利用詳細燃燒模型對裂解爐二維模型富氧燃燒過程進行數值模擬

申東發，王國清，劉俊杰，張利軍，周先鋒

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

利用詳細燃燒模型對裂解爐二維模型富氧燃燒過程進行數值模擬

申東發，王國清，劉俊杰，張利軍，周先鋒

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

利用計算流體力學軟件Fluent對裂解爐燃燒器二維模型富氧燃燒過程進行數值模擬，研究了富氧燃燒技術對裂解爐爐膛內燃燒過程的影響。采用詳細燃燒模型，即41步甲烷燃燒骨干機理和渦耗散概念模型進行耦合計算，詳細準確描述了富氧燃燒過程。湍流模型采用標準k-?湍流模型，輻射模型采用P-1模型。模擬計算結果表明，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，燃料燃燒更加完全，燃燒反應放熱量增大。當氧氣含量（w）從23.5%增至36.5%時，爐膛內平均溫度升高了7.93%、峰值溫度升高了4.33%、煙氣出口處溫度升高了3.56%、煙氣出口處CO含量降低了54.5%、煙氣出口處CO2含量升高了9.23%、煙氣出口處NOx含量增幅較大（達到了0.350 5%）。

富氧燃燒；裂解爐；數值模擬；甲烷燃燒；詳細燃燒模型；Fluent軟件

富氧燃燒技術采用的助燃空氣的氧氣含量比普通空氣高，具有節能降耗等特性。隨著助燃空氣中氧氣含量的增大，火焰溫度大幅升高，燃料燃燒速度加快，提高了燃燒強度，可獲得較好的熱傳導；同時，有利于燃燒反應的進行，減少煙氣中燃燒中間產物CO的含量，提高煙氣中CO2的含量，有利于CO2的回收。高輻射率的CO2含量的增加也促進了爐內輻射傳熱［1-11］。在溫度和過量氧氣的影響下，富氧燃燒過程中NOx的排放量顯著增加［5，12］。

目前，富氧燃燒技術在大型乙烯裂解爐中尚未得到應用。裂解爐爐膛內的燃燒過程決定著爐膛內的溫度分布，溫度的變化對管內裂解反應的產物收率和結焦情況有著直接的影響。對裂解爐爐膛內富氧燃燒過程的數值模擬可以詳細描述爐膛內燃料流動燃燒和傳熱過程，探究裂解爐爐膛內富氧燃燒過程引起的溫度變化和煙氣組分變化，探索富氧燃燒技術應用于乙烯裂解爐的可行性。

前人對裂解爐爐膛燃燒過程的模擬所采用的模型相對較為簡單。如王菁［13］建立了大型乙烯裂解爐輻射室的三維模型，并采用簡單燃燒模型對燃燒過程進行了模擬，但無法對裂解爐爐膛內的富氧燃燒過程以及煙氣組成等進行較為準確的描述，模擬結果的準確性值得商榷。

本工作采用了詳細燃燒模型，即41步甲烷燃燒骨干機理與渦耗散概念（EDC）模型、湍流模型和輻射模型進行耦合計算，對裂解爐爐膛內的富氧燃燒過程進行較為準確的數值模擬，為富氧燃燒技術在裂解爐中的應用提供數據支持。

1 計算模型

1.1 數值計算模型

裂解爐爐膛內的燃料燃燒過程是帶有劇烈放熱反應的過程，同時還包括多組分的湍流流動和傳質傳熱現象以及與化學反應間的相互作用。通過對各種數學模型的比較分析，確定采用標準k-?模型模擬物料的湍流流動，該模型具有較高的計算穩定性和準確性，在湍流模型中應用最為廣泛。輻射傳熱模型采用P-1模型，它是PN模型中最簡單的類型，兼具準確性和經濟性。模擬計算中選取的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍動能方程見式（1）～（5）。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

