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。     

延迟焦化炉内湍流流动、燃烧和传热综合过程数值模拟

 在焦化炉综合模拟研究中，准确描述出炉膛内的燃烧和传热过程极其重要，采用分区耦合的计算方法，实现了对工业焦化炉从燃烧器、炉膛、炉管整体几何结构的完全仿真，并且对焦化炉内流动、燃烧和传热全部工艺过程进行了完全的真实模拟。计算得到了炉内流场，温度场，以及炉管表面热流密度分布的详细信息，揭示了焦化炉炉膛内流动、燃烧和传热过程的特性。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，是造成炉管管壁热流的非均匀分布的原因。     

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。     

燃油燃烧器出口液雾燃烧及NOx生成的数值模拟研究

针对燃油燃烧器出口液雾燃烧的气液两相湍流流动、液雾扩散和蒸发、气相燃烧和传热、气体和液雾以及燃烧装置之间辐射传热等过程,分别采用κ-ε模型、随机轨道模型、EBU-Arrhenius模型、离散坐标模型进行描述,发展了液雾燃烧综合计算模型,并对某炼油厂油气联合燃烧器燃油燃烧过程进行了全三维的数值模拟,得到了燃烧器出口流场、温度场、组分分布、火焰形状以及污染物NOx分布的详细信息,揭示了计算区域内流动、燃烧和传热过程的特点,计算结果与现场测量数据吻合。     

圆筒炉内燃烧器出口湍流流动和燃油燃烧的三维数值模拟

针对一现场运行圆筒炉内油、气联合燃烧器燃油燃烧过程进行了详细的数值模拟。其中，对燃烧器的复杂几何形状没有进行任何简化，实现了计算区域的结构化网格划分。在前人的研究基础上发展了计算燃油液雾燃烧过程完整的数学模型，对气相的湍流流动采用κ-ε模型，对液雾颗粒相的湍流流动采用随机轨道模型，对湍流燃烧采用EBU-Arrhenius模型，对辐射传热采用离散坐标模型。模拟计算成功地得到了燃烧器出口流场、温度场、组分分布以及火焰形状等详细信息，揭示了计算区域内流动、燃烧和传热过程特点。计算结果与现场测量数据吻合。     

延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧的数值模拟研究

利用数值模拟方法研究了炼油过程中延迟焦化管式加热炉内的流动和燃烧过程。计算中未作任何简化，实现了包括燃烧器和炉膛在内的复杂结构网格的划分，选用标准的κ-ε湍流模型、PDF扩散燃烧模型和离散坐标辐射传热模型，对炉内流动和燃烧过程进行了三维全尺寸的数值模拟，成功地计算出炉膛内的速率场、温度场和各组分的浓度场。该炉采用的燃烧器产生的扁平状火焰，可以均匀加热炉管中的流体，有利于反应的顺利进行。     

硫磺回收燃烧炉气体混合效果分析及其结构优化

现役旋流燃烧炉存在气体混合效果不理想,硫转化不完全的问题。为了提高燃烧炉的硫转化率,根据现役燃烧炉结构特点建立了燃烧炉三维实体模型,采用Realizablek-ε双方程湍流模型及EDC燃烧模型对炉内燃烧场进行了数值模拟,重点考察了高旋流装置下燃烧器内的气体混合效果及组分分布情况;在此基础上提出了增设外环酸气入口的结构改进措施。结果表明:现役高旋流装置对炉内H2S和SO2的二次混合不利,采用外环酸气入口对酸气进行分流可有效提高炉内气体混合效果,提高炉内燃烧稳定性,并起到节能、降耗的作用。     

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。     

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。     

常压加热炉辐射段耦合传热的数值模拟

 采用分区耦合的方法研究了某常压加热炉辐射段内的流动、燃烧和传热的全部工艺过程,并系统地分析了炉管表面温度和热强度分布。计算中,实现了燃烧器、炉膛、炉管整体几何结构的建模和网格划分,选用标准k-ε湍流模型、非预混燃烧模型和离散坐标辐射传热模型,将炉管黑度定为0.8,模拟得到了炉内的流场、温度场及炉管表面温度和热强度分布的详细信息。结果表明,底部燃烧器的高速射流在炉膛下部产生较大回流区,对炉膛下部烟气温度分布的均匀性至关重要;炉管管壁温度和热强度分布存在明显非均匀性,影响炉管使用寿命。炉膛温度及炉管管壁热强度模拟结果与常压炉测定数据和设计数据一致,证明了模拟计算的可行性和准确性,为常压炉的设计和优化提供理论参考。     

