基于數值模擬的新型重整爐開發

張和香

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

催化重整是我國煉油工業生產高辛烷值汽油組分和輕質芳烴的主要裝置。2013年10月20日，世界上首套采用逆流連續技術的催化重整裝置——中國石化濟南分公司60萬t/a逆流連續重整裝置，完成了開工投產的最后一步“催化劑白燒”，一次投產成功。該裝置的成功投產標志著世界上誕生了一種新的連續重整工藝技術，使中國石化成為世界上繼美國UOP和法國Axens之后，擁有完全自主知識產權和獨立商業運作權的連續重整技術的又一新公司，使我國的催化重整工藝技術水平跨入國際先進行列。在逆流連續重整工藝技術的發展過程中，開發具有中國石化工程建設有限公司(簡稱SEI)技術特點，并匹配該新工藝技術的新型重整加熱爐具有其必要性。開發新爐型，必須分析結構的改變對加熱爐燃燒和傳熱性能的影響。重整加熱爐內流動、燃燒和傳熱過程是包括煙氣湍流流動、燃燒反應和熱傳遞的復雜過程。近年來，隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)的飛速發展，數值模擬成為了研究上述復雜過程的新方法【1】。本文主要采用該方法， 對不同爐型重整爐輻射室內流動、 燃燒及傳熱過程進行了數值模擬， 分析比較了兩爐型重整爐內煙氣流動、 燃燒和傳熱綜合過程的特點和差異。

1 數學模型

重整加熱爐內流動、燃燒和傳熱過程用氣體燃燒基本方程組來描述。本文在計算中對于湍流模型采用標準κ-ε模型【2】，燃燒模型采用簡化的快速反應擴散燃燒模型，輻射模型采用離散坐標法【3-4】。

2 幾何模型與邊界條件

2.1 幾何模型

計算對象一為某100萬t/a連續重整裝置4合一重整加熱爐(F-201～F-204)的第2個加熱爐(F-202)，爐底設置3排燃燒器，輻射室1組輻射盤管倒U形排布。為減少計算量，采用合理的對稱邊界條件，計算模型選取重整加熱爐輻射室部分區域，具體的結構示意見圖1(a)。計算對象二[見圖1(b)]為SEI開發的新型重整加熱爐，與傳統重整加熱爐相比，其結構特點為在輻射室中心增加氣墻，中心一排燃燒器改為氣墻兩側各布置1排，故爐底共有4排燃燒器，爐管根數與傳統重整加熱爐一致【5】。

圖2為2爐型截面示意，z為寬度方向過燃燒器中心截面。y=1 m、y=3 m、y=5 m和y=8 m 為輻射室不同高度截面。

圖1 重整加熱爐結構示意

圖2 重整加熱爐截面示意

2.2 邊界條件

在計算中對燃料氣和空氣入口采用速度入口邊界，其速度值和溫度值根據重整爐工藝計算結果確定。輻射室出口采用壓力出口邊界。壁面采用標準壁面函數。壁面條件中，爐管壁面根據工藝計算結果確定為溫度壁面；燃燒器火道、輻射室立墻和爐底均假設為絕熱壁面。

3 計算結果及分析

3.1 速度場

圖3為兩爐寬度方向截面速度分布云圖比較。從圖3中可以看出，輻射室內煙氣流場主要受高速燃料射流影響，沿輻射室高度方向，隨燃料射流的擴展，煙氣速度逐漸減小，輻射室上部煙氣流場更加均勻。爐型1兩側燃燒器出口高溫煙氣向輻射室中心偏流，主要是由于中間燃燒器發熱量大，其出口高速燃料射流形成的回流區對煙氣的擾動較大，而兩側燃燒器發熱量小，其出口高速燃料射流形成的回流區對煙氣的擾動較小，導致兩側高溫煙氣向中間偏流，造成爐管吸熱的不均勻性。爐型2的4排燃燒器功率相等，高速燃料射流形成的回流區對煙氣的擾動相同，從而不會發生煙氣偏流。

