乙烯裂解炉用圆形低NO_%28x%29燃烧器燃烧情况数值模拟.pdf

第 50 卷第 4 期化工机械化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304011乙烯裂解炉用圆形低 NOx燃烧器燃烧情况数值模拟刘韫砚毛小亮孙建兵渊天华化工机械及自动化研究设计院有限公司冤摘要以某裂解炉用圆形低 NOx燃烧器为例袁通过建立几何模型尧网格划分尧模型选取尧条件设置及迭代计算等过程运用 CFD 技术对炉内的燃烧情况进行了数值模拟袁并对计算结果进行了分析袁得到了炉膛内的燃烧流动和温度分布情况袁为低 NOx燃烧器的研发和设计提供依据遥关键词低 NOx燃烧器乙烯裂解炉燃烧情况CFD数值模拟中图分类号TQ052.7文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0505鄄06作者简介院刘韫砚渊1982-冤袁高级工程师袁从事压力容器设计尧计算流体动力学模拟的研究袁遥引用本文院刘韫砚袁毛小亮袁孙建兵.乙烯裂解炉用圆形低 NOx燃烧器燃烧情况数值模拟咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院505-509曰548.乙烯裂解炉是乙烯装置的核心设备之一袁炉内的燃烧情况决定着乙烯裂解炉的运行情况遥 近年来袁随着环保要求的提高袁燃烧器燃烧产生的污染物的排放标准越来越严格袁因此对燃烧器的设计及制造提出更高的要求遥 目前袁低NOx燃烧器已普遍应用于现役乙烯裂解炉中袁因此进一步开发新型低NOx燃烧器袁 实现低污染物排放已成为学者们重点关注的问题遥通常燃烧器的设计主要采用半经验方法院依据燃烧器的能力尧燃料组成尧压力和温度通过公式计算得到喷孔直径曰根据所需的火焰形状和热流密度布置烧嘴曰通过热态试验验证设计的合理性并加以修正袁经过多次反复修正和试验最终运用在实际装置中咱1暂遥 整个过程较为繁琐遥CFD是模拟流体流动尧 传热及其他附加的物理化学现象的工具咱2暂袁同样也适用于乙烯裂解炉内的燃烧模拟遥CFD数值模拟的优势在于院可以快速高效地进行多方案比较曰可以得到流场内各个位置上的基本物理量的分布情况曰相比于传统的试验方法可以极大地降低研发费用尧提高研发效率咱3暂遥以裂解炉为研究对象袁其圆形底部燃烧器为扩散式燃烧器袁采用燃料分级和烟气再循环的方法降低NOx排放量遥 该底部燃烧器可单独使用于裂解炉中袁也可与侧壁燃烧器联合使用遥 笔者运用CFD技术对炉内的燃烧情况进行数值模拟袁得到炉内的燃烧流动和温度分布情况袁 从而为低NOx燃烧器的研发和设计提供依据遥1前处理1.1几何模型采用通用三维建模软件建立几何模型袁 图1为底部燃烧器整体几何模型袁 图2为底部燃烧器烧嘴砖处的局部放大图遥 底部燃烧器共有8个喷头环绕于燃烧器外侧袁 每个喷头都包含1个一级喷孔和3个二级喷孔袁 烧嘴砖上有多个半圆形缺口用于稳定火焰袁空气从燃烧器底部进入袁先与一级喷孔中喷出的燃料在烧嘴砖内混合后富氧燃烧袁空气离开烧嘴砖后再与喷头上二级喷孔中喷出的燃料进行燃烧遥 为了简化模型方便计算袁建模时忽略了长明灯尧风门等辅助部件遥 图3为裂解炉整体的几何模型袁 本次共模拟了8台燃烧器在裂解炉内共同燃烧的情况遥505化工机械2023 年化工机械图1底部燃烧器整体几何模型图2底部燃烧器烧嘴砖处局部放大图图3裂解炉整体几何模型1.2网格划分将建好的几何模型导入专业的软件中进行网格划分袁 本次模拟采用ICE CFD软件对几何模型进行网格划分遥网格的优劣对计算结果的精准度影响较大遥由于计算机性能的限制袁 网格数量往往不能过多袁在有限的条件下需优化网格分布袁使几何形状突变处和关键部位的网格尽可能密集袁而相对形状规整的区域则可以适当减少网格遥 一台裂解炉往往包含几十个底部燃烧器和侧壁燃烧器袁由于裂解炉炉膛本身具有对称性袁 为了节省资源袁本次仅对8个底部燃烧器联合供热的情况进行模拟遥 模型大部分采用的是六面体网格袁六面体网格为结构化网格袁 