渣油加氫裝置階梯型反應進料加熱爐模擬分析

李春亮，段振亞

（1.中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071；2.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061）

固定床渣油加氫工藝技術是國內煉油廠應對石油資源重質化挑戰的重要舉措，該工藝中使用的渣油加氫反應加熱爐主要負責為油品升溫提供熱量［1-4］。傳統渣油加氫反應加熱爐為雙面輻射結構，爐側壁為垂直結構，近年來很多新建渣油加氫反應加熱爐為階梯型雙面輻射結構［5-11］。本文利用計算流體動力學方法(CFD)，對階梯型渣油加氫反應進料加熱爐進行溫度場和流場模擬，根據數值模擬結果分析并對比爐墻傾斜角度對加熱爐溫度場和流場的影響，以期為工程設計的優化提供參考。

1 渣油加氫反應進料加熱爐概況

某公司2.4×106t/a渣油加氫裝置階梯型反應進料加熱爐有4個結構相同的輻射爐膛。單個爐膛長15 188 mm，寬 2 888 mm，高 10 700 mm。每個爐膛有16臺附墻燃燒器，分2側布置，每側分配8臺。相鄰2臺燃燒器沿側墻方向的間距為1700mm，爐管尺寸為 φ177.8mm×19mm×13400mm，共16排，爐管中心距為355.6 mm，其中底部爐管中心距離爐底600 mm。

2 單爐膛建模及邊界條件設置

2.1 結構模型

以單爐膛為研究對象，兼顧其結構的對稱性和計算的簡便性，選取單爐膛半邊進行分析，將燃燒器簡化為爐底空氣出口和燃料出口，得到的加熱爐單爐膛1/2簡化模型見圖1。

圖1 反應進料加熱爐單爐膛1/2簡化模型

2.2 數學模型

針對加熱爐整體的燃燒和傳熱特別復雜、爐膛內燃燒傳熱與爐管內介質耦合緊密以及耦合計算收斂難度大的具體情況，將加熱爐模型分為爐膛區域和爐管介質區域，采用區域耦合方法［12］將2個區域協調計算，得出2區域截面相同的溫度和熱強度分布，從而實現間接的耦合。

爐膛區域采用氣體燃燒基本方程組描述，主要有連續性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程，計算模型采用k-ε湍流模型、P1輻射模型以及簡化的快速反應擴散燃燒模型［13-15］。

爐管介質區域采用連續性方程、動量方程和能量方程，計算模型采用k-ε湍流模型、混合多相流模型。鑒于該加熱爐渣油氣化率變化小，為簡化計算，不考慮渣油氣化，整個過程按照入口氣化率考慮。

2.3 邊界條件

爐膛區域內，燃料氣和助燃空氣設置為質量入口，燃料質量流量為0.105 5 kg/s，燃料溫度為40℃；空氣質量流量為1.713 5 kg/s，空氣溫度為508℃。燃料氣為混合物，其組成見表1。爐膛出口采用壓力邊界，出口壓力為-25 Pa，爐墻和爐管管壁采用標準壁面函數。爐墻采用對流傳熱表面，對流傳熱系數選取 10 W/（m2·K），外界溫度取27℃，爐膛保溫層厚度250 mm，傳熱系數按陶瓷纖維模塊考慮，爐管外壁為分區耦合計算的耦合邊界，其溫度和熱強度分布由爐膛區域和爐管區域耦合計算得出。

表1 燃料氣組成 %

爐管介質（渣油）區域內，入口設置為質量入口，渣油總質量流量為12.393 kg/s，其中氣相質量分數為0.130 63，入口溫度為354℃。被加熱介質為渣油，渣油密度、黏度等性質數據采用多段線性差值描述，比焓采用多項式描述，介質出口采用壓力邊界，爐管壁面采用標準壁面函數，同樣也是分區耦合計算的耦合邊界。

3 反應進料加熱爐模擬計算結果與分析

3.1 流場

3.1.1 煙氣流線

階梯型反應進料加熱爐煙氣速度流線分布云圖見圖2。

圖2 階梯型反應進料加熱爐煙氣速度流線分布云圖

由圖2可以看出，煙氣在爐膛內部的流動不是簡單的直接排到爐外，而是以漩渦的狀態流動。該漩渦將高溫煙氣帶到低溫區域，從某種程度上講，漩渦攪動爐膛煙氣，促進了爐膛溫度的混合，使之分布更均勻。

