頂燒制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道開孔分析

李春亮，李洪星，高興隆

（中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071）

隨著對油品質(zhì)量和清潔要求的不斷提高，加氫成為當(dāng)前質(zhì)量升級的重要手段，而其中主要的氫氣來源大部分來自制氫裝置。烴類和水蒸氣制氫是當(dāng)前制氫的主要工藝手段，而制氫轉(zhuǎn)換爐是此工藝的重要設(shè)備。目前隨著煉廠規(guī)模的擴(kuò)大，加熱爐大型化發(fā)展，頂燒制氫轉(zhuǎn)化爐迎來更多的發(fā)展空間。

制氫轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度高達(dá)1 000℃，各種材料均在高溫下運(yùn)行，這就對爐膛高溫?zé)煔獾木鶆蛐杂辛烁叩囊骩1]，而由于底部煙道的特殊結(jié)構(gòu)，其煙道開孔分布對制氫轉(zhuǎn)化爐流場均勻性有重要影響。如果均勻開孔，靠近出口的煙道孔流量必然會很大，導(dǎo)致煙氣分配不均，甚至出現(xiàn)偏燒爐管的嚴(yán)重問題，同時，底部煙道磚的數(shù)量有數(shù)千個，而開孔數(shù)量僅有幾十或一兩百個，增大了計算難度，因此如何布置制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道開孔成為工程中的難題。

一直以來制氫轉(zhuǎn)化爐大多借助國外工藝包，對該問題的研究較少，本文將通過CFD的方法，首先模擬分析10×104m3制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道流場，然后提出等效面積法簡化分析，并驗(yàn)證等效面積法的有效性，接著采用等效面積法，通過CFD響應(yīng)面分析得出2×104m3、4×1104m3和10×104m3這幾種規(guī)模下不同尺寸對流量分配的影響，采用CFD目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，得出這幾種規(guī)模下頂燒制氫轉(zhuǎn)化爐底部中間煙道開孔的優(yōu)化方案，最后對邊側(cè)煙道開孔布置提出建議。

1 物理模型

國內(nèi)某公司10×104m3制氫裝置中的制氫轉(zhuǎn)化爐如圖1、圖2所示。煙道區(qū)域劃分為6部分，分別命名為V1～V6，各區(qū)域煙道開孔磚的數(shù)量分別為25、24、23、22、20、19塊。其 中 開 孔 磚 為 標(biāo) 準(zhǔn) 尺 寸230 mm×114 mm×65 mm，磚與磚之間有2 mm的粘合空間。V1遠(yuǎn)離煙氣出口，V6靠近煙氣出口，V6區(qū)域煙道開孔如圖3所示。此開孔方案為某國外工藝包數(shù)據(jù)。

圖1 制氫轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道側(cè)截面

圖3 煙道V6區(qū)域開孔布置圖

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及計算方法

底部煙道開孔處的煙氣流動為純流體流動，因此對該部分的分析可以不考慮燃燒，由于制氫轉(zhuǎn)化爐模型太大，全部計算耗時耗力，考慮到底部煙道為6道平行的煙道，且中間煙道均為對稱結(jié)構(gòu)，取中間一個煙道的一半進(jìn)行分析，借助CFD軟件，建立計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型示意圖

計算區(qū)域采用氣體燃燒基本方程組描述[2-3]，主要有連續(xù)性方程、動量方程及能量方程采用k-ε湍流模型。

2.2 邊界條件

按照實(shí)際情況，入口煙氣溫度為1 032℃，流速2.07 m/s，相應(yīng)質(zhì)量流量為9.2 kg/s，計算入口水力直徑為2.05 m，出口水力直徑為0.724 m，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，且為絕熱壁面。

3 計算結(jié)果

經(jīng)模擬計算，可以得到煙氣流動和煙氣穿過煙道孔的速度矢量，如圖5～圖6所示。從圖5可以看出，煙氣相對均勻的往下流動，水平方向偏移很小，而該加熱爐現(xiàn)場運(yùn)行平穩(wěn)良好，也說明了此開孔布置的合理性。

