煤焦油加热炉是石油化工生产中的核心设备,加热炉内燃烧、传热传质的过程直接影响生产的稳定与高效运行。本文以一台工业实际应用的加氢催化裂解煤焦油加热炉为研究对象,开展了加热炉内燃烧、传热、沸腾、流动和炉管冲蚀问题的研究,探明了结焦与冲蚀破坏可能发生的位置,对煤焦油加热炉的优化设计与安全运行具有一定的参考意义。首先,建立了加热炉炉膛内流动与传热计算的数值模型,对比分析了不同燃烧模型和辐射模型组合下炉膛内的流场与温度分布规律,基于理论分析,选择组分输运燃烧模型和P-1辐射模型作为本文加热炉内燃烧的计算方法。其次,采用分步计算的方法,开展横管跑道型炉管结构加热炉内炉膛燃烧辐射、炉管导热与管内介质流动的共轭传热数值模拟,分析煤焦油在炉管内流动过程的温度变化规律,结果发现:由于炉管中部位于火焰面延伸区域,管内流体温度分布不均匀,存在局部高温区,其内膜温度高于临界结焦温度,会导致炉管出现结焦现象。再次,考虑煤焦油在炉管内流动过程的沸腾相变情况,数值模拟研究了最后五圈炉管内的沸腾换热过程,计算结果表明:随着流体的温度逐渐升高,逐渐出现煤焦油的汽化相变情况,沿着流动方向,气泡数量逐渐增加,含汽率和流体速度也逐渐增大,气液两相流型从泡状流向着波状流转变。最后,搭建气固两相冲蚀实验台,以炉管材质为冲蚀试件,实际工业生产中的催化剂载体为冲蚀颗粒,开展不同冲击角度、冲击速度、颗粒质量流量以及不同颗粒粒径的冲蚀实验。同时,开展与实验流场和工况相同的冲蚀磨损流场数值模拟。基于冲蚀实验结果,对比分析了Genernic、Finnie、Mc Luary以及Oka四种不同冲蚀模型的模拟误差,其中Oka模型的计算精度最高。因此,采用Oka模型模拟研究相变前后炉管的冲蚀磨损规律。结果表明:冲蚀磨损严重区域在流出弯管段;由于第1-18圈炉管内未发生相变,炉管冲蚀磨损程度接近;在19-23圈,随着沸腾程度的增加,气液两相流速逐渐增大,炉管的冲蚀磨损程度也逐渐增强。