3.1.2 截面速度矢量

反應進料加熱爐爐膛中間端截面的速度矢量分布云圖見圖3。

圖3 反應進料加熱爐爐膛中間端截面速度矢量分布云圖

從圖3可以看出，煙氣沿著爐壁向上流動，到達傾斜側面時，一部分煙氣流出爐膛，其余煙氣轉向沿著爐管向下流動，從而在中間端截面形成2個大的對稱漩渦，該漩渦將爐頂高溫煙氣帶到爐底區域，有利于爐膛溫度均勻化。

反應進料加熱爐爐膛側截面的速度矢量分布云圖見圖4。

圖4 反應進料加熱爐爐膛側截面速度矢量分布云圖

從圖4可以看出，到達傾斜側面的煙氣，一部分如圖3所示流向爐管和流出爐膛，其余煙氣水平流動到端墻，沿著端墻轉而向下流動，而后流向爐底，最后在爐膛中間匯集后向上流動，即在中間側截面形成2個大的對稱漩渦。

3.1.3 流場總體特征

通過圖2～圖4可以看出，燃料和空氣從燃燒器噴出后，在階梯爐爐膛內形成漩渦?？傊瑺t膛存在兩兩對稱、兩兩垂直的多個漩渦，此漩渦攪動爐膛煙氣，使得高溫煙氣流向低溫區，對爐膛溫度均勻化有積極作用。

3.2 溫度場

反應進料加熱爐爐膛不同位置截面溫度分布云圖見圖5。從圖5可以看出，火焰沿著爐墻分布，火焰及爐膛中上部為煙氣高溫區，底部為低溫區，與實際相符，爐頂溫度為685℃。

圖5 反應進料加熱爐爐膛不同位置截面溫度分布云圖

3.3 管壁溫度

反應進料加熱爐爐管溫度分布云圖見圖6。從圖6可以看出，溫度沿著高度方向降低，爐管入口處最低，爐管出口處最高，溫度介于408.5～443.4℃，平均溫度424℃。此結果比加熱爐通用工程核算軟件FRNC-5計算的范圍430～462℃更保守，這是因為FRNC-5根據實際情況考慮了一定的污垢系數，導致計算的爐管外壁溫度更高。

圖6 反應進料加熱爐爐管溫度分布云圖

3.4 爐管熱強度

反應加熱爐爐管熱強度分布云圖見圖7。從圖7可以看出，熱強度沿著高度方向增大，爐管入口處最高，爐管出口處最低，熱強度介于24 638～43 296 W/m2，平均熱強度31 270 W/m2。由于爐膛頂部煙氣溫度較高，而介質溫度偏低，因此熱強度偏大;而爐膛底部煙氣溫度較低，介質溫度偏高，因此熱強度偏低。

圖7 反應進料加熱爐爐管管壁熱強度分布云圖

4 爐墻角度對反應進料加熱爐流場及溫度場影響

4.1 結構建模

目前階梯型加氫反應進料加熱爐爐膛雙面輻射結構按側墻結構特征分為2種，第1種側墻下部垂直（90°），第 2種側墻從底部開始傾斜，一般角度在 85°～87°。按照側墻傾角 90°和 85°對上述2種結構建模，見圖8。

圖8 反應進料加熱爐爐墻結構及計算模型

4.2 流場比較

不同爐墻角度下中間端截面流線的比較見圖9。從圖9可以看出，2種結構都存在對稱的2個漩渦，不同的是，90°結構的漩渦更大，而且漩渦的中心靠近爐膛高度方向的中心。而85°結構的漩渦更狹窄，煙氣回流貫穿爐膛豎直方向，靠近爐管，且在爐底區域存在2個較小的漩渦。

