Влияние подогрева подаваемого для горения воздуха на характеристики теплообмена в трубчатой печи

УДК Ц0536.3.535.34

ВЛИЯНИЕ ПОДОГРЕВА ПОДАВАЕМОГО ДЛЯ ГОРЕНИЯ ВОЗДУХА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

А.В.САДЫКОВ, Н.Г.СМОЛИН, В.И. ЕМЕКЕЕВ, Д.Б.ВАФИН

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ГОУ ВПО КГТУ, НПЗ ОАО «ТАИФ-НК», г. Нижнекамск

Анализируется влияние использования подогретого воздуха на горение в трубчатых печах нефтехимической промышленности, на температурный режим в объеме камеры радиации, на распределение тепловых потоков и на выход целевых продуктов. Совместно решаются внешняя и внутренняя задачи тепломассообмена. Математическая модель задачи внешнего теплообмена в топке содержит двумерные стационарные уравнения энергии, переноса энергии излучения, движения, неразрывности, модели турбулентности, модели горения. Для решения внешней задачи применен дифференциальный метод.

Ключевые слова: теплообмен, излучение, горение, трубчатые реакторы, камера радиации, топочные газы, температура.

Основным способом получения синтез-газа в производстве водорода является каталитическая конверсия природного газа в трубчатых печах. В трубчатых печах риформинга тепловой поток от дымовых газов к трубчатым реакторам в основном передается за счет излучения продуктов сгорания. В условиях сокращения природных запасов энергетических ресурсов актуальным является увеличение выхода целевых продуктов при минимальных затратах. В нефтехимическом производстве используются печи, в которых воздух на горение подается из окружающей среды. Поэтому одним из вариантов решения этой задачи является подача на горение подогретого в конвекционной секции воздуха.

В качестве объекта исследования выбрана трубчатая печь риформинга ВА-101с верхним расположением горелок, которая используется на НПЗ ОАО «ТАИФ-НК» для получения водорода. Упрощенная схема камеры радиации показана на рис. 1. Она состоит из трех радиантных секций, образованных двумя рядами

вертикально расположенных

реакционных труб и боковыми стенами печи. Размеры печи: высота - 14 м, ширина -6 м, длина - 15 м. На своде радиантной камеры симметрично относительно трубных экранов расположены 3 ряда горелок. Подогретая реакционная смесь природного газа и водяного пара подается сверху в реакционные трубы, где на никелевом катализаторе происходит паровой риформинг углеводородов. В качестве сырья используется природный газ.

Рис. 1. Упрощенная схема части средней секции камеры радиации: 1 - трубный экран; 2 - шахта для отсоса дымовых газов; 3 - факел; 4 - горелки

© А.В. Садыков, Н.Г. Смолин, В.И. Емекеев, Д.Б. Вафин Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

Состав и температура получаемого продукта, температура наружной стенки реакционных труб определяются условиями протекания процессов как в объеме топочной камеры, так и внутри реакционных труб. Поэтому совместно решаются внешняя и внутренняя задачи теплообмена.

Однорядное расположение реакционных труб и горелок в направлении оси 0z, а также малая ширина секции, по сравнению с ее длиной, позволяют рассматривать задачу внешнего теплообмена в двухмерной постановке (в плоскости Оху). Малый диаметр реакционных труб по сравнению с размерами топочной камеры и малый шаг между ними позволяют заменить трубный ряд сплошной непрозрачной для излучения лучевоспринимающей поверхностью с эффективной степенью черноты [1].

Ряд горелок на своде заменяется сплошной узкой щелью с шириной, пропорциональной выходному диаметру амбразуры горелок. Для такой печи нужно сделать тепловой расчет средней секции и крайней секции, граничащей с боковой стенкой. Наличие плоскости симметрии позволяет рассматривать только одну половину средней секции.

Математическая модель внешней задачи содержит стационарные уравнения энергии, переноса энергии излучения, движения, неразрывности, модели турбулентности, модели горения. Температурное поле определяется решением двухмерного дифференциального уравнения энергии, которое для рассматриваемого случая имеет вид [1]

дГ

cpPu — + cppv

дТ

ду дх

дт

дх

д_ ду

дт дУ

+ Qy - div qp.

