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傳統(tǒng)雙面輻射焦化爐與階梯式雙面輻射焦化爐的對比研究

文檔作者：周桂娟文檔來源：中國石化工程建設(shè)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月08日
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工業(yè)爐 石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32(1)·8·
Petro—Chemical Equipment Technology
傳統(tǒng)雙面輻射焦化爐與階梯式雙面輻射
焦化爐的對比研究
周桂娟
(中國石化工程建設(shè)公司，北京100101)
摘要：對傳統(tǒng)的雙面輻射焦化爐和階梯式雙面輻射焦化爐內(nèi)煙氣湍流流動、燃燒和傳熱過程進(jìn)行了數(shù)
值模擬研究。計算得到了爐內(nèi)流場、溫度場、爐管表面熱流密度分布的詳細(xì)信息，揭示了不同爐型焦化爐爐
膛內(nèi)流動、燃燒和傳熱過程的特性。計算結(jié)果表明通過采用直墻與斜墻組合的輻射室爐墻結(jié)構(gòu)和附墻燃燒
器燃燒方式，改善了爐膛內(nèi)流場結(jié)構(gòu)，一方面增強(qiáng)了爐管表面熱強(qiáng)度分布的均勻性、防止局部過熱、提高爐管
平均熱強(qiáng)度，另一方面輻射室傳熱效率有所提高，有利于焦化爐的節(jié)能。
關(guān)鍵詞：焦化爐燃燒爐型數(shù)值模擬
延遲焦化是我國重油輕質(zhì)化的主要方法，焦
化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，它決定了整個
裝置的操作周期和能耗水平。但我國焦化爐的設(shè)
計方法都是經(jīng)驗和半經(jīng)驗的，現(xiàn)有裝置普遍存在
著操作周期短，爐管結(jié)焦嚴(yán)重等問題。為解決這
些問題，必須對焦化爐燃燒和傳熱進(jìn)行系統(tǒng)的分
析。近年來，隨著CFD(Computational fluid dy—
namics)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了研究焦
化爐內(nèi)燃燒和傳熱強(qiáng)有力的手段，其成本低廉，并
能得到爐內(nèi)流動和傳熱的詳細(xì)信息L1]。本文利用
數(shù)值模擬的方法對不同爐型焦化爐輻射室進(jìn)行了
燃燒及傳熱的三維耦合計算，對爐膛內(nèi)燃燒過程、
火焰輻射及煙氣對流傳熱過程、管壁固體的熱傳
導(dǎo)過程、管內(nèi)介質(zhì)的吸熱過程進(jìn)行了完整的數(shù)值
計算，分析比較了兩爐型焦化爐內(nèi)煙氣流動、燃燒
和傳熱綜合過程的特點和差異。
1 計算模型
焦化爐采用的是氣體燃燒器，因此爐內(nèi)流動，
燃燒和傳熱過程可以用氣體燃燒基本方程組來描
述。氣體燃燒基本方程組包括連續(xù)性方程、動量
方程、能量方程以及組分輸運(yùn)方程。加熱爐內(nèi)的
燃燒都是湍流燃燒，而且爐膛內(nèi)的傳熱主要是以
輻射的方式，因此方程組還需要湍流模型、燃燒模
型以及輻射傳熱模型加以封閉。對湍流流動模
型，我們選用標(biāo)準(zhǔn) ￡模型Ⅲ ，對于湍流擴(kuò)散燃燒
的數(shù)值模擬，采用簡化的快速反應(yīng)擴(kuò)散燃燒模型，
具體模型描述見文獻(xiàn)[1]。輻射傳熱模型采用離
散坐標(biāo)法 ]。
2 物理模型及邊界條件
2．1 物理模型
計算的爐1為某煉廠延遲焦化裝置中的雙面
輻射焦化爐，單爐膛的結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)，單爐
膛底部共有2排32個扁平焰燃燒器，爐膛中間臥
式擺放一排24根爐管。計算的爐2(見圖1(b))
為中國石化工程建公司開發(fā)的階梯式雙面輻射焦
化爐，與傳統(tǒng)雙面輻射焦化爐比較，其結(jié)構(gòu)特點為
輻射室爐墻采用直墻加斜墻的組合結(jié)構(gòu)，底部燃
燒器采用附墻燃燒的方式。燃燒器數(shù)量與爐管根
數(shù)與爐1完全一致。
2．2 邊界條件
在計算中，對氣體燃料和助燃空氣采用速度
入口邊界條件，對煙囪出口采用壓力邊界。壁面
采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壁面條件包括燃燒器火道、
爐膛壁面、爐底和爐管壁面。在這些壁面條件中，
爐管外壁為分區(qū)耦合計算的耦合邊界，其溫度和
熱流密度分布由耦合計算自動獲得，其余壁面簡
化為絕熱的壁面條件。為利于比較，兩爐模擬計
收稿Et期：2010 07 05。
作者簡介：周桂娟，男，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)
化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，博士，現(xiàn)在中國石化工程建設(shè)公司工
業(yè)爐室從事工業(yè)爐的工程設(shè)計和開發(fā)工作，工程師。
Email：zhouguihuan@ sei．com．cn
第32卷第1期 周桂娟．傳統(tǒng)雙面輻射焦化爐與階梯式雙面輻射焦化爐的對比研究
算過程中采用完全相同的邊界條件。
(a)傳統(tǒng)雙面輻射焦化爐(爐I)
出口
y
fh)SEI階梯式焦化費(fèi)、(爐2 j
圖i 焦化爐結(jié)構(gòu)示意
3 計算結(jié)果及討論
3．1 流場
圖2為兩爐寬度方向截面速度分布云圖比
較，從圖中可以看出，爐1出現(xiàn)較為明顯的高溫?zé)?
