立式圓筒加熱爐運(yùn)行數(shù)值模擬

孫 東 于丹丹 馮國(guó)棟 張永學(xué) 鄭煒博

1勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心2中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

立式圓筒加熱爐運(yùn)行數(shù)值模擬

孫 東1于丹丹2馮國(guó)棟1張永學(xué)2鄭煒博1

1勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心2中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

加熱爐在正常運(yùn)行的情況下，影響其熱效率的主要因素是排煙熱損失和散熱損失，其中排煙熱損失占到加熱爐總能量損失的80%以上，是影響加熱爐熱效率的最敏感因素。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)。經(jīng)測(cè)算，空氣系數(shù)每增加10%或排煙溫度每增加20℃，加熱爐熱效率可降低1%。以勝利油田某立式圓筒加熱爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其熱力性能進(jìn)行研究，分析過?？諝庀禂?shù)變化和排煙溫度對(duì)注氣鍋爐內(nèi)溫度場(chǎng)、熱效率和NOx生成量等指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)過剩空氣系數(shù)為1.05，排煙溫度為130℃，內(nèi)壁反射率為0.4時(shí)，加熱爐達(dá)到最優(yōu)工況。

立式圓筒加熱爐；數(shù)值模擬；熱效率；過?？諝庀禂?shù)；NOx濃度

據(jù)統(tǒng)計(jì)，石油行業(yè)中管式加熱爐的燃料消耗費(fèi)用能達(dá)到被加熱介質(zhì)總價(jià)值的5%，因此加熱爐對(duì)油田降低能耗和控制成本有重要的影響[1]。一般來說，加熱爐在正常運(yùn)行的情況下，影響其熱效率的主要因素是排煙熱損失和散熱損失，其中排煙熱損失占到加熱爐總能量損失的80%以上，是影響加熱爐熱效率的最敏感因素。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)。經(jīng)測(cè)算，空氣系數(shù)每增加10%或排煙溫度每增加20℃，加熱爐熱效率可降低1%。以勝利油田某立式圓筒加熱爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其熱力性能進(jìn)行研究，分析過剩空氣系數(shù)變化和排煙溫度對(duì)注氣鍋爐內(nèi)溫度場(chǎng)、熱效率和NOx生成量等指標(biāo)的影響。

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬的幾何模型為勝利油田某立式圓筒加熱爐，輻射室為圓柱形，直徑11.7 m，高21.5 m；對(duì)流室為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)7.7 m，寬3.2 m，高10.6 m；煙囪為圓柱，直徑為2.7 m，高25.2 m。12個(gè)燃燒器均勻分布在距離燃燒室中心3.5 m的爐膛底部。

計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)輻射室和燃燒器出口。網(wǎng)格劃分主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格過渡的方式，在計(jì)算的主要區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在燃燒器與爐體結(jié)合部位以及復(fù)雜的邊界處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2 計(jì)算模型和邊界條件選擇

燃料由燃燒器噴口噴射入爐膛，流態(tài)為湍流，計(jì)算模型選擇湍流的雷諾平均控制方程組。其中湍流模型選用基于渦黏理論的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型；燃燒模型選擇渦團(tuán)耗散概念模型；輻射模型選擇離散坐標(biāo)模型；NOx生成選擇熱力型和快速型生成模型，壓力—速度耦合方法采用SIMPLE方法。

邊界條件采用速度入口和壓力出口邊界條件，其中加熱爐運(yùn)行工況時(shí)，燃料入口質(zhì)量流量為0.83 kg/s，溫度為348 K；空氣入口質(zhì)量流量為1.86 kg/s（過?？諝庀禂?shù)為1.15），溫度為468 K；輻射室和對(duì)流室采用恒溫固壁面條件，其他壁面為絕熱條件。

3 空氣過剩系數(shù)對(duì)加熱爐性能的影響

3.1 對(duì)爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

取空氣過剩系數(shù)1.0～1.2，共5組，進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示。發(fā)現(xiàn)當(dāng)過?？諝庀禂?shù)由1.0增大至1.05后，爐膛內(nèi)溫度分布更為均勻，說明送風(fēng)量的增大加速了燃料與空氣的混合，從而使燃燒更加劇烈和完全，使溫度分布向均勻方向發(fā)展。而當(dāng)過剩空氣系數(shù)由1.05逐漸增加至1.2過程中，爐內(nèi)的火焰溫度和爐膛平均溫度呈明顯降低趨勢(shì)，說明此時(shí)氧氣濃度的增加對(duì)燃燒效果的改善作用逐漸減弱，使?fàn)t膛溫度進(jìn)一步升高趨勢(shì)放緩；而過量的冷空氣通過升溫?fù)Q熱使?fàn)t膛溫度降低的效應(yīng)開始逐步顯現(xiàn)，溫度場(chǎng)分布均勻性降低。分析可知，過?？諝庀禂?shù)取1.05時(shí)，爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布最為合理，此時(shí)燃燒狀況最為理想。