湍動能方程：

k方程

?方程

裂解爐模擬的核心就是燃燒過程的數值模擬。裂解爐爐膛內燃料燃燒是復雜的物理變化和化學變化相互作用的過程。燃燒反應的速率與物理、化學過程的速率相關，既可能受物理過程速率的控制，又可能受化學過程速率的控制，也可能同時受兩者的控制。由于裂解爐燃燒器使用的燃料的主要成分是甲烷，且是非預混燃燒，為了準確描述裂解爐內的燃燒現象，需將甲烷燃燒的詳細機理與Fluent軟件中的燃燒模型進行耦合計算。甲烷燃燒機理總包反應的最新版本GRI3.0包含了53種物質和325個基元反應。由于物質和反應數量過多，計算耦合難度較大，收斂性較差且計算耗時較長。因此，本工作采用包含16組分的41步甲烷燃燒骨干機理，將CHEMKIN格式的機理文件導入到Fluent軟件中進行計算。該骨干機理由總包反應簡化得到，準確性已得到驗證［14］，反應方程和動力學參數見表1。

EDC模型是渦耗散模型對包括湍流流動中的細致化學反應機制的拓展應用，假定化學反應發生在微小的湍流結構上。EDC模型可以將細致的化學反應機制應用到湍流反應流動中。Stefanidis等［15］對比了詳細機理與EDC模型耦合計算和簡單機理與簡化反應的有限速率/渦耗散模型耦合計算對裂解爐爐膛內燃料燃燒過程的模擬結果。對比結果表明，詳細機理與EDC模型耦合計算的模擬結果對裂解爐爐膛內的燃燒過程及燃燒產物的描述更加準確。因此本工作采用41步甲烷燃燒骨干機理與EDC模型進行耦合計算。

表1 甲烷燃燒骨干機理Table 1 Skel-mechanism of CH4combustion

1.2 邊界條件和模擬工況

在計算過程中，氣體燃料和助燃空氣入口采用質量入口邊界條件。氣體燃料由99.346 4%（w）甲烷和0.653 6%（w）氫氣組成，助燃空氣分為普通空氣和富氧空氣。對4種不同工況（見表2）進行數值模擬，其中，工況1使用的助燃空氣為普通空氣，氧氣含量（w，下同）為23.5%；工況2，3，4使用的助燃空氣為富氧空氣，氧氣含量分別為28.5%，32.5%，36.5%。裂解爐爐膛壁面均設定為無滑移絕熱壁面，爐膛出口設定為壓力出口邊界條件。

表2 不同工況下助燃空氣中氧氣的含量Table 2 O2content in oxidizing air under diferent operating modes

1.3 裂解爐的實體建模

對實際工業生產的裂解爐的幾何結構進行簡化處理，簡化為底部單個燃燒器進料的簡化二維裂解爐模型。采用結構化網格對其進行劃分，其中，四邊形網格數約為10萬個，計算節點約為10萬個。

2 結果與討論

2.1 富氧燃燒條件下裂解爐溫度場分析

不同工況下裂解爐爐膛內溫度的分布見圖1。從圖1可見，4種不同助燃空氣條件下，爐膛內煙氣溫度分布不同。隨助燃空氣中氧氣含量的增大，爐膛內煙氣高溫區擴散，高溫區面積增大。

不同工況下裂解爐爐膛內的峰值溫度見圖2。從圖2可見，隨助燃空氣中氧氣含量的增加，裂解爐爐膛內的峰值溫度逐漸升高，當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，爐膛內的峰值溫度從2 330.999 K升至2 431.875 K，升高了4.33%。當氧氣含量從23.5%增至28.5%時，峰值溫度升高較為明顯，增幅達3.45%；當氧氣含量從28.5%增至36.5%時，峰值溫度增幅較小。

圖1 不同工況下裂解爐爐膛內溫度的分布Fig.1 Temperature distributions in cracking furnace in the operating modes.

圖2 不同工況下裂解爐爐膛內的峰值溫度Fig.2 Peak temperature in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下裂解爐爐膛內的平均溫度見圖3。

圖3 不同工況下裂解爐爐膛內的平均溫度Fig.3 Average temperature in the cracking furnace under the operating modes.