数量及大小易于人为控制袁能够在形状突变处和关键区域增加网格数量袁在非关键区域减少网格数量遥由于燃烧器的复杂性袁网格是分块进行划分的遥 在炉膛与底部燃烧器之间尧燃烧器喷头与燃烧器之间采用四面体网格划分袁四面体网格的优势在于它是非结构化网格袁 可由电脑自动生成袁可以连接两个不同的六面体网格边界袁使网格节点一一对应袁但四面体网格数量和质量不易于人为控制遥 四面体网格与六面体网格之间有一层棱柱体网格过渡袁 用于连接两种不同的网格结构遥单个底部燃烧器的网格数为564 468个袁模型整体网格数为10 524 870个遥 图4为底部燃烧器烧嘴砖处网格划分情况袁 图5为喷头二级喷孔处的网格划分情况遥图4底部燃烧器烧嘴砖处网格划分图5喷头二级喷孔处网格划分506第 50 卷第 4 期化工机械化工机械1.3计算条件设置计算条件包括计算模型的选取和边界条件的设定咱4暂遥 本次模拟采用CFX商用软件袁软件中的计算模型是针对各种流动尧传热尧辐射模型设定的一系列计算程序袁对不同的燃烧流动情况需选取相适应的计算模型遥本次模拟采用的模型为甲烷空气反应模型渊Methane Air WD2冤袁同时考虑氢气与空气的反应模型渊Hydrogen Air冤袁流动模型采用k鄄着紊流模型袁燃烧模型采用有限速率漩涡耗散模型渊FiniteRate Chemistry and Eddy Dissipation冤袁辐射模型采用离散传播辐射模型渊Discrete Transfer冤遥边界条件设置为院底部燃烧器进口处分别给出燃料和空气的质量流量和温度曰炉膛出口给出负压平均值渊-25 Pa冤曰炉膛两侧端面设为对称面曰炉管表面给出温度沿高度方向的变化规律曰其余壁面默认设为绝热遥1.4NO生成模型NO生成机理有很多种袁如热力型尧快速型尧燃料型等遥 其中袁燃料型NO是由燃料中的HCN根分解得到的袁然而裂解炉用燃烧器使用的燃料一般为甲烷和氢气袁故无法生成燃料型NO遥 因此笔者主要介绍热力型NO和快速型NO的生成机理及湍流对NO生成的影响遥1.4.1热力型NOCFX中热力型NO生成机理涉及3个反应袁分别为O+N2寅NO+N 渊反应1冤尧N+O2寅NO+O 渊反应2冤尧OH+N寅NO+H 渊反应3冤袁3个反应的反应速率计算式分别为院k1=渊1.8伊1011冤exp渊-38370T冤k2=渊6.4伊109冤exp渊-3162T冤k3=3.0伊1013其中袁T为温度袁单位K遥热力型NO的生成速率主要受反应1的限制袁反应1生成的N会迅速参与反应2或反应3袁因此反应1完成1次后会迅速生成两份NO遥CFX中热力型NO总生成量SNO袁thermal表达式为院SNO袁thermal=WNOkthermal咱O暂咱N2暂其中袁kthermal为热力型NO的生成速率袁其值kthermal=2k1袁WNO为NO的摩尔质量袁咱O暂和咱N2暂分别为O和N2的摩尔浓度遥当采用有限速率漩涡耗散模型时袁O的浓度不能直接得出袁需考虑氧分子的分裂袁即12O2圳O袁由此可以得到院咱O暂=12567咱kmol1/2窑 m3/2窑 K1/2暂/T1/2=exp渊-31096 K/T冤咱O2暂1/2SNO袁thermal袁O2=WNOkthermal袁O2咱O暂1/2咱N2暂kthermal袁O2=4.52414伊1015咱m3/2窑 kmol-1/2窑 K1/2窑 s-1暂/T1/2exp渊69466K/T冤其中袁SNO袁thermal袁O2为采用有限速率漩涡耗散模型时热力型NO的总生成量袁kthermal袁O2为采用有限速率漩涡耗散模型时热力型NO的生成速率遥1.4.2快速型NO快速型NO是由CH根与氮气反应生成HCN袁随后HCN被氧化后所生成的遥 反应过程非常复杂袁 反应机理可简化为CH+N2寅HCN+N袁HCN+O2寅NO+噎CFX中快速型NO总生成量SNO袁prompt表达式为院SNO袁prompt=WNOkprompt咱O2暂1/2咱N2暂咱Fuel暂渊W/籽冤3/2kprompt=Apromptexp渊-TA袁prompt/T冤其中袁kprompt为快速型NO的生成速率曰咱Fuel暂为燃料的摩尔浓度曰W为混合物的平均摩尔质量曰籽为混合物密度曰系数Aprompt和TA袁prompt的取值与燃料有关袁当燃料为甲烷时袁Aprompt=6.4伊1061/s袁TA袁prompt=36510 