方箱炉旋流燃烧技术研究与应用

葛京鹏，靳世平

(1.南京赛乐密封材料有限公司，江苏 南京 210007)

(2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

石油化工行业是工业耗能大户，其中管式加热炉是重要的耗能设备。为了达到节能的目的，目前管式炉的设计均采用在炉膛辐射段烟气出口加装对流段，在对流段出口再加装空气预热器来降低排烟温度[1]。对于那些热效率不高、结构条件不允许做过多改变的圆筒形管式加热炉，通过将多喷口直流向上的燃烧方式改为多喷口旋流向上燃烧方式，强化了炉膛燃烧和传热，可以有效降低炉膛出口烟气温度，提高炉子热效率[2－3]。本文以某公司实际运用的方箱炉为对象，进行了一系列冷、热态模拟对比试验和工业应用研究，证明了采用旋流燃烧器可以强化传热。

1 流场模拟对比及冷态试验

1.1 研究对象结构与试验模型

研究对象为方箱焦化加热炉，其结构如图1所示。

原理如下:方箱炉加热物料为焦油，待加热焦油由炉膛上部炉管进料，流经炉膛辐射室炉管经加热后从方箱炉下部炉管流出。炉管排列在炉膛两侧炉墙边。5个燃烧器一字排列在方箱炉的炉底，火焰向上燃烧，炉顶开有两个矩形烟道孔，将烟气二次汇聚到烟囱中向上排放。

为了分析对比，针对上述方箱炉，制作了一个缩小尺寸的炉子模型，以便对该炉子进行流场数值模拟和流动显示对比研究。图2是模拟模型的结构和尺寸简化图。

图1 方箱管式焦油加热炉

图2 模拟模型简化示意图

模型为方箱式结构，上部为斜面，顶部有两个模拟烟道的开口，并对模型划分了若干纵截面和横截面，且加以编号。对于炉底部燃烧器的布置，分为两种形式，一种是底部向上5个喷嘴成单排布置，另一种是底部倾斜向上喷嘴成双排布置，其倾斜的方向，从顶部看可以形成两个反向旋，如图3所示，喷口处箭头表示射流倾斜的方向。

图3 炉底板燃烧器喷口布置方式

1.2 流场模拟对比

首先采用fluent计算软件进行炉内冷态流动的数值模拟对比，其入口条件为:两种燃烧器的排列方式下，总质量流量和出口流速一样，总质量流量˙m=0.0648kg/s;出口速度v=7.2m/s。边界条件为:壁面为无滑移边界条件，出口为充分发展条件。

流动方程统一形式为:

湍流模型采用RNG k-ε模型。

图4 直流喷口不同截面v等速云图

图4为直流喷口方式时炉内不同高度截面的v(向上)流速等值云图，图中可以看出截面流速分布的不均匀性在炉内相当高度时仍然明显，例如第5层喷口中心处最高流速仍达到6m/s。图5为旋流喷口方式时炉内不同高度截面的v(向上)流速等值线图，可以看出截面流速分布的不均匀性被旋流大大削弱，最高层的最高流速已经降低到不足2m/s。

图5 旋流喷口不同截面v等速线图

图6和图7为两种喷射垂直截面流动矢量图比较。从图中可以看出，单排直流喷射时流动成束腰状，而双排旋流喷射时下部流动明显成扩张型，这对强化炉内燃烧和传热是相当有利的。

图6 直流喷射垂直截面流动矢量图

1.3 冷态试验

对模型炉进行了冷态流动显示，如图8所示，粘贴在喷口边缘的飘絮飘动的方向表明不同倾斜喷口喷出的气流确能相互影响，形成旋转的流场，这一点和数值模拟的结果是一致的。

图7 旋流喷射垂直截面流动矢量图

图8 旋流喷射飘絮显示照片

2 热态试验

设计制作了热态模拟试验炉，试验炉依照原形按比例缩小，炉膛截面为1.95m×1.05m(长 ×宽)。炉管均匀分布于炉膛的两个侧面，每一侧布有26根横列炉管，S型连接，单管程。被加热介质采用压缩空气，其在炉内的流程为上进下出。炉膛内壁和炉底板用硅酸铝纤维材料保温。燃料采用石油液化气，由燃烧器喷口向炉内喷射燃烧，助燃空气由烟囱抽力形成炉膛负压吸入喷口后与燃料混合扩散燃烧。