3.2 對(duì)熱效率的影響

過?？諝庀禂?shù)對(duì)加熱爐熱效率的影響結(jié)果是：當(dāng)過?？諝庀禂?shù)在1.0～1.05范圍變化時(shí)，熱效率隨著過?？諝庀禂?shù)增大而升高；當(dāng)過?？諝庀禂?shù)為1.05時(shí)，曲線出現(xiàn)峰值，熱效率達(dá)到最大值90.55%。說明隨著過?？諝庀禂?shù)的增大，通入爐內(nèi)的氧氣量不斷增加，加快了燃燒速度，溫度分布更均勻，使熱效率升高；峰值處表明此時(shí)爐膛內(nèi)火焰燃燒最為充分，輻射傳熱效率高，保證了較高的熱效率；而當(dāng)過?？諝庀禂?shù)超過1.05后，大量冷空氣的通入使?fàn)t內(nèi)溫度降低，同時(shí)未參與反應(yīng)的空氣和氮?dú)鈹y帶大量熱量以煙氣的形式直接排出，造成較多熱損失。因此過剩空氣系數(shù)越大，熱效率越低。

圖1 過?？諝庀禂?shù)對(duì)溫度分布的影響

3.3 對(duì)NOx排放的影響

取空氣過剩系數(shù)1.0～1.2，共5組，進(jìn)行數(shù)值模擬以分析爐內(nèi)NOx的生成規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。在過?？諝庀禂?shù)小于1.05時(shí)，隨著過?？諝庀禂?shù)增大，加熱爐內(nèi)NOx濃度明顯增加，說明隨著過剩空氣系數(shù)的增大，進(jìn)入爐內(nèi)氧氣量增加，對(duì)NOx生成速率有明顯的促進(jìn)作用。在過?？諝庀禂?shù)大于1.05時(shí)，隨著過?？諝庀禂?shù)的增大，NOx濃度降低，說明過量冷空氣的通入降低了爐內(nèi)溫度，雖然氧氣濃度升高，但受到溫度下降的影響，NOx反應(yīng)受到抑制，使NOx濃度隨著過剩空氣的增大而降低。當(dāng)過?？諝庀禂?shù)為1.05時(shí)，NOx的生成量最大。

4 排煙溫度對(duì)加熱爐性能的影響

隨著排煙溫度的升高，熱效率近似呈線性降低。降低排煙溫度是降低加熱爐生產(chǎn)成本和提高加熱爐熱效率的有效方式之一，其對(duì)提高余熱回收效率和減小熱損失有明顯的促進(jìn)作用。但排煙溫度控制過低，將導(dǎo)致煙氣中部分液化的污染物與灰塵附著在換熱器及爐管上，造成換熱器和爐管受熱面腐蝕和燒穿，影響鍋爐的正常運(yùn)行，因此排煙溫度不能控制過低。通常排煙溫度控制在130℃左右為最佳。

5 反射率對(duì)加熱爐性能的影響

常溫下耐火磚發(fā)射率一般為0.5～0.7，同時(shí)發(fā)射率會(huì)隨著爐溫的升高而下降。當(dāng)溫度達(dá)到1 000～1 300 K時(shí)，耐火磚的發(fā)射率只有0.5，溫度達(dá)到1 600 K時(shí)，發(fā)射率就會(huì)降到0.4左右；而采用高輻射能力的材料（如微納米高輻射覆層）可一直保持0.9以上的發(fā)射率，有效提高爐膛內(nèi)壁的輻射能力，因此提高爐膛內(nèi)壁反射率對(duì)熱效率的提高有重要作用[2]。以加熱爐的輻射室模擬為對(duì)象，對(duì)爐膛內(nèi)壁的發(fā)射率與熱效率的關(guān)系進(jìn)行模擬。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)反射率小于0.4時(shí)，熱效率隨著反射率的增加近似呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)反射率大于0.4時(shí)，反射率增大，而熱效率增大減緩。

6 結(jié)語

（1）當(dāng)其他條件一定，過?？諝庀禂?shù)在1.0～1.05變化時(shí)，熱效率和NOx生成量均隨著過?？諝庀禂?shù)增大而增大；當(dāng)過剩空氣系數(shù)為1.05時(shí)，熱效率和NOx生成量均達(dá)到最大值；當(dāng)過?？諝庀禂?shù)在1.05～1.2變化時(shí)，隨著過?？諝庀禂?shù)的增大，熱效率和NOx生成量均逐漸降低。

（2）隨著排煙溫度的升高，熱效率近似呈線性降低；但受到低溫腐蝕的影響，排煙溫度不能控制得過低，通常在130℃左右為佳。

（3）當(dāng)反射率小于0.4時(shí)，熱效率隨著反射率的增加近似呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)反射率大于0.4時(shí)，隨著反射率增大，熱效率增大減緩，內(nèi)壁反射率為0.4時(shí)，加熱爐達(dá)到最優(yōu)工況。

[1]靳世平，蘇紅星，陳維漢，等．管式加熱爐旋流場(chǎng)燃燒節(jié)能技術(shù)研究[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（5）：76-79．

[2]崔苗，陳海耿，陳宇，等．加熱爐內(nèi)爐氣的發(fā)射率和吸收率研究[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（1）：97-100．

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.011