從圖3可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增加，爐膛內的平均溫度逐漸升高。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，爐膛內的平均溫度從1 060.180 K升至1 144.232 K，增幅達7.93%。其中，當氧氣含量從23.5%增至28.5%時，爐膛內的平均溫度明顯升高，增幅達5.57%；當氧氣含量從28.5%增至36.5%時，爐膛內的平均溫度增幅較小。

不同工況下煙氣出口處的溫度見圖4。從圖4可看出，爐膛煙氣出口處的溫度隨助燃空氣中氧氣含量的增大而升高。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，煙氣出口處的溫度從1 845.388 K升至1 911.141 K，增幅達3.56%。當氧氣含量在較低范圍內變化時，煙氣出口處溫度變化較為明顯；當氧氣含量在較高范圍內變化時，煙氣出口處溫度增幅較小。

圖4 不同工況下煙氣出口處的溫度Fig.4 Temperature at the efuent gas outlet under the operating modes.

不同工況下裂解爐爐膛內燃燒反應的放熱量見圖5。

圖5 不同工況下裂解爐爐膛內燃燒反應的放熱量Fig.5 Reaction heat in the cracking furnace under the operating modes.

由圖5可見，當助燃空氣中氧氣含量增大時，裂解爐爐膛內燃燒反應更快速，反應更完全，爐膛內燃料燃燒的放熱量增多。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，燃料燃燒的放熱量從27 482.59 W增至29 606.92 W，增幅達7.73%。燃料燃燒反應放熱量的增大導致爐膛內煙氣峰值溫度升高、平均溫度升高、煙氣出口處溫度升高。

2.2 富氧燃燒條件下裂解爐煙氣組成的分析

2.2.1 富氧燃燒條件下CO含量分析

不同工況下裂解爐爐膛內CO含量的分布見圖6。從圖6可看出，CO含量較高的區域主要集中在爐膛內的高溫區，且隨助燃空氣中氧氣含量的增大，高溫區中CO的含量逐漸降低。

圖6 不同工況下裂解爐爐膛內CO含量的分布Fig.6 Distributions of CO content in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下裂解爐爐膛內CO的平均含量見圖7。從圖7可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內CO含量逐漸減小。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，裂解爐爐膛內CO平均含量從0.414%降至0.257%，降幅達37.9%。

圖7 不同工況下裂解爐爐膛內CO的平均含量Fig.7 Average contents of CO in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下煙氣出口處CO的含量見圖8。從圖8可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐煙氣出口處CO 含量逐漸減小。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，裂解爐煙氣出口處CO含量從0.919%降至0.418%，降幅達54.5%。

圖8 不同工況下煙氣出口處CO的含量Fig.8 CO contents at the efuent gas outlet under the operating modes.

CO是甲烷燃燒生成CO2和H2O的中間產物。助燃空氣中氧氣含量的增大，有利于裂解爐爐膛內燃料的完全燃燒。燃燒反應的中間產物CO的含量會隨氧氣含量的增大而減小，燃料的完全燃燒也使得燃燒反應放熱量增多，有利于爐膛內溫度的升高。

2.2.2 富氧燃燒條件下CO2含量的分析

不同工況下裂解爐爐膛內CO2含量的分布見圖9。從圖9可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，爐膛內CO2含量逐漸增大，且CO2分布區域有所擴散，尤其是在高溫區，CO2含量的增大和區域擴散較為明顯。

圖9 不同工況下裂解爐爐膛內CO2含量的分布Fig.9 Distributions of CO2content in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下裂解爐爐膛內CO2的平均含量見圖10。從圖10可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，爐膛內CO2的平均含量同樣增大。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，爐膛內CO2含量由4.060%增至4.907%。

圖10 不同工況下裂解爐爐膛內CO2的平均含量Fig.10 Average contents of CO2in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下煙氣出口處CO2的含量見圖11。從圖11可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，煙氣出口處CO2含量呈上升趨勢。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，煙氣出口處CO2含量由9.958%增至10.883%，增幅達9.23%。值得注意的是當氧氣含量在較低范圍內變化時，煙氣出口處CO2含量變化較為明顯；當氧氣含量在較高范圍內變化時，煙氣出口處CO2含量變化幅度較小。

圖11 不同工況下煙氣出口處CO2的含量Fig.11 CO2contents at the efuent gas outlet under the operating modes.