Здесь u, v - компоненты вектора скорости У по осям Ox, Oy соответственно; р - плотность продуктов сгорания; Cp - изобарная теплоемкость; 1, 1 т -

коэффициенты молекулярной и турбулентной теплопроводности; Т(х,у)-температура в точке с координатами х, у; QV - объемная плотность тепловыделения в результате горения топлива; qp - вектор плотности

интегрального по спектру лучистого потока тепла.

Дивергенция лучистых потоков находится путем решения уравнения переноса энергии излучения. Перенос энергии излучения рассматривается в рамках З2-приближения метода дискретных ординат (МДО). Граничные поверхности считаются диффузно излучающими и отражающими. Вопросы практической реализации З2-приближения МДО для рассматриваемой геометрии, а также вопросы совместного решения уравнений МДО с уравнениями энергии, движения продуктов сгорания, модели турбулентности, модели горения подробно рассмотрены в работе [1]. Для вычисления интегрального по спектру коэффициента поглощения газообразных продуктов сгорания использована модель взвешенной суммы серых газов [2].

Для нахождения распределения источников тепловыделений QV в объеме топочной камеры решаются дифференциальные уравнения модели горения. Горение рассматривается в рамках модели простой химической реакции. Для моделирования турбулентности используется модификация k-s модели турбулентности "Realizable". В объеме топочной камеры за счет дымососов имеется небольшое разряжение. Поэтому состояние дымовых газов рассматривается в приближении идеального газа. Более подробно математическая модель задачи рассматривается в работах [1, 3].

Для решения внешней задачи применен дифференциальный метод [1], который реализован в пакете программ. Дискретные аналоги дифференциальных уравнений, входящих в математическую модель задачи, образуют системы взаимосвязанных алгебраических уравнений. Коэффициенты и источниковые члены этих уравнений зависят от ряда переменных. Теплофизические параметры, входящие в уравнения, являются функциями от температуры. Температура продуктов сгорания в объеме топки в свою очередь является переменной величиной. Поэтому для решения задачи применяется итерационный алгоритм. Итерационный процесс организуется практически так же, как и в работе [3].

Для решения внутренней задачи используется метод, предложенный в [4]. В результате решения внутренней задачи находятся следующие параметры: распределение температуры и давления парогазовой смеси (ПГС), состава ПГС, степени конверсии метана по длине реактора; профиль температуры наружной стенки реакционных труб и др. Сделано предположение, что все реакционные трубы работают в одинаковых условиях.

Расчет сопряженного теплообмена проводится по тому же итерационному алгоритму, что и в работе [3].

Для изучения влияния подачи подогретого воздуха на горение проведена серия параметрических исследований. В проведенных исследованиях считается, что воздух предварительно подогревается в конвекционной секции печи. Температура воздуха варьировалась от -20°С до 200°С с переменным шагом.

Исходные данные для внутренней задачи следующие: давление и температура ПГС на входе в реактор: 3,0 МПа и 478°С соответственно; объемное отношение пар:газ 3,5:1; длина реакционной зоны трубы 15,2м; внутренний диаметр трубы 0,1м. Внутри реакционной трубы насыпан никелевый катализатор марки Ка1а1ео.

При подаче подогретого воздуха область интенсивного горения несколько смещается к амбразуре горелок. Поэтому максимальное значение температуры факела возрастает примерно на 35 оС (рис. 2). Вследствие этого распределение поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков к поверхности нагрева становится более неравномерным (рис. 3). Максимум в их распределении становится более ярко выраженным.

Т, К ------

1600 ------

1500 --№-----

1400 --^^----

1300 -- 1—---

1200

0 2 4 6 8 10 L, м

Рис. 2. Распределения температуры продуктов сгорания на плоскости симметрии при разных температурах воздуха на входе в печь: 1 - Тв = 0°С; 2 - Тв = 100°С; 3 - Тв = 200°С

, 3 ^2

qr, кВт

м2

110 100 90 80 70 60 50 40 30

( V3

Г \\

/ / А

/

/ 1

0

2

4

6

8 L, м

Рис. 3. Распределения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков по длине труб.

