热的裂解炉的底部燃烧器均为燃气分级的低NOx燃烧器，区别仅在于全底烧供热时无侧壁燃烧器；另外侧壁燃烧器为单排分布。

图1 联合供热模型结构示意图

鉴于炉膛结构的对称性，本文选取炉膛的1/12进行建模，两种裂解炉的几何模型结构示意图分别见图1和图2，其中图1所示为联合供热时侧壁燃烧器分别采用预混燃烧个非预混燃烧的模型结构示意图。OPrins等计算结果表明裂解炉燃烧模型用非结构化网格模拟得到的压力场分布比用结构化网格模拟的结果更准确[6]。裂解炉的燃烧器尺寸与炉体尺寸差距较大[7]，故这里采用混合网格的划分方式进行网格划分，如图3所示，燃烧器的周围区域及裂解炉横跨段采用非结构化网格，炉体和炉膛区域采用结构化网格。全底烧供热裂解炉与联合供热裂解炉几何模型的网格数量分别为183万个和214万个，网格质量行列式检查时大于0.50，角度检查大于0.40，因此网格划分满足质量检查要求。

图2 全低烧供热模型结构示意图

图3 裂解炉模型网格划分

1.2 炉膛计算边界条件

计算时，联合供热情况下底部燃烧器与侧壁燃烧器的供热比例为85∶15，空气温度为353.15K,过剩空气系数为1.05；炉膛出口采用压力出口边界，炉管和炉墙均采用辐射和对流的混合壁面边界调节，燃料气及空气采用速度入口边界条件，具体如表1所示。

表1 入口边界条件

注：联合供热1为底部和预混侧壁燃烧器联合供热；联合供热2为底部和非预混侧壁燃烧器联合供热。

2 计算结果与分析

2.1 温度场分析

图4 联合供热1(a)、联合供热2(b)和全底烧供热(c)时燃气喷口面的烟气温度分布

图4为两种联合供热以及全底烧供热时底部燃气喷口面上烟气温度分布。由图4可见，联合供热1(侧壁非预混燃烧)燃烧室内的最高温度为2130K，联合供热2(侧壁预混燃烧)燃烧室最高温度为2210K，而全底烧最高温度为2300K,全底烧供热时烟气最高温度主要在炉膛下半段。另外，比较联合供热条件下燃烧室内温度场的分布可以看出，侧壁燃烧室的燃烧方式对底部燃烧器的燃烧具有显著影响，侧壁非预混燃烧时，底部燃烧器的燃烧更加充分，呈现长火焰燃烧，炉膛内温度分布的均匀性更好；而侧壁预混燃烧时，侧壁燃烧器以上部分呈现均匀性较好温度场，但燃烧室内整体呈现较大温差。

联合供热以及全底烧供热的底部燃气喷口中心线的温度曲线如图5所示，由图可见联合供热条件下侧壁燃烧器的燃烧提高了炉膛上半段的温度，侧壁非预混燃烧时在炉膛底部温度逐渐升高，在0.15 m处温度达到最高，在0.15～2.5m段温度较为稳定；侧壁预混燃烧时对底部燃烧器的流场有较小影响，在0.15 m处温度达到最高然后下降，在1.7m处温度最低1310K，然后快速升高，在2.8 m处温度达到最高2013K,此后随着炉膛高度的增加，烟气温度逐渐下降；全低烧供热时在0.2 m处温度达到最高2180K，此后随着炉膛高度的增加，烟气温度越来越低，在炉膛中部2.1 m处温度最低，此后烟气温度又逐渐升高。由于全低烧供热时底部燃烧器的燃气流量大于联合供热，故全低烧供热的燃气和空气速度更大，混合更充分，燃烧剧烈；侧壁非预混燃烧时燃烧室内的温度较为稳定、均匀性较好。侧壁预混燃烧时炉膛内的温度有小幅度的波动，炉膛内温度均匀性略差。

图5 联合供热1(a)、联合供热2(b)和全底烧供热(c)时燃气喷口面的烟气温度曲线变化

2.2 中心线上NO分布

图6 联合供热2(a)、联合供热1(b)和全底烧供热(c)时燃气喷口面的烟气温度分布

燃气喷口中心线上的NO质量分数分布如图6所示，由图可见侧壁非预混燃烧时，NO含量在0.3 m处开始逐渐增大，在1.2 m处达到7.00e-5，此后在2.15 m之前均保持7.00e-5

不变，此后由于侧壁燃烧器的燃烧使得NO含量经过少量降低后快速增加，在2.9 m位置达到最大值2.95e-04，此后开始快速降低，最后在出口位置为1.25e-4；侧壁预混燃烧时NO含量随着炉膛高度增加快速增加，在2.0 m处达到最大值1.85e-04,此后由于侧壁的预混燃烧NO含量快速降低，在2.4位置处降到最低后随着温度的升高而逐渐增加，在出口位置达到1.42e-4；全低烧供热条件下NO含量随着炉膛高度的增加而缓慢增加，在出口位置达到3.0e-4。由此可见全低烧供热时NO的生成量大于联合供热。

3 结论

(1)联合供热时侧壁燃烧器采用非预混燃烧时的温度场比采用预混燃烧时，温度场更均匀，炉膛下半段的温度变化较稳定,烟气中NO的生成量也增长缓慢且含量较少。由此可见炉膛温度均匀性越高，NO生成量越少。

(2)全低烧供热时底部燃烧器的燃气及空气速度比联合供热条件下大，故两者混合程度较好，燃烧更快速，炉膛内温度增长快速，且全低烧供热时炉膛内的平均温度高于联合供热。

(3)联合供热条件下侧壁燃烧器采用非预混燃烧和采用预混燃烧时，两者的燃烧结果差别较大，对于本裂解炉侧壁燃烧器采用非预混燃烧更节能、环保。

[1]袁霞光.乙烯裂解炉燃烧器技术进展[J]. 化工机械,2011(3):255-259.

[2]张 建,李金科. 裂解炉用低NOx燃烧器国内技术进展[J]. 化工机械,2012(6):681-685.

[3]苏 毅,揭 涛,沈玲玲,等. 低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展[J]. 工业锅炉,2016(4):17-25.

[4]刘 波,吴 雨,王元华,等. 低NOx工业燃气燃烧技术研究进展[J]. 化工进展,2013(1):199-204.

[5]周先锋. 数值模拟研究不同供热形式对裂解炉运行的影响[J]. 石油化工,2010(11):1221-1227.

[6]张朝环. 乙烯裂解炉内燃烧与裂解反应过程数值模拟[D]. 天津:天津大学,2008.

[7]Guihua H,Honggang W,Feng Q.Numerical simulation on flow, combustion and heat transfer of ethylene cracking furnaces[J]. Chemical Engineering Science,2011,66(8):1600-1611.