加熱爐燃燒器燃料噴管角度對熱效率的影響研究*

陳長江，劉鵬鵬，陸 梅，胡成新，李美瑜，覃莞鈺

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

加熱爐，作為一種油氣的加熱設(shè)備，在油氣儲運過程與油氣田的各類站場中，發(fā)揮著重要的作用[1]，其運行情況和能耗水平，對油氣田節(jié)能降耗工作起著至關(guān)重要的作用。目前，各大油氣田中以加熱爐為核心的供熱系統(tǒng)主要存在的問題為[2-3]：1)加熱爐使用期過長，導(dǎo)致爐內(nèi)各設(shè)備腐蝕嚴(yán)重；2)油田產(chǎn)量變化與季節(jié)變化，導(dǎo)致加熱爐負(fù)荷差異大；3)現(xiàn)場環(huán)境與生產(chǎn)工況復(fù)雜，導(dǎo)致加熱爐的綜合性能差；4)生產(chǎn)區(qū)域分散，導(dǎo)致加熱爐安裝位置散亂，不便管理。為了提高傳統(tǒng)加熱爐的綜合性能，可從強化燃燒、改造自控技術(shù)、強化傳熱和換熱技術(shù)等方面對傳統(tǒng)加熱爐進(jìn)行了改進(jìn)[4]。本文以強化燃燒的方向，對加熱爐傳統(tǒng)的平直井口進(jìn)行了改進(jìn)，通過增大燃燒器噴管的角度，以縮短燃料與空氣的混合時間，提高火筒的溫度，進(jìn)而提高加熱爐的熱效率。

1 物理模型及邊界條件

1)物理模型

物理模型包括了燃燒器噴管與整個火筒結(jié)構(gòu)，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2所示，共509696個節(jié)點。其中，燃料為天然氣，用量為 200 m3/h。燃料組分如表1所示，燃?xì)馀c空氣的速度比為3.5。

2)邊界條件

已知燃料氣用量，因此燃燒器進(jìn)口噴管為速度進(jìn)口；煙管末端為壓力出口，設(shè)置值為 1000 Pa 的微正壓?；鹜驳膬?nèi)壁面為耦合壁面，外壁面為對流換熱。采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其中的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，湍流燃燒采用物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)模型，輻射傳熱采用離散坐標(biāo)法[5-8]。

圖1 加熱爐燃燒器及火筒幾何結(jié)構(gòu)

圖2 燃燒器及火管結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

表1 燃料氣組分

2 計算結(jié)果分析

1)速度流場

由于模型幾何結(jié)構(gòu)關(guān)于Z=0 m 中心對稱，所以在Z=0 m 截面上的速度場可直觀的觀察到燃料氣在火筒內(nèi)的湍流燃燒特性。此截面上不同燃燒器噴管角度前后的速度云圖如圖3所示。由圖3可知，火筒與煙管內(nèi)部均發(fā)生了不同程度的煙氣回流現(xiàn)象。煙氣的回流可以幫助燃料與空氣充分混合，還可以降低煙管出口的燃料氣含量，減少燃料用量，并且氧氣在火筒內(nèi)的濃度會降低。燃燒發(fā)生于低氧環(huán)境下，NOx的產(chǎn)生量會隨之減少，可以保護環(huán)境。當(dāng)燃燒器噴管角度為30°時，噴管出口氣體速度最高為 26 m/s，說明了適當(dāng)增大燃燒器噴管角度，可以增加火筒內(nèi)混合氣體的流速，對管內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷，不易生成污垢導(dǎo)致堵塞。

2)溫度流場

不同噴管進(jìn)口角度時火筒內(nèi)的溫度云圖如圖4所示。

圖3 不同噴管進(jìn)口角度時的速度云圖

圖4 不同噴管進(jìn)口角度時火筒內(nèi)的溫度云圖

由圖4可知，火焰存在于火筒部分的尾部，整個結(jié)構(gòu)的最高溫度位于煙管的出口附近，說明了煙管處為整個結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力最為集中的部位，此處易于發(fā)生燒穿的事故，所收到的壓應(yīng)力也較大，容易出現(xiàn)形變?；鹜矁?nèi)部溫度隨著噴管角度的增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，說明了噴管角度為30°時，可降低火筒與煙管的熱應(yīng)力，減少燒穿事故的發(fā)生。通過計算得出，噴管角度為0°時的火筒壁面平均溫度為 1361.2 ℃；噴管角度為30°時的火筒壁面平均溫度為 1379.8 ℃；噴管角度為60°時的火筒壁面平均溫度為 1386.6 ℃。隨著燃燒器噴管角度的增加，火筒內(nèi)的最高溫度與火筒壁面的平均溫度均有所提高，說明了通過增大燃燒器噴管角度的方法來強化火筒內(nèi)燃料的燃燒效果是可行的。

3)燃料用量對比

通過HYSYS軟件，建立了加熱爐的換熱模型，如圖5所示。

當(dāng)油品的流量定為 1885 t/d 時，將油品從 20 ℃ 加熱到 55 ℃。根據(jù)相關(guān)計算公式可得到不同噴管角度下加熱爐燃料氣用量[9]，如表2所示。由表2可知，隨著噴管角度的增大，燃料氣的使用量減小，說明了增大噴管的角度有助于企業(yè)節(jié)能減排，在一定程度上提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

圖5 噴嘴角度為30°加熱爐換熱模型

表2 燃?xì)庥昧勘?/p>

3 結(jié)論

為提高加熱爐的熱效率，對燃料氣噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，即由平直進(jìn)口改為有一定角度的噴嘴進(jìn)口。通過研究得出，當(dāng)火筒結(jié)構(gòu)的換熱面積不變時，增大燃料氣噴管角度，可改善燃燒效果，提高燃燒效率，降低燃?xì)庥昧浚瑴p少環(huán)境污染；當(dāng)噴管角度為30°時，可降低火筒與煙管內(nèi)的整體溫度，但不會降低壁面的平均溫度，可減少燒穿事故的發(fā)生。本文為加熱爐通過強化燃燒來提高燃燒效率提供了理論依據(jù)。