[发明专利]基于CFD的工业蒸汽裂解炉炉膛烟气组成分布的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业蒸汽裂解炉炉膛烟气组成分布的预测方法，利用该方法建立的模型可用于预测裂解炉炉膛内的烟气分布，有助于蒸汽裂解炉的设计和优化。 

背景技术

烟气是燃料在燃烧之后生成得到的气态混合物，是造成空气污染、环境破坏的主要原因之一。在“十二五”规划中，对于环境保护提出了更高、更新的要求，因此对于烟气的研究也显得格外的重要。烟气的成分复杂，在工业蒸汽裂解炉内，烟气主要由二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、氧气(O2)、氮气(N2)和一氧化碳(CO)组成。由于蒸汽裂解炉内部同时存在着流体流动、燃烧反应、辐射传热等高度耦合和复杂的物理、化学过程，这对烟气组成的测量和分析带来了困难。 

图1为典型的蒸汽裂解炉工艺流程图，裂解原料进入对流段进行初步预热之后，与稀释蒸汽混合，再次预热至完全气化，并升温至初始裂解温度。随后，裂解原料进入辐射段的反应管，在其中进行裂解并产生三烯(乙烯、丙烯、丁二烯)等重要的基础原料，在离开辐射段之后，为了避免二次反应的产生，裂解产物马上进入急冷锅炉进行冷却，从而保证了乙烯的收率。裂解气在经过分馏塔之后进入压缩和分离装置。由于炉管中裂解反应是强吸热反应，所以从炉膛底部烧嘴和侧壁烧嘴引入燃料气和空气进行燃烧，为裂解反应提供所需要的热量。燃料气在燃烧后生成了大量高温烟气，在炉膛中随着压力、温度、速度等多方面的因素耦合流动，在经过对流段回收热量之后，排入大气中，烟气在炉膛中的流动以及分布对出口的烟气组成有着直接的影响，因此，了解炉膛内 部不同位置的烟气组成以及烟气整体的分布具有实际的工业价值。 

传统工业中对于裂解炉炉膛内烟气组成常采用在线分析仪表的方法，通过在炉膛内部固定位置加装仪表，对烟气中的多种组成进行测量，其中存在以下问题：1.在线分析仪表一般价格昂贵，而裂解炉炉膛较大，若想得到炉膛烟气组成的分布，需要一定量的在线分析仪表，增加了项目的投资成本。2.在线分析仪表的预处理、过程以及分析环节均存在一定的时滞。3.炉膛内温度较高，且烟气内存在粉尘，对仪表有防尘、高温等高要求。4.固定时间需要对仪表进行维护，增加了整体的运营成本。 

发明内容

本发明提供了一种基于CFD的工业蒸汽裂解炉烟气组成分布的预测方法，该方法能够用于对烟气分布的预测以及炉膛结构的进一步优化。 

基于CFD的工业蒸汽裂解炉烟气组成分布的预测方法，包括以下的步骤： 

步骤1：确定工业蒸汽裂解炉的结构、操作数据，包括裂解炉炉膛底部和侧壁烧嘴、炉管的详细尺寸结构，裂解原料进料量、温度和压力，裂解原料属性，裂解气出口温度，出口压力，以及出口主要产物收率，燃料气的组成、流量及进料温度和压力，风门进口空气的组成、温度和压力，过剩空气系数或空气流量； 

步骤2：建立炉膛模型。采用CFD方法对裂解炉炉膛进行几何建模和网格划分，再根据炉膛内的流动、传热、传质等过程建立数学模型，可以得到炉膛内炉管外壁的热通量分布； 

步骤3：建立炉管模型。采用分子动力学模型或者自由基反应模型对管内裂解反应和传递反应过程进行计算，可以得到沿管长的管壁温度分布； 

步骤4：基于炉膛与炉管存在严重热量耦合关系，根据管壁温度的工业测量或经验为初值，作为边界条件带入炉膛模型中进行计算，输出热通量分布作为反应管管壁的边界条件。通过这种方法建立炉膛和反应管的耦合运算，多次迭代后，直至满足收敛为止； 

步骤5：在满足炉膛炉管耦合模拟收敛条件之后，通过CFD的后处理便可获得预测的炉膛内每一个位置的烟气组成分布信息。 

较佳的，所述的烟气组成分布的方法，其特征在于，所述工业蒸汽裂解炉的结构、操作数据按照实际工业中采用的数据，尤其是燃料气的组成、流量及进料温度和压力，风门进口空气的组成、温度和压力，过剩空气系数或空气流量与真实情况一致。 

较佳的，所述的烟气组成分布的方法，其特征在于，所述炉膛模型包含了炉膛底部和侧壁烧嘴的详细尺寸结构，建立与实际烧嘴的直径、长度、个数、排布、位置、或倾角一致的几何模型。 

较佳的，所述的烟气组成分布的方法，其特征在于，所述炉膛模型包含了仅有底部烧嘴或仅有侧壁烧嘴或底部和侧壁烧嘴均有的情况；底部烧嘴空气和燃料气通过不同的位置分别进入炉膛内部，为非预混燃烧过程，采用概率密度函数(PDF)模型；侧壁烧嘴空气和燃料气混合之后进入炉膛，为预混燃烧过程，采用有限速率/涡耗散模型(FR/EDM)；既有底部烧嘴又有侧壁烧嘴的燃烧过程，采用FR/EDM模型。