文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

燃油常压炉内燃烧状况的数值模拟

王娟∗,毛羽,李丽红,周桂娟
(中国石油大学(北京)化工学院,北京 102249)

摘要:选用 FLUENT 软件,利用数值模拟方法,建立了与实际运行的常压管式加热炉的燃烧传热单元对应的几何模型,选
用标准的 k-ε湍流模型、液体喷雾燃烧模型、离散坐标辐射传热模型,成功地计算出炉膛内的速度场、温度场,验证了数值
模拟所用模型的可靠性和数值模拟方法与结果的可信性,为研究炉内的燃烧状况、优化燃烧过程提供了依据。
关键词: 管式加热炉流动燃烧数值模拟

引言
常减压蒸馏装置是炼油厂加工原油的第一道工序,即原油的一次加工[1],在炼油厂加工总流程中有重
要作用,而提供热量的加热炉是该工艺的重要装置之一,整个加热炉内的火焰形状与温度分布对该工艺的
影响很大[1]。由于加热炉系统庞大,测量手段也受到较大限制,因此研究人员和操作人员对于炉内的燃烧
和传热过程的细节了解较少,难以对炉内的燃烧状况进行优化,从而难以使加热炉工作在最佳状态。近年
来,随着计算流体力学和计算机技术的快速发展,研究燃烧过程的数值模拟方法迅速发展起来。本文则以
常压加热炉为背景,利用数值模拟的方法,研究炉内燃烧和传热过程的详细状况,并考察了影响燃油加热
炉内火焰形状和温度分布的参数,找到相应的影响规律,进而有效地控制炉内的温度分布,并提高加热炉
的热效率。
1 几何模型的建立与网格划分
本文选择了某炼油厂常减压装置中实际运行的一台加热炉的一个燃油工艺单元作为主要研究对象,建
立了对应的几何模型(如图 1 所示)。炉膛直径为 1500mm,高度为 9000mm,上端连接有 45°倾斜、高 2000mm
的烟囱。被加热的介质在立式炉管中流动,燃烧器安装在炉膛的底部。该加热炉中采用的是油气联合燃烧
器,但是在装置实际运行过程中,根据燃料的库存和供给情况,常常是一部分燃烧器只烧气体燃料,另一
部分燃烧器只烧液体燃料。本文着重研究单独燃油情况下的燃烧状况。燃油燃烧器的结构见图 2 所示。该
燃烧器设有一次风道、二次风道和三次风道,一次风在燃烧器底部中心进入,二次风在一次风外的环形进
气道进入,三次风通过对应的耐火砖的多排交叉分布的小孔进入火道中尾部。喷嘴上开有 8 个直径为
的沿周向均布的小孔,喷射角度为 40°。火道出口为一缩口,截面呈现梯形状。燃烧后的混合物由此进入
炉膛。
在常减压加热炉中,虽然由于一、二和三次风以及燃烧喷头的复杂形状,经过对结构特点的拓扑分析,
实现了对所有流动区域的结构化网格的生成。图 3 是燃烧器附近复杂流动区域的网格划分。
2 控制方程及湍流模型的选择

∗第一作者简介:王娟(1977—),女,辽宁丹东人,讲师,博士,从事多相流动及燃烧过程的数值模拟研究。
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在常压炉的计算中,对于流动过程的模拟,采用标准的 k −ε双方程模型;对于燃烧过程的模拟,采
用了液体喷雾燃烧模型;对于辐射传热的模拟,采用了离散坐标法[2]。
在控制方程和离散方程的求解过程中,压力方程采用了标准的离散方法,压力和速度的耦合问题采用
了 SIMPLE