本次研究进行了2种燃烧方式的试验对比，见表1，即按照原型炉的燃烧方式:单排5个喷口直流向上燃烧、双排8个喷口倾斜向上(倾斜角45°)形成双涡旋流燃烧，在两个旋流中心各加一个高度为0.5m的导流筒，喷口倾斜射流方向如图3(b)所示。

表1 两种试验方案的燃烧器形式和布置

试验时，按照原型加热炉的断面热负荷选择煤气流量、助燃空气流量和被加热工质(压缩空气)流量等参数，并保持各次试验时参数相同，此时设计的单个燃烧器喷口煤气和空气流速也相同，其具体参数见表2。

表2 燃烧器技术参数

试验中对炉管管壁温度、管内空气进出口温差和炉膛烟气出口温度进行了测量[4]，试验条件下数据显示，采取上述措施后，炉管管壁平均温度要提高20℃。2种工况被加热空气进出口温差和炉膛出口烟气温度对比见表3，从表中可以看出直流燃烧改为旋流后，与管壁温度提高相对应的是被加热空气进出口温差的提高和排烟温度的降低。

表3 热态试验工况对比

试验结果表明，矩形截面炉膛采用两组每组4个燃烧器喷口倾斜向上的有序布置，其气流可以形成两个反向旋转的涡旋，此种方式强化了燃烧和传热，如果在每个涡旋中再布置一个圆形导流筒，可起到稳定气流和增强辐射的作用，这些措施会使炉膛下部的炉管管壁温度大幅度升高，工质在炉膛内的吸热量增加，从而提高了加热炉炉膛的热效率。预计在实际加热炉中，火焰温度会进一步提高，导流筒采用耐火浇注料制作，辐射换热的增强作用会更加明显，这样节能效果更加可观。

3 工业应用

采用上述理论与实验研究成果，对某化工公司的方箱式焦油加热炉(设备编号:F2601)进行了直改旋燃烧节能改造。具体改造涉及如下几处:

a.炉体燃烧器数量和布置方式的改变，由中间一排5个改为两边两排共8个(一排4个)，并通过预制弯头形成双旋流。

b.在两组旋流喷头中间各加1个导流辐射筒，起加强旋流和辐射的作用，该导流辐射筒用高铝重质浇注料现场施工时浇注。

c.仪表增加氧分析仪。

改造1年多后根据改造前后的生产运行记录参数进行等值换算，得到结果见表4。

表4 F2601节能分析表

表4中反映了经过改造后炉子能耗有明显的下降。值得注意的是，由于改造后所供煤气热值下降，导致炉内燃烧温度降低，直接影响辐射段传热效果，不然能耗下降率会更大一些。

4 结论

对箱形管式炉底部向上直流燃烧方式，可通过安装不同倾斜角度喷口改进为多喷口整体双旋流燃烧方法。旋流加强了炉子下部流动的均匀性，强化了炉膛燃烧和传热，用于管式炉节能改造，可在同等热负荷条件下使炉膛出口烟气温度下降，炉子热效率可提高4%以上，节能效果显著。

[1] 钱家麟.管式加热炉[M].北京:中国石化出版社，2003:541－543.

[2] 靳世平，钱壬章，顾镇均，等.圆筒形苯加氢改质炉炉尾超温治理研究[J].节能，1999(6):27－29.

[3] 靳世平，苏红星，陈维汉，等.管式加热炉旋流场燃烧节能技术研究[J].华中科技大学学报:自然科学版，2005，33(5):76－78.

[4] 靳世平，胡宪法，戴鸣，等，方方箱炉炉内强化传热的热态试验[J].华中科技大学学报:自然科学版，2006，34(10):83－85.