乙烯裂解炉辐射段流动、传热和燃烧数值模拟研究进展

介绍了乙烯裂解炉辐射段流动、传热和燃烧数值模拟研究的发展过程,对湍流模型、模型建立和网格生成、辐射传热模型及湍流燃烧模型的研究历程进行了系统的回顾,对裂解炉管外流动、传热和燃烧数值模拟方法今后研究的方向及重点提出了建议。     

乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算

采用计算流体力学方法以某种新型乙烯裂解炉辐射段为几何模型,保留特殊结构的瓦斯燃烧器原型未作简化,对计算域进行几何建模和网格划分,用标准的k-ε湍流模型、双δ概率密度函数扩散燃烧模型和蒙特卡洛辐射传热模型对炉内的燃烧和辐射状况进行三维全尺寸数值计算,以研究炉膛内的燃烧、传热和烟气流动情况。计算得到的流场合理,火焰形状和温度分布与实际吻合良好,说明对裂解炉辐射段的数值模拟计算是成功的。该模拟计算为指导燃烧器选型、优化设计裂解炉结构提供理论参考。     

裂解炉数值模拟技术进展

管式裂解炉作为石油化工的龙头装置,对其进行准确详尽的模拟是不断改进其性能的重要前提,裂解炉数值模拟技术在裂解炉的设计和操作优化方面起着越来越重要的作用。分别针对裂解炉的辐射段管内反应过程、炉膛内燃烧及传热过程和对流段热量回收过程的数值模拟进展进行了综述,同时对裂解炉数值模拟技术的发展方向进行了展望。     

乙烯裂解炉内传递和反应过程综合数值模拟研究Ⅲ.炉膛内燃烧和传热过程的数值模拟

在乙烯裂解炉综合模拟研究中，准确地描述炉膛内燃料燃烧和辐射传热过程极其重要。笔者采用乙烯裂解炉传递反应过程综合数学模型中的炉膛数学模型，对工业裂解炉炉膛中的流动、燃烧和传热过程进行了系统的数值模拟，得到了流场、浓度场和温度场等详细信息，揭示了炉膛内流动、燃烧和传热过程的基本特点。模拟结果表明，炉膛中存在着流动、燃烧反应与传热的不均匀分布，是造成反应管管壁热通量的非均匀分布的原因。     

含扭曲片乙烯裂解炉管内流场的数值模拟

 基于网格生成法，采用计算流体力学对含扭曲片的乙烯裂解炉管内强化传热的流场(流速、压降和阻力损失)进行了数值模拟，并分析了扭曲片扭曲比对流场的影响。结果表明流体流经扭曲片，切向速度迅速增大；流出构件后，切向流速沿轴向逐渐变小，而沿径向逐渐增大。在管径方向存在一个轴向速度等于整个截面平均轴向速度的点。管内总压降及扭曲片局部压降均随雷诺数增大而增大，不随管径变化而变化。管内平均阻力系数与雷诺数呈线性关系，随雷诺数增大而变小；扭曲片局部阻力损失随雷诺数的增大而迅速增大，随管径减小而增加。扭曲比对管内流场有影响，较佳的取值范围为2.4~2.6。     

采用数值模拟研究不同供热形式对裂解炉运行的影响

利用计算流体力学Fluent软件,选择标准k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散燃烧模型和P1辐射模型等计算模型,对全部由底部燃烧器供热(简称全底烧供热)和由底部和侧壁燃烧器联合供热(简称联合供热)的工况进行三维数值模拟计算,得到了底部燃烧器喷口面、炉管位置中心面、横跨段出口面烟气温度分布以及炉管管壁温度分布和烟气组成分布的数据。模拟计算结果表明,全底烧供热时炉膛底部形成高温区,炉膛上部温度低;联合供热时在炉膛上方采用侧壁燃烧器补充热量,炉膛烟气温度场比全底烧供热更加适合于管内的烃类裂解反应,联合供热时炉管管壁温度分布优于全底烧供热;全底烧供热时横跨段出口面烟气温度平均值高于联合供热。     

乙烯裂解炉内传递及反应过程综合数值模拟Ⅰ.数学模型的建立

分析了裂解炉反应管内原料的流动、传热、传质和裂解反应以及炉膛内燃料燃烧、烟气流动和传热等复杂过程。以流体力学的基本微分方程为基础，考虑了流体的湍流流动，结合王宗祥等建立的轻烃裂解制乙烯动力学模型、扩散火焰燃烧模型和离散坐标辐射传热模型，建立了乙烯裂解炉内传递及反应过程的综合数学模型。并且给出了模型求解时的边界条件和相应的数值计算方法。     

乙烯裂解炉辐射段炉管失效分析

针对裂解炉辐射段炉管的泄漏事故,通过对失效辐射段炉管的宏观形貌、化学成分分析、金相分析、机械性能测试等方法确认辐射段炉管的失效原因,并提出改进措施以避免类似的事故再次发生.     