隨助燃空氣中氧氣含量的增大，爐膛內燃燒反應進行得更完全。氧氣含量的增大有利于反應中間產物CO轉化為CO2，因此CO含量降低，完全燃燒產物CO2含量增大。CO2含量的增大有利于CO2的捕集。2.2.3 富氧燃燒條件下NOx含量的分析

不同工況下裂解爐爐膛內NOx的含量分布見圖12。從圖12可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內NOx的含量增大，NOx分布區域擴散，且主要集中在爐膛高溫區。

圖12 不同工況下裂解爐爐膛內NOx含量的分布Fig.12 Distributions of NOxcontent in the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下裂解爐爐膛內NOx的平均含量見圖13。從圖13可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，爐膛內NOx的平均含量也相應增大。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，爐膛內NOx的平均含量由0.014 7%增至0.147 1%。

圖13 不同工況下裂解爐爐膛內NOx的平均含量Fig.13 Average contents of NOxin the cracking furnace under the operating modes.

不同工況下煙氣出口處NOx的含量見圖14。從圖14可看出，隨助燃空氣中氧氣含量的增大，煙氣出口處NOx含量也相應增大。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，煙氣出口處NOx含量從0.053 1%增至0.350 5%，增幅明顯。

圖14 不同工況下煙氣出口處NOx的含量Fig.14 NOxcontents at the efuent gas outlet under the operating modes.

在燃燒過程中生成的NOx中NO占95%以上，其余為NO2及少量其他NOx。按照NOx的生成機理，產生的NOx主要有3種：熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。燃燒產生的NOx大部分是熱力型NOx，它是燃料燃燒時送入爐內的空氣在爐膛內高溫下氧化生成的氮氧化物。熱力型NOx的生成與溫度和氧氣含量有直接關系，微小的溫度變化會引起NOx排放量大幅增加。此外，過量的氧氣也會使NOx排放量增加。因此，在溫度和過量氧氣的影響下，富氧燃燒過程中NOx的排放量顯著增加。

綜上所述，助燃空氣中氧氣含量的增大有助于燃料完全燃燒，燃燒反應放熱量增大，提高爐膛內的平均溫度，有利于爐膛內的輻射傳熱。煙氣出口處CO2含量增大，有助于溫室氣體CO2的捕集。當助燃空氣中氧氣含量為28.5%時，爐膛內富氧燃燒特性較為明顯；氧氣含量大于28.5%時，爐膛內的燃燒現象變化較小。考慮到富氧空氣的制備成本，選取氧氣含量約為28.5%的富氧空氣進行助燃較為合理。

雖然富氧燃燒有利于節約燃料以及爐膛內的輻射傳熱，但富氧燃燒過程對于大氣污染物NOx的影響不容忽視。富氧燃燒過程產生的高溫對NOx的生成影響顯著。隨助燃空氣中氧氣含量的增大，煙氣中NOx含量顯著增大，影響煙氣排放。因此，需要采取相應措施來降低排放煙氣中NOx的含量。減排煙氣中NOx的技術包括NOx的催化吸收和改變燃燒器結構等，具體采用何種方法可有效降低NOx的排放量則需進一步研究。

通過對裂解爐二維模型富氧燃燒過程的數值模擬，對裂解爐爐膛內的富氧燃燒過程有了初步認識，對爐膛內溫度場變化和煙氣組分的變化規律有了初步了解，為裂解爐三維模型富氧燃燒過程的數值模擬奠定了基礎。裂解爐二維模型建模過程中對實際情況有較多的簡化，為了探索富氧燃燒技術在裂解爐中的應用，需要對更接近真實情況的裂解爐三維模型進行進一步的數值模擬研究。

