空气预热温度对管式加热炉燃烧性能影响的研究

空气预热温度对管式加热炉燃烧性能影响的研究

张琳，汪洋，赵庆良，姜晓,王会强，杨罡,赵利群，薛磊

(常州大学机械工程学院,江苏常州213016)

摘要：为了减少管式加热炉燃烧NOx的排放和提高加热炉的燃烧效率，实现加热炉的高效低氮燃烧，以某石化公司的F1001常压炉为研究对象，建立了常压炉物理模型，选用标准k-ε模型、非预混合湍流扩散燃烧PDF模型、P-1辐射模型、NOx生成模型对加热炉内的燃烧过程进行了数值模拟研究。研究结果表明：提高空气预热温度可以扩大炉内的高温区域，有利于炉管内原油的加热；燃烧NOx生成量和炉管出口油温随空气预热温度的升高而增大，当空气预热温度超过240℃时，NOx生成量急剧增大，所以空气预热温度以240℃为宜，此时NOx生成量为137 mg/m`3，低于国家标准200 mg/m`3。炉膛温度和出口油温测量值与模拟值进行了比较，二者吻合较好。研究结果为某企业常压炉的运行监控提供了参考依据。

关键词：管式加热炉；空气预热温度；氮氧化物；污染物控制；燃烧；数值模拟

中图分类号：TE963

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 05-0387-05

收稿日期2014-09-27修订稿日期2015-06-27

基金项目：江苏省科技厅计划项目(BY2012102);江苏省环保厅科研课题(2012003)

作者简介：张琳(1969~)，女，博士，教授，研究方向为过程强化与节能、污染物控制等。

Abstract：In order to reduce the emission of NOx and improve the combustion efficiency in tube furnace, a physical model was established. The standard k-ε model, non-premixed turbulent diffusion combustion PDF model, P-1 radiation model and NOx generation model were chosen to simulate the combustion process of tube furnace by the software FLUENT. The results show that the improvement of air preheated temperature can expand the high temperature region in the furnace and be beneficial to heating oil in tubes. The amount of NOx and the temperature of the oil increased as the air preheated temperature raised, and when the air preheated temperature exceeded 240℃, the amount of NOx would increase rapidly. The best air preheated temperature for the tube furnace is 240℃.When air preheated temperature is 240℃, the amount of NOx is 137 mg/m`3, which is below the national standard 200 mg/m`3 .The simulated results of temperature in the furnace and the oil temperature of outlet of tube furnace were compared with measure data, which shows a good agreement with measure data. The result of the research can provide a reference for the operation monitor of the tube furnace in a petrified factory.

Influence of Preheated Air Temperature on Combustion Performancein Tube Furnace

ZHANG Lin,WANG Yang,ZHAO Qing-liang,JIANG Xiao,WANG Hui-qiang,YANG Gang,ZHAO Li-qun,XUE Lei

(School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，China)

Key words：tube furnace; air preheated temperature; nitrogen oxide; pollutant control; combustion; numerical simulation

管式加热炉是利用燃烧产生的高温烟气给炉管加热，把管内原油加热到符合工艺要求，是一种高耗能设备[1]。加热炉炉堂内的燃烧过程非常复杂，涉及流体流动、化学反应、辐射传热等过程[2]。许多学者就如何提高加热炉的燃烧效率、降低燃烧污染物的排放、结构优化等方面开展了大量工作。

李元青[3]应用CFD软件FLUENT，以管式加热炉燃气燃烧器为对象，分析了结构改进对燃烧器性能的影响，表明了采用分级配风方式和增加燃烧器喷孔数量均能有效地提高燃料利用率。顾玮伦等[4]研究了空气分级对锅炉NOx排放的影响，并能有效降低NOx的排放。刘波等[5]以某炼油厂管式加热炉空气分级燃烧器为研究对象，研究了5种不同二次风分级比工况下，辐射室内速度、温度、组分浓度、火焰高度和NO生成速率的变化规律。文献[6-7]研究了空气预热温度对加热炉炉膛中NOx生成规律的影响，并以NO的排放量作为选择合理空气预热温度的依据。Heynderickx等[8]对加热炉炉内的化学反应及物理过程进行了数值模拟研究，得到了炉内的温度分布，组分浓度分布和压力分布的详细信息。