氣偏流現(xiàn)象，主要是由于燃燒器出口高速燃料射
流兩側(cè)形成的回流區(qū)對煙氣射流的作用力不同，
隨射流的擴(kuò)展，煙氣流動速度衰減，射流剛性減
弱，受兩側(cè)回流區(qū)的擾動作用，高溫?zé)煔馍淞靼l(fā)生
偏流現(xiàn)象，將會導(dǎo)致燃燒火焰偏斜，引起爐管吸熱
的不均勻。爐2采用的是附墻燃燒器，高速燃料
射流出燃燒器后附墻流動，燃燒反應(yīng)形成的高溫
煙氣流也附墻流動，由于只受一側(cè)回流區(qū)作用使
得高溫?zé)煔饽軌蚍€(wěn)定的附墻向上流動，而不發(fā)生
煙氣偏流。
l
8．00~+00
4．0oem0 1 1 爐2
圖2 爐膛寬度方向截面速度分布
3．2 溫度場
圖3為兩爐型寬度方向截面溫度分布云圖，
從爐1溫度分布云圖來看，與前面煙氣流動場相
對應(yīng)，受燃料射流兩側(cè)回流區(qū)擾動作用，高溫?zé)煔?
明顯偏流，火焰偏斜，加劇上下部爐管吸熱不均，
局部熱強(qiáng)度過大。從爐2寬度方向截面溫度分布
圖來看，由于爐2是采用附墻燃燒器，燃燒火焰緊
貼壁面，火焰穩(wěn)定，高溫?zé)煔飧綁α鲃?，在燃燒?
與爐管之間形成大的煙氣回流區(qū)域，回流區(qū)一方
面使得火焰穩(wěn)定附墻燃燒，另一方面高溫?zé)煔庠?
爐膛內(nèi)回流對爐管吸熱有利。同時爐2輻射室是
采用直墻加斜墻組合結(jié)構(gòu)，使得上部爐膛煙氣流
速增大，有利于提高上部爐管與煙氣的對流傳熱，
爐膛上部區(qū)域較爐膛下部區(qū)域體積逐漸減小，有
利于上下部爐膛的體積熱強(qiáng)度的均勻性，綜合附
墻燃燒器附墻燃燒方式和輻射室斜墻結(jié)構(gòu)兩大特
征降低了爐膛內(nèi)上下部煙氣分布梯度，更有利于
爐管表面熱強(qiáng)度分布的均勻性，防止局部過熱，提
高爐管表面平均熱強(qiáng)度，提高傳熱效率。
圖4為兩爐長度方向截面溫度分布圖，從圖
中可以看出爐I沿爐膛長度方向單排布置16臺
扁平焰燃燒器，16臺燃燒器同時燃燒放熱使得
此截面上溫度分布沿長度方向較為均勻，由于受
爐膛兩側(cè)回流區(qū)的影響，使得兩側(cè)的燃燒火焰向
爐膛中心偏斜，兩側(cè)形成低溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，高溫?zé)?
氣逐漸向爐膛中部區(qū)域集中，使得沿爐管長度方
向，爐管受熱不均。從爐2長度方向截面溫度分
布圖來看，高溫?zé)煔飧綁α鲃?，火焰之間高溫?zé)煔?
擴(kuò)展連接較好，沿爐膛長度方向和高度方向溫度
分布均勻性較爐1有明顯提高，整個截面形成平
穩(wěn)高溫?zé)煔馄酵屏?，有利于爐管的吸熱均勻性，防
止局部過熱。
I 1．95 +O3
l I
1． +03
l I
t．33e+03
1．(Be+03
7．18e+02
4．1Oe+02
圖3 爐膛中心寬度方向溫度分布

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