K遥1.4.3湍流的影响当流体处于湍流状态时袁温度的波动对NO的生成速率有着显著影响遥 对于热力型和快速型NO袁其影响尤为明显袁因此温度的波动袁特别是正向波动会急剧增加NO排放遥 在CFX中袁运用统计学方法考虑温度的波动遥为了计算NO生成的平均速率袁运用假设的概率密度函数院资社=1Tu-TlTuTl乙资渊T冤 窑 P渊T冤dT其中袁咱Tl袁Tu暂为温度范围袁默认取值为300耀2 300 K袁 在实际应用时可将温度范围控制在物料进口温度和燃烧绝热温度之间曰函数P渊T冤较为复杂袁详细方程参见文献咱5暂曰资渊T冤为反应速率函数遥2迭代计算计算机模拟技术实质上是将求解方程中的连续问题离散成不连续问题袁 然后迭代计算求解遥 迭代计算方法包括有限差分法尧有限元法和有限体积法咱6暂遥 CFX采用基于有限元的有限体积法袁在有限体积法的守恒特性基础上袁吸收了有限元法的数值精确性遥 迭代计算由计算机完成袁507化工机械2023 年化工机械在计算过程中只需设置相应的计算方法尧计算步长袁观察计算曲线的走势袁调整参数使计算收敛即可遥3后处理3.1火焰形状及温度分布由于火焰形状无法用一个参数准确地表示袁因此在工程上往往取一氧化碳摩尔分数的等值面来表示袁当一氧化碳摩尔分数为某值时得到的火焰形状如图6所示遥 从图中可以看出袁底部燃烧器8个喷头喷射形成的火焰较为刚直袁 在炉膛壁面附近形成一个平行于炉管壁面的高温区域袁这样的火焰形状既有利于高温区域向炉管辐射热量袁同时还不会发生火焰接触炉管而将炉管烧坏的情况遥图6火焰形状图7为炉膛内两个方向上的温度分布情况袁可以看出袁 炉膛内高温区域集中在火焰燃烧区袁在远离火焰区域温度较均匀遥图7炉膛温度分布云图3.2流场及速度场图8尧9分别为炉膛内的流场和速度场遥 可以看出袁底部燃烧器喷孔中燃料高速喷出袁在炉膛壁面同炉管之间形成了回流区袁炉膛内的烟气被带动不断循环袁 回流的烟气从底部燃烧器烧嘴砖回流通道重新进入燃烧区袁与燃料气混合袁有利于降低火焰区域的温度袁从而降低了NOx的排放量遥图8炉膛内的流场分布图图9炉膛内的速度场分布图3.3炉膛内烟气浓度分布一氧化碳为燃烧的副产物袁其在炉膛中的浓度能反映出炉膛内的燃烧是否完全遥 图10为炉膛图10一氧化碳含量分布图508第 50 卷第 4 期化工机械化工机械中CO含量的分布情况袁可以看出袁火焰区域CO浓度较高袁远离火焰区域浓度快速降低袁在炉膛顶部出口处浓度极小渊摩尔分数仅为2.3伊10-7冤袁炉膛内燃烧完全遥 图11为炉膛内氧含量的分布情况袁可以看出袁氧气在燃烧区域快速消耗袁由于计算时设置了10%的过剩空气量袁 因此在炉膛出口处仍有1.8伊10-2渊摩尔分数冤的氧气剩余遥图11氧含量分布图3.4辐射强度曲线和NOx排放量燃烧器的排布及结构形式的调整都是为了能够给炉管提供更均匀的热量分布袁炉管主要依靠火焰辐射传热的方式被加热袁均匀的辐射强度分布能够延长炉管的使用寿命和减少结焦的形成袁有利于延长裂解炉的操作周期遥 图12是在炉管表面处做出的辐射强度随炉膛高度的变化曲线遥 由于本次模拟仅采用了底部燃烧器袁因此辐射强度较高的区域集中在炉膛的中下部袁可以看出袁在靠近炉管面附近辐射强度沿炉膛高度方向分布均匀度在80%以上袁 燃烧器辐射加热炉管的效果良好遥图12辐射强度随炉膛高度的变化曲线4结果对比分析为了验证CFD模拟结果的准确度袁在试验炉内进行了两台底部燃烧器联合供热的热态试验遥CFD模拟得到的NOx排放量略小于热态试验和工程应用的实测值袁这是由于模型中仅考虑了燃料为CH4时的热力型尧 快速型NOx的生成情况袁而在试验和工程应用中还有少量的H2等燃料袁这些额外燃料的燃烧会影响炉膛内温度的波动及炉膛内绝热温度的大小袁 如需使NOx模型更接近实际情况袁可适当调整模型中热力型尧快速型NOx生成方程中的反应速率参数袁另外也可调整概率密度函数中的温度积分范围袁使其更加接近真实情况遥5结束语笔者采用CFD模拟软件袁模拟了某裂解炉内8个圆形底部燃烧器联合燃烧的情况袁得到了炉膛内的燃烧流动和温度分布遥 模拟结果与试验及工程应用结果吻合较好袁证明了模型选取和参数设置是合适的遥 通过对计算结果的分析可以判断燃烧器的选型是否正确袁 喷头的空间布置是否合理袁喷孔的大小及角度是否合适袁通过调整以上几个参数可以达到优化燃烧器设计的目的遥 本次模拟研究的燃烧器具有一定的代表性袁模拟计算方法和结果可为燃烧器的研发和设计提供一定的依据遥参考文献咱1暂王松汉.