圖5 煙道橫截面流線圖及局部速度矢量圖

圖6 煙氣穿過一個煙道孔的速度矢量圖

為簡化分析，統(tǒng)計V1～V6區(qū)域流量（見表1），其中流量偏差計算方法為：（計算流量-理想流量）/理想流量×100%。由于V1區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離煙氣出口的一側(cè)，V6區(qū)域?yàn)榭拷隹诘囊粋?cè)，V1和V2區(qū)域流量低于理想值，而V6區(qū)域流量高于理想值，且偏差為最高6.9%，此偏差較為理想，在工程中可以接受，實(shí)際該爐運(yùn)行良好。

表1 V1～V6區(qū)域流量

4 等效面積簡化及驗(yàn)證

為方便考察煙道孔對流量的影響，并對煙道孔采用響應(yīng)面分析和目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，將底部中間煙道孔進(jìn)行等面積簡化。即將煙道后V1~V6區(qū)域（沿長度方向）的多個煙道開孔統(tǒng)一簡化為一個等效面積的大孔，如圖7所示。

圖7 等效面積法簡化模型示意圖

其他條件不變，采用等效面積法對底部煙道流場進(jìn)行分析，并與原結(jié)果進(jìn)行對比（見表2）?？梢钥闯觯刃娣e法與原始模型計算的結(jié)果相差不多，平均絕對偏差為2.37%，因此該方法可以作為優(yōu)化分析的手段。其中平均絕對偏差為各部分與原始設(shè)計流量偏差的絕對值的平均數(shù)。

表2 原始設(shè)計和等效面積法的比較

5 不同規(guī)模下中間煙道開孔優(yōu)化

采用等效面積法時，把煙道長度方向分為幾部分，每部分開一個大孔，固定該孔的底邊，將其高度作為變量，考察該變量對目標(biāo)輸出函數(shù)的影響，其中高度變量以初始設(shè)計數(shù)值為基準(zhǔn)，范圍為初始設(shè)計數(shù)據(jù)上下幾百毫米的區(qū)間。設(shè)置目標(biāo)輸出函數(shù)為每部分實(shí)際流量與理想流量的差值的絕對值之和（下文中將此目標(biāo)輸出命名為流量偏差）。

5.1 10×104 m3制氫轉(zhuǎn)化爐

采用等效面積法對10×104m3制氫底部中間煙道孔進(jìn)行流場分析。每部分開孔底邊為920 mm，高度 變 量P1，P2，P3，P4，P5和P6的 初 始 值 分 別 為209.4 mm，201 mm，192.6 mm，184.3 mm，321.6 mm和159.1 mm，按照面積折算，分別代表了開孔磚的數(shù)量為25塊，24塊，23塊，22塊，20塊和19塊，即原工藝包設(shè)計。最后以此開孔磚的數(shù)量為基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，得出調(diào)整后的數(shù)量。

圖8為各區(qū)域開孔高度與煙氣質(zhì)量流率偏差的關(guān)系圖?？梢钥闯觯琕1區(qū)域開孔高度在205～240 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，其中在225～235 mm附近到達(dá)最小值；V2區(qū)域開孔高度在200～230 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，其中在210～217 mm附近到達(dá)最小值；V3區(qū)域開孔高度在190～220 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)逐漸增大；V4區(qū)域開孔高度在160～190 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，其中在175～181 mm附近到達(dá)最小值；V5區(qū)域開孔高度在140～170 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，其中在155～160 mm附近到達(dá)最小值；V6區(qū)域開孔高度在130～160 mm之間，隨著開孔高度的增大，流量偏差呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，其中在140～145 mm附近到達(dá)最小值。

圖8 開孔高度與流量偏差的關(guān)系圖

采用CFD目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析，選擇設(shè)計點(diǎn)P1=226.1 mm，P2=217.8 mm，P3=192.6 mm，P4=175.9 mm，P5=159.1 mm和P6=142.4 mm，根據(jù)面積折算，對應(yīng)開孔磚的數(shù)量分別為27塊，26塊，23塊，21塊，19塊和17塊。優(yōu)化設(shè)計與初始設(shè)計值比較見表3。采用優(yōu)化后方案，流量偏差有所優(yōu)化，最高只有2%，低于工藝包方案偏差，從而獲得更加均勻的流場。