圖9 反應進料加熱爐不同爐墻角度下中間端截面速度流線

對沿端面外側起，經過第1～第4排燃燒器端截面流線的比較見圖10～圖13。

圖10 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第1排燃燒器端截面速度流線

圖11 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第2排燃燒器端截面速度流線

圖12 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第3排燃燒器端截面速度流線

圖13 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第4排燃燒器端截面速度流線

從圖 10～圖 13可以看出，90°結構均含有對稱的2個較大漩渦，分布偏向于爐膛中部。85°結構均含有對稱的2個漩渦，分布偏向在爐膛中下部，且距離爐管更近。這是由于爐墻傾斜使得爐膛上部空間減小，迫使爐膛內的漩渦靠近中間管排及爐底。

4.3 溫度場比較

對不同爐墻角度下沿端面外側起，經過第1～第4排燃燒器端截面溫度場的比較見圖14～圖17，對不同爐墻角度下中間端截面溫度場的比較見圖18。

圖14 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第1排燃燒器端截面溫度場

圖15 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第2排燃燒器端截面溫度場

圖16 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第3排燃燒器端截面溫度場

圖17 反應進料加熱爐不同爐墻角度下經過第4排燃燒器端截面溫度場

圖18 反應進料加熱爐不同爐墻角度下中間端截面溫度場

從圖14～圖17可以看出，受傾斜面影響，85°結構比90°結構火焰更扁平，根據爐膛溫度計算結果，85°結構的更均勻。從圖18可以看出，經爐中間端截面溫度場，整個爐管在一個更加均勻的溫度場中，高溫區溫度更低，低溫區也較少。

4.4 爐管熱強度和管壁溫度比較

4.4.1 爐管熱強度

2種結構爐管熱強度分布見圖19。

圖19 反應進料加熱爐不同爐墻角度下爐管管壁熱強度

從圖19可看出，爐管熱強度沿高度方向增大，爐管入口處最高，爐管出口處最低。經計算查詢，90°結構爐管熱強度在24 638～43 296 W/m2，平均熱強度為31 270 W/m2；85°結構爐管熱強度在26 562～42 199 W/m2，平均爐管熱強度為31 157 W/m2。可見85°結構爐管熱強度分布更均勻，與之前煙氣分布類似，二者平均爐管熱強度接近。

4.4.2 管壁溫度

2種結構爐管溫度分布比較見圖20。

圖20 反應進料加熱爐不同爐墻角度下爐管溫度場

從圖20可以看出，溫度沿著高度方向降低，爐管入口處最低，爐管出口處最高。

4.4.3 綜合對比

經計算查詢，90°結構爐管外壁溫度在408.5～443.4℃，爐管內壁溫度在 359.9～404.9℃，內膜溫度在353.7～400.8℃；85°結構爐管外壁溫度在406.5～462℃，爐管內壁溫度在 359.7～407.6℃，內膜溫度在 353.7～400.7℃。這些數據表明，85°結構爐管外壁存在更低的低溫區域，且范圍較大，位于管排上部3～4根爐管區域。同時，爐管外壁存在局部高溫區，高溫區域主要集中于出口管末端，總體高溫區域位于最下面2排爐管及彎頭。85°結構爐管外壁溫度整體均勻性不如90°結構，爐管內壁溫度同樣，但是差異性不大。2種結構下的內膜溫度分布極為接近。

改用加熱爐通用軟件FRNC-5進行計算，得到的爐管外壁溫度在430～462℃，內膜溫度為362～400℃?？梢钥闯觯啾菴FD計算結果，FRNC-5計算的管外壁最高溫度與85°結構的接近，比90°結構的計算結果高20℃，內膜溫度最小值高8.3℃，最大值極為接近。

5 結語

在文中模擬條件下，加熱爐內部端截面、側截面均存在對稱分布的渦流。相比而言，側墻90°傾斜條件下渦流主要分布在爐膛中部，側墻85°傾斜條件下渦流主要分布在爐膛偏中下的位置，且距離爐管較近，煙氣溫度分布更均勻。側墻85°傾斜條件下加熱爐熱強度分布區間更小也更均勻，側墻90°傾斜條件下爐管管壁溫度分布更均勻。側墻85°傾斜條件下，爐管外壁的局部高溫區主要集中于出口管末端，總體高溫區位于最下面2排管及彎頭。但是兩者內膜溫度幾乎一致。