乙烯装置技术与运行咱M暂.北京院中国石化出版社袁2009院437.咱2暂CHARLES E袁BAUKAL J R.Industrial burners handbo鄄ok咱M暂.Boca Raton院CRC Press袁2004.咱3暂高云忠袁李金科袁刘韫砚袁等.CFD技术在乙烯裂解炉燃烧器研发过程中的应用 咱J暂.化工机械袁2009袁36渊4冤院355-359.咱4暂吴德飞袁何细藕袁孙丽丽袁等.乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算咱J暂.石油化工袁2005袁34渊8冤院749-753.咱5暂ANSYS Inc.ANSYS CFX鄄Solver Theory Guide 咱EB/OL暂.2006院252-258.http:/.咱6暂王福军.计算流体动力学分析要要要CFD软件原理与应用咱M暂.北京院清华大学出版社袁2004院24-26.渊收稿日期院2022-08-23袁修回日期院2023-07-13冤渊下转第 548 页冤509化工机械2023 年化工机械Numerical Simulation of Combustion Condition of Low NOxCircularBurner in Ethylene Cracking FurnaceLIU Yun鄄yan,MAO Xiao鄄liang,SUN Jian鄄bing渊Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.袁Ltd.冤AbstractThrough taking an ethylene cracking furnace爷s low NOxcircular burner as an example,and estab鄄lishing the geometric model,dividing meshes,choosing control equations,setting boundary conditions and im鄄plementing iterative calculation and applying CFD technologies,the combustion of the low NOxcircular burnerin the furnace were simulated.Analyzing the results of the simulation shows that,both fluid flow and tempera鄄ture distribution within the hearth can be obtained to provide the basis for both development and design of thelow NOxburner.Key wordslow NOxburner,ethylene cracking furnace,combustion condition,CFD,numerical simulationTemperature Field Analysis and Optimization of Structural Parameters inCountercurrent Quench TowerMAO Yu,HU Xin鄄sheng,WANG Bin,SUN Mao鄄wei渊Naval