При увеличении температуры воздуха от 0°С до 100°С локальная температура внешней стенки реакционных труб местами увеличивается более чем на 20°С (рис. 4). Начиная с координаты L = 2,5 м распределение температуры по длине реакционных труб становится более равномерным. Температурный максимум с нижней части трубы смещается примерно к середине трубы. Температура дымовых газов на выходе из камеры радиации увеличивается на 20°С. Содержание кислорода в продуктах сгорания на выходе из камеры радиации с возрастанием температуры воздуха уменьшается, что свидетельствует о более полном сгорании топлива. Интегральные тепловые потоки к поверхности нагрева возрастают.

T, K 850

800

750

700

650

600

550

500

/3

Г.

r-r-rff: .-J5WS

/, 1

а 3

III 1 / \ s

in 111 Ii it i ш "' N 1

'// и 1 II II 1 4 Ii i

in in in »'

0 2 4 6 8 10 12 Ь. м Рис. 4. Изменение температуры наружной стенки реакционных труб и температуры ПГС по длине реакционной трубы:--температура стенки;----температура ПГС

С увеличением температуры подогретого воздуха от Тв = 0°С до 200°С температура ПГС по длине реакционной трубы и на выходе из трубы возрастает (рис. 4), выход водорода увеличивается примерно на 0,5% (в объемных долях), содержание метана в составе ПГС уменьшается на 0,5% (в объемных долях). Степень конверсии метана возрастает почти на 2%. Максимум в распределении температуры стенки труб смещается к своду и становится более ярко выраженным (рис.4). Из-за увеличения температуры стенки труб при температуре воздуха Тв = 200 оС уровень плотностей результирующих лучистых потоков к трубам начиная с L = 4 м становится ниже, чем при более низких температурах подаваемого воздуха (рис. 3).

Проведенные исследования показывают, что подача подогретого воздуха на горение позволяет несколько повысить тепловую экономичность печи, позволяет в определенной степени управлять распределением тепловых потоков к поверхности нагрева. Однако при этом не должно произойти перегрева труб.

Для подогрева воздуха рекомендуется установка дополнительного пучка труб в конвекционной камере. Осуществление конструктивной модернизации печи позволит повысить тепловую экономичность печи, снизить затраты энергоресурсов.

Summary

Below is analyzed the influence of heat air when burning in tubular furnaces of the petrochemical industry on a temperature mode within the volume of radiation chamber, on distribution of thermal streams, as well as on output of target products. A combination of external and internal problems of heat and mass exchange are in being solved. The mathematical model of external heat exchange in the chamber includes two dimensional stationary equations of energy, radiation energy transfer, movement, indissolubility, turbulence and burning models in the fire chamber. The differential method is applied when solving the external problem.

Key words: heat exchange, radiation, burning, tubular reactors, radiation chamber, top internal gases, temperature.

Литература

1. Вафин Д. Б. Дифференциальный метод теплового расчета топок: научное издание. Казань : Школа, 2008. 114 с.

2. Smith T. F., Shen Z. F., Friedman J. N. Evaluation of Coefficients for the Weighted Sum of Gray Gases Model // J. Heat Transfer. 1982. №104. P. 602-608.

3. Садыков А. В., Смолин Н. Г. Численное моделирование сопряженного теплообмена в трубчатой печи производства водорода // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т.3. Секция 3 / под общ. ред. В.С. Балакирева. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С. 24-28.

4. Садыков А. В., Смолин Н. Г., Елизаров В. И. Решение внутренней задачи конверсии природного газа в трубчатой печи // Вестник Казанского технологического университета / Казань: КГТУ. 2009. №6. C. 224-231.

Поступила в редакцию 21 декабря 2010 г.

Садыков Айдар Вагизович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Математика» Нижнекамского химико-технологического института (филиал) ГОУ ВПО КГТУ. Тел.: 8-917-8624162. E-mail: sadykov@land. ru.

Смолин Николай Геннадьевич - аспирант кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» Нижнекамского химико-технологического института (филиал) ГОУ ВПО КГТУ. Тел.: 8-960-069344.

Емекеев Владислав Иванович - директор НПЗ ОАО «ТАИФ-НК», г. Нижнекамск.

Вафин Данил Билалович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» Нижнекамского химико-технологического института (филиал) ГОУ ВПО КГТУ. Тел.: 8-917-8880228. E-mail: vafdanil@yandex. ru.