3.2 溫度場

對于工業加熱爐而言，最重要的參數就是其內部溫度的分布。圖4為兩爐寬度方向截面溫度分布云圖比較。從圖4中可以看出，高溫煙氣區域主要集中在輻射室下部約3 m區域內，沿輻射室高度方向，隨著高溫煙氣流場的發展，煙氣溫度分布也更加均勻。爐型1溫度分布與煙氣流場相對應，兩側燃燒器出口高溫煙氣向輻射室中心偏流，火焰偏斜，加劇上、下部爐管吸熱不均。但由于爐型1中間燃燒器發熱量大，火焰較高，降低了整個輻射室高度方向上溫度分布梯度，有利于爐管表面熱強度沿爐管高度方向分布的均勻性。爐型2燃燒器放熱量均較小，火焰均較短，使得輻射室高度方向上溫度分布梯度相對增大，會導致爐管沿高度方向上表面熱強度不均勻性增加。

圖3 z截面局部速度云圖

圖4 z截面溫度分布

圖5～圖8為輻射室不同高度截面的溫度分布云圖。從圖5～圖8中可以看出，高溫區域主要集中在輻射室下部燃燒反應劇烈進行的區域。沿高度方向隨著燃料射流與空氣混合擴展，燃燒火焰高溫區域逐漸變寬，溫度逐漸降低，燃燒反應逐步完成。比較來看，在同一高度截面上，爐型2溫度場分布較爐型1更加均勻。

圖5 y=1 m截面溫度分布

圖6 y=3 m截面溫度分布

圖7 y=5 m截面溫度分布

圖8 y=8 m截面溫度分布

3.3 爐管表面熱強度分布

圖9為兩爐型爐管表面熱強度分布云圖。從圖9中可以看出：與煙氣流場和溫度分布相對應，爐管下部與燃燒器火焰對應的區域，爐管表面熱強度高；爐管上部與相對均勻的高溫煙氣對應的區域，爐管表面熱強度低，且分布更加均勻。比較來看，爐型1爐管表面熱強度沿爐管高度方向的分布較爐型2更加均勻，這是由于爐型1中間燃燒器發熱量大，火焰較高，降低了整個輻射室高度方向上的溫度分布梯度。

圖10(a)～圖10(f)為爐管不同高度處徑向各點(沿爐管圓周方向0°、90°、180°、270°取4個點)爐管表面熱強度與平均熱強度的相對偏差。從圖10(a)～圖10(f)中可以看出，在絕大部分爐管高度處，爐型2爐管表面熱強度沿圓周方向上的分布較爐型1更為均勻，有利于防止爐管由于圓周方向受熱不均而產生變形，保證加熱爐的安全穩定運行。

圖9 爐管表面熱強度分布

圖10 爐管不同高度處徑向各點爐管表面熱強度與平均熱強度的相對偏差

4 結論

通過對重整加熱爐兩爐型輻射室內流體流動、燃燒反應和傳熱過程的數值模擬，得到了輻射室內煙氣流場、溫度場以及爐管表面熱強度分布的詳細信息，分析比較了重整加熱爐兩爐型輻射室內流動、燃燒和傳熱綜合過程的特點。

1) 傳統重整加熱爐內高溫煙氣出現偏流，易造成爐管吸熱的不均勻性。新型重整爐中間增加氣墻，氣墻兩側分別布置發熱量相同的燃燒器，使爐管直管段兩側火焰對稱分布，不易引起煙氣偏流，有利于爐管的均勻吸熱。

2) 傳統重整加熱爐中間大負荷燃燒器控制范圍內，沿整個輻射室高度方向溫度梯度相對較

小，有利于爐管高度方向上的均勻受熱；但在同一高度截面，新型重整爐溫度分布較為均勻，有利于爐管圓周方向的均勻受熱。

3) 對于爐管表面熱強度分布，沿高度方向，傳統重整加熱爐較新型重整加熱爐分布更為均勻；沿圓周方向，新型重整加熱爐較傳統重整加熱爐分布更為均勻。爐管圓周方向表面熱強度分布均勻，有利于防止爐管由于圓周方向受熱不均而產生變形，保證加熱爐的安全穩定運行。

4) 計算結果為新型重整加熱爐的進一步研究和優化提供了幫助，指明了方向。新型重整加熱爐有效提高了圓周方向上的煙氣溫度和爐管表面熱強度分布的均勻性，下一步優化方向應嘗試改變燃燒器類型，進一步解決高度方向上的煙氣溫度和爐管表面熱強度的分布不均勻性。