Aviation University Qingdao Campus冤AbstractThe temperature uniformity index Tu=1-r渊r is the ratio of the absolute value of the temperaturedifference to its average temperature冤 was defined to analyze the temperature field.Based on this index,thetower structure under different operating conditions was optimized and calculated.As for the tower crosssection爷s temperature from 0.95T to 1.05T 渊T is the thermal equilibrium outlet temperature冤 and basically鄄achieved cooling purpose,the minimum tower height that meeting temperature uniformity requirement wastaken as the effective height.In each case,multiple sets of tower diameters were modeled for calculation toseek their respective effective heights and the smallest inner wall surface area was taken as the optimal so鄄lution so as to obtain the optimized structural parameter table and prediction correlation under different op鄄erating conditions.The results show that,the tower忆s optimal inner diameter and inner wall surface area de鄄crease with the increase of the gas鄄liquid pressure ratio of the spray gun,and it shows a monotonous de鄄creasing trend.Key wordsquench tower,temperature uniformity,structure optimization,gas鄄liquid pressure ratio,predic鄄tive correlation渊6冤院78-81.咱8暂付祥钊袁蒋斌袁王勇袁等.内混式扇形空气雾化喷嘴参数分析咱J暂.重庆大学学报袁2010袁33渊3冤院87-91.咱9暂LIU K袁YU Y G袁ZHAO N.Experimental Study and Nu鄄merical Simulation on Spray Characteristics of New鄄Type Air鄄Assist Nozzle咱J暂.哈尔滨工业大学学报渊英文版冤袁2016袁23渊1冤院34-40.咱10暂盛锴袁马增益袁王飞.烟气急冷塔内流场和温度场以及SO2吸收的CFD模拟咱J暂.能源工程袁2008渊3冤院40-43.咱11暂王超袁仇性启袁张海平.急冷器内错流射流场的数值模拟咱J暂.化工机械袁2010袁37渊6冤院740-743.咱12暂詹仕巍袁虞斌.急冷塔内喷雾蒸发过程的数值模拟咱J暂.轻工机械袁2017袁35渊6冤院87-91曰96.咱13暂毛宇袁黄卫星.急冷塔传热过程模拟及结构优化咱J暂.化工设备与管道袁2020袁57渊4冤院29-32.渊收稿日期院2022-06-28冤渊上接第509页冤548