3 結論

1）對裂解爐爐膛內的富氧燃燒過程進行了數值模擬研究，分析了助燃空氣中氧氣含量對裂解爐爐膛內燃燒過程的影響。隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內溫度分布發生變化，高溫區擴散且面積增大。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，爐膛內的峰值溫度升高了4.33%、爐膛平均溫度升高了7.93%、煙氣出口處溫度升高了3.56%。富氧燃燒對溫度場的改變有利于爐膛內的輻射傳熱過程。

2）隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內的CO含量發生變化。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，裂解爐爐膛內CO平均含量降低了37.9%、煙氣出口處CO含量降低了54.5%，表明富氧燃燒有利于燃料的完全燃燒。

3）隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內的CO2含量發生變化。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，裂解爐爐膛內CO2平均含量由4.06%增至4.91%、煙氣出口處CO2含量由9.96%增至10.88%。CO2含量的提高有利于對其進行捕集。

4）隨助燃空氣中氧氣含量的增大，裂解爐爐膛內的NOx含量發生變化。當氧氣含量從23.5%增至36.5%時，裂解爐爐膛內NOx平均含量由0.014 7%增至0.147 1%，煙氣出口處NOx含量由0.053 1%增至0.350 5%，增幅較大。需要對煙氣進行處理以降低NOx的排放量。

5）采用詳細燃燒模型對裂解爐爐膛富氧燃燒過程進行數值模擬，對富氧燃燒技術在裂解爐中的應用進行可行性探索，并對富氧燃燒過程對裂解爐的影響和變化規律有了初步的認識。進一步探索富氧燃燒技術在裂解爐中的應用需要采用更接近真實情況的裂解爐三維模型進行數值模擬研究。

符 號 說 明

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（編輯 王 萍）

寧波餾分油綜合利用/餾分油改擴建等項目投產/開工建設

寧波大榭開發區總投資近200億元的化工系列項目集中開工建設，這批系列項目包括總投資134億元的大榭石化餾分油綜合利用項目投產，總投資35億元的大榭石化餾分油改擴建和總投資29億元的東華能源福基石化聚丙烯擴建兩個項目開工。

餾分油綜合利用項目及餾分油改擴建項目均由中海石油寧波大榭石化有限公司獨資建設，餾分油綜合利用項目達產后，預計可實現年產值160億元。餾分油改擴建項目預計2018年初建成。東華能源福基石化聚丙烯擴建項目由東華能源獨資建設，年產聚丙烯900 kt，計劃于2018年建成投產。

2D numerical simulation of oxygen-enriched combustion process in cracking furnace using detailed combustion model

Shen Dongfa，Wang Guoqing，Liu Junjie，Zhang Lijun，Zhou Xianfeng
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The influences of the oxygen-enriched combustion technology on temperature field，velocity field，reactant concentration and fuel consumption in cracking furnace were investigated through a 2D simulation to predict the oxygen-enriched combustion process using the commercial software Fluent. To describe the combustion process accurately，a CHEMKIN file including 16 species and 41 reactions was introduced into the Fluent software. The simulation also took into account the standardk-?turbulence model，P-1 radiation model and turbulence-chemistry interaction. The results showed that，with increasing the oxygen concentration，the fuel burned more completely and the reaction heat increased. When the oxygen concentration(w) increased from 23.5% to 36.5%，in the furnace，the average temperature increased by 7.93% and the peak temperature increased by 4.33%；and at the efuent gas outlet of the furnace，the temperature increased by 3.56%，the CO concentration reduced by 54.5%，the CO2concentration increased by 9.23% and the NOxconcentration increased to 0.350 5%.

oxygen-enriched combustion；cracking furnace；numerical simulation；methane combustion；detailed combustion model；Fluent software

1000 - 8144（2016）06 - 0656 - 08

TQ 018

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.06.003

2016 - 03 - 21；［修改稿日期］2016 - 04 - 01。

申東發（1990—），男，遼寧省大連市人，碩士生，電話 18500428335，電郵 dongfashen@163.com。 聯系人：王國清，電話010 - 59202775，電郵 wanggq.bjhy@sinopec.com。