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。     

配风对管式加热炉内流动和燃烧过程影响的数值模拟

The tubular furnace is one type of heating equipmentused widely in petroleum chemistry, oil refining andchemical engineering. Flame and flue gas with hightemperatures produced by combusted gas or liquid fuelin the chamber will heat the fluid flowing withi…     

测试燃烧器放喷流动及燃烧特性数值模拟

针对气井测试大流量放喷时燃烧产生的高热辐射和噪声对人员及设备造成的危害问题,采用RSM湍流模型、简化的甲烷-氧气2步反应组分输运模型、离散坐标法辐射传热模型、宽频噪声及F-W-H噪声模型对页岩气测试燃烧器大流量放喷燃烧过程进行了数值模拟,考察了大流量放喷时放喷流场及噪声传播规律。分析结果表明:测试燃烧器放喷为扩散燃烧方式,燃烧效率较低,燃烧不完全易冒黑烟,同时扩散燃烧形成上浮火焰形态,火焰根部距离套筒出口较近,形成的高温热辐射使燃烧器本体受热变形而失效;燃烧器内放喷头径向喷孔流速过高导致高射流噪声,进而产生高燃烧噪声,严重威胁人员和设备安全;采用提高燃气和空气混合效果的预混燃烧方式,并合理设计喷孔流速可以抑制现有燃烧器缺陷。所得结果可为大流量测试放喷燃烧器结构改进提供理论指导。     

乙烯裂解炉内燃烧、传热与裂解反应的模拟计算

 为了揭示SL-II型乙烯裂解炉炉膛内燃烧与其反应管内石脑油裂解反应历程，对炉膛内燃烧、传热与反应管内裂解反应进行了综合模拟计算，得到了炉膛内烟气速度、组分分布、烟气温度分布及反应管内裂解反应历程。应用非预混燃烧模型及DO辐射传热模型进行炉膛内燃烧、传热的计算；采用分子反应模型预测反应管内石脑油裂解反应的产品分布。结果表明，底部烧嘴的高速射流引起炉膛内组分分布的较大变化，从而影响烟气温度分布。通过裂解产品及反应管壁温度模拟结果与烯烃厂测定数据的比较，证明了模拟计算的可行性，同时选出反应管壁高温区在管长的16~20m处。     

传统双面辐射焦化炉与阶梯式双面辐射焦化炉的对比研究

对传统的双面辐射焦化炉和阶梯式双面辐射焦化炉内烟气湍流流动、燃烧和传热过程进行了数值模拟研究。计算得到了炉内流场、温度场、炉管表面热流密度分布的详细信息,揭示了不同炉型焦化炉炉膛内流动、燃烧和传热过程的特性。计算结果表明通过采用直墙与斜墙组合的辐射室炉墙结构和附墙燃烧器燃烧方式,改善了炉膛内流场结构,一方面增强了炉管表面热强度分布的均匀性、防止局部过热、提高炉管平均热强度,另一方面辐射室传热效率有所提高,有利于焦化炉的节能。     

燃气组分变化对重整燃烧器燃烧过程及炭粒生成的影响

采用数值模拟方法对连续重整加热炉燃烧器的流动和燃烧过程进行研究,分别考察氢气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷五种不同的气体燃料对燃烧过程的影响,重点研究在燃烧不同气体燃料时的燃烧状况和火焰形状的变化情况及形成原因,同时考察燃气组分变化对炭粒生成的影响。结果表明,较轻的燃料燃烧迅速,具有较短的刚直火焰,辐射段出口烟气温度较低,燃烧充分,炭粒生成较少;较重的燃料与空气混合慢,火焰较长,辐射段出口烟气温度较高,未完全燃烧的燃料在很大区域存在,炭粒生成较多,并可能形成结焦。