表3 初始設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計比較

5.2 2×104 m3制氫轉(zhuǎn)化爐

同理，采用等效面積法對2×104m3制氫轉(zhuǎn)化爐煙道孔優(yōu)化分析，得到表4（此規(guī)模較小，劃分5個區(qū)域）?？梢钥闯?，采用優(yōu)化后的方案，流量偏差大大降低，最高只有2%。值得注意的是，實(shí)際布置煙道孔時，應(yīng)該考慮此區(qū)域是否能容納此開孔數(shù)量，如不滿足，應(yīng)改變設(shè)計點(diǎn)，統(tǒng)一減少開孔數(shù)量。

表4 初始設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計比較

5.3 4×104 m3制氫轉(zhuǎn)化爐

同理，采用等效面積法對4×104m3制氫轉(zhuǎn)化爐中間煙道孔優(yōu)化分析，得到表5。優(yōu)化后的方案，流量偏差大大降低，最高只有3%，從而獲得更加均勻的流場。

表5 初始設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計比較

從以上三種規(guī)模的制氫轉(zhuǎn)化爐煙道開孔分析可以看出，遠(yuǎn)離煙道出口的區(qū)域的煙道孔數(shù)量較多，而靠近煙道出口的區(qū)域煙道孔較少。不僅如此，在實(shí)際設(shè)計過程中，應(yīng)保證每一塊區(qū)域（V1，V2，…，V6）內(nèi)的煙道開孔數(shù)量同樣保證此原則，最終從V1區(qū)域到V6區(qū)域煙道開孔數(shù)量逐漸減少。

其他規(guī)模，尤其是10×104m3以上規(guī)模的制氫轉(zhuǎn)化爐，底部煙道開孔均可采用此方法計算。值得注意的是，實(shí)際操作中可以根據(jù)計算機(jī)的計算能力，將煙道劃分?jǐn)?shù)量增加，如10份、12份……那么結(jié)果會更加精確。

6 邊側(cè)煙道孔開孔

以上分析主要適應(yīng)于中間煙道開孔，由于邊側(cè)燃燒負(fù)荷往往不同于中間燃燒器，因此邊側(cè)開孔設(shè)計會有差異。為了保證煙氣在寬度方向同樣垂直進(jìn)入爐膛底部，進(jìn)入中間煙道和邊側(cè)煙道的煙氣形成較為均勻的流場，實(shí)際設(shè)計中當(dāng)邊側(cè)燃燒器的熱負(fù)荷為中間燃燒器熱負(fù)荷的60%時，邊側(cè)開孔數(shù)量可取中間開孔數(shù)量的60%。如10萬立方制氫，中間煙道孔單側(cè)開孔為133個，那么邊側(cè)的煙道孔的數(shù)量可估算為133×2×60%=160個。

此外，制氫轉(zhuǎn)化爐煙道出口往往有縮口等變徑，而該變徑對邊側(cè)開孔布置也會產(chǎn)生一定的影響，因此，針對不同的項目出口煙道變徑情況，也可以采用CFD，運(yùn)用等效面積法核算出邊側(cè)煙道開孔布置。

7 結(jié)論

（1）制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道開孔分布對煙氣均勻性有重要影響。

（2）等效面積法可以簡化對制氫轉(zhuǎn)化爐底部煙道開孔的計算，并有客觀的準(zhǔn)確性。

（3）采用等效面積法，運(yùn)用CFD響應(yīng)面分析和目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析，得出2×104m3、4×104m3和10×104m3制氫轉(zhuǎn)化爐底部中間煙道理想的開孔方案。

（4）邊側(cè)煙道開孔方案應(yīng)綜合考慮邊側(cè)燃燒器負(fù)荷以及煙道出口變徑等因素。