乙烯裂解炉内传递和反应过程综合数值模拟Ⅱ.反应管内传递和反应过程的数值模拟

采用乙烯裂解炉传递反应过程综合数学模型中的反应管数学模型，对工业裂解炉反应管进行了系统的数值模拟，得到了反应管内流场、温度场和浓度场的详细信息，揭示了反应管内流动、传热、传质和裂解反应的基本特点。模拟结果表明，沿反应管轴向油气吸热升温，裂解反应加剧，产物产率逐渐发生变化；沿反应管径向存在明显的流体流速和温度的变化，而产物产率的变化不如流体流速和温度的变化明显。通过比较湍流粘度和分子粘度的大小，认为29．975～30mm的径向区域为层流层，层流层的存在使得临近管壁的区域内流体流速和温度变化显著。     

裂解炉炉膛流动及传热状况的数值模拟

以计算流体力学软件为工具,采用合适的燃烧模型和湍流模型,对乙烯裂解炉炉膛燃烧中的烟气流动分布和温度分布进行数值模拟,得到乙烯裂解炉炉膛中的流场和温度场等详细信息,揭示了炉膛内烟气流动、燃烧和传热过程的基本特点。模拟结果表明,烟气在底部烧嘴的射流核心区周围形成回流,沿着燃料气的射流方向,烟气的流速分布趋于平坦,回流现象消失;炉膛各方向上烟气温度分布不均匀,在炉膛的中部出现了炉膛的高温区域;烧嘴位置的不同造成炉管周向存在温度差异。     

Estimating the Operation Status of Steam Cracking Furnace Using Numerical Simulation with Combustion Models

An accurate and complete geometric model was constructed to simulate the combustion, flow and temperature environment in the radiant section of the steam cracking furnace. Simulation of flow and radiation status has utilized the standard k-ε model and P1 model. The finite-rate/eddy-dissipation (finite-rate/ED) combustion model and non-premixed combustion model were both used to simulate accurately the combustion and the operation status of the steam cracking furnace. Three different surfaces of the steam cracking furnace were obtained from the simulation, namely:the flue gas temperature field of the entrance surface in long flame burners, the central surface location of tubes, and the crossover section surface. Detailed information on the flue gas temperature and the mass concentration fraction of these different surfaces in the steam cracking furnace can also be obtained by the simulation. This paper analyzed and compared the simulation results with the two combustion models, estimated the operation status of the steam cracking furnace, and reported that the finite-rate/ED model is appropriate to simulate the steam cracking furnace by comparing key simulation data with actual test data. This work has also provided a theoretical basis for simulating and operating the steam cracking furnace.     

大型裂解炉用底部燃烧器的国产化研发

针对大型裂解炉用底部燃烧器对火焰形状、火焰刚性、热通量分布和NOx排放的要求,利用燃料分级原理,结合喷嘴和配风方面的研究确定了燃烧器的结构型式;通过多方案流体动力学模拟计算对燃烧器的结构进行改进,同时通过热态试验验证了燃烧器的污染物排放、热通量分布等性能,最终开发出具有自主知识产权的大型裂解炉用底部燃烧器。在1 Mt/a乙烯装置裂解炉的工业应用结果表明,裂解炉内燃烧完全,火焰扁平刚直,运行55 d时管壁最高温度为1 044℃,NOx排放量为127mg/m3(标准状态),燃烧器的性能完全满足裂解炉的工艺要求及环保要求。     

乙烯裂解炉非均匀传热对裂解产物收率的影响

 采用计算流体力学（CFD）的方法,对 KTI 公司GK-V型乙烯裂解炉的炉膛流动传热和炉管的裂解反应进行数值模拟。采用炉管壁面热通量和温度为边界条件的耦合方法进行炉膛与炉管的求解,分析各炉管壁面传热以及管内产物收率的差异。结果表明,数值模拟实验值与工业数据吻合较好;裂解炉炉管在炉膛中的非均匀传热影响了每根炉管管壁的传热以及管内的主要产物收率;计算结果可以为炉管在炉膛中的合理分布、燃烧器的位置安排以及炉膛的尺寸等结构改进提供参考依据。     

大型燃气乙烯裂解炉燃烧过程的优化模拟

采用CFD-FLUENT软件建立了乙烯裂解炉炉膛模型,并按照裂解炉实际运行工况,将内燃机清洁燃烧概念,即富氧和烟气再循环引入到炉膛燃烧计算中,计算不同富氧率下燃料气体的放热量和不同烟气再循环率下NO_x的分布。结果表明,使用烟气再循环可以有效降低NO_x排放,但对燃料燃烧温度以及燃料燃尽率有影响,而利用富氧燃烧可以提高炉内燃料的燃烧放热量,但却增加NO_x排放,而使得锅炉排放恶化;采用适宜的富氧率和烟气再循环率,可以达到节能减排的目的。     

裂解炉数学模拟新方法

1. Introduction Thermal cracking of hydrocarbons for olefinproduction is normally carried out in long reactor tubessuspended in a large gas fired furnace. Many complexfluid dynamic phenomena occur in the thermal crackingfurnace, including mass transfer,…     

乙烯裂解炉辐射炉管施工技术

乙烯裂解炉辐射炉管的施工比较复杂,文章结合吉林石化分公司15万t／a乙烯装置节能改造项目的施工实践,介绍了辐射盘管系统施工的准备工作、辐射盘管组装顺序、集管箱开孔及组焊、猪尾管预制安装、辐射盘管吊装等方面的施工经验。