目前，国内未见采用加热炉实物模型作为研究对象，同时考虑了实际炉管，获取加热炉炉膛流场信息和炉管出口油温，并与工程实践测试数据进行对比的研究。本文以某石化企业800万t/年炼油装置中的F1001常压炉作为研究对象，结合实际工程尺寸，建立包括燃烧器、炉管和炉膛的几何模型，通过FLUENT软件，探讨空气预热温度对炉膛温度场、NOx生成量及炉管出口油温的影响规律，并把数值模拟值与工程运行测试值进行对比，为加热炉的高效运行和低氮燃烧提供参考依据。

1研究对象

1.1　管式加热炉几何模型

某石化公司800万t/年炼油装置中的F1001常压炉，炉膛内共有24个燃烧器、4个辐射室和8组通有原油的管程，每组管程有34根炉管。为了节省计算资源和时间，取常压炉的四分之一建立物理模型如图1所示，即6个燃烧器、1个辐射室和2组原油管程68根炉管。

图1　四分之一常压炉结构简图

空气分级燃烧器结构简图如图2所示。每个燃烧器的燃气喷枪上开有9个喷射角为20°，直径为7 mm的喷口；一次风入口内外径分别为Φ100 mm和Φ184 mm，二次风入口内外径分别为Φ250 mm和Φ480 mm，燃烧火道采用扩颈出口形式；燃气喷枪、一次风道、二次风道和燃烧火道为同轴结构。燃料气为多组分气体，成分含量如表1所示。

表1燃料气成分

燃料气成分名称O2N2CO2H2CH4C2H4C2H6mol[%]2.38.54.73021.312.311.7名称C4H10C5H12C3=C4C3H2S—mol[%]0.90.84.41.71.40.002—

图2　空气分级燃烧器结构简图(单位mm)

1.2　网格模型

采用Gambit软件对图1所示的常压炉模型进行了网格划分。由于模型包含了图2所示的燃烧器、68根直径为Φ194 mm的炉管、长宽高为11 360 mm×4 030 mm×14 500 mm的炉膛和3个2 000 mm×2 000 mm的正方形排烟口，且燃烧器、炉管与炉膛几何尺寸相差较大，故划分网格时采用混合结构网格，并对速度场、温度场梯度变化大的燃烧器出口下游区域、燃烧器的喷嘴、燃烧火道及风道进行了局部的加密，网格模型如图3所示，网格总数为1 114 890。燃烧器和炉管的最小网格尺寸分别为40 mm和80 mm，炉膛内最小网格尺度为110 mm，最大500 mm。

图3　管式加热炉网格模型

2数学方法及边界条件

为了获得炉管中原油的温度，对计算域进行了两次数值求解。第一次求解当残差曲线平稳且炉膛出口温度及氧含量稳定后认为收敛，获取此时烟气对炉管的平均热流强度，再以该热流强度作为炉管壁的温度边界条件和第一次计算所得的流场作为初始条件对整个计算域再一次进行数值求解。

2.1　湍流模型

基于FLUENT中的三维稳态算法，选取适用范围广且具有合理精度的标准k-ε模型来模拟炉膛中烟气的湍流流动。

2.2　组分燃烧模型

加热炉中的燃料与氧化剂未经混合直接进入燃烧室反应，属于非预混合湍流扩散燃烧，选用PDF模型(Description of the Equilibrium Mixture Fraction/PDF Model)来考虑湍流效应。该模型可预测中间生成的组分，考虑湍流流动中的耗散现象和化学反应与湍流之间的相互作用，并假设流体的瞬时热化学状态与混合分数相关，混合分数定义为[9]

(1)

式中Zi——组分i的质量分数(下标ox代表氧化剂入口处的值;fuel——代表燃料入口处的值)。

(2)

(3)

式中μt——湍流扩散系数;

常数σt=0.85，Cg=2.86，Cd=2.0。

2.3　辐射模型

辐射传热采用计算量较小的P-1模型[4]，对于光学厚度较大(αL>>1)的计算问题P-1模型的计算效果较好[5,10]。对于辐射热流qr，用下式计算

(4)

式中α——吸收系数;

G——入射系数;

σs——散射系数;

C——线性各相异性相位函数系数;

2.4　NOx生成模型

FLUENT中的NOx模型能够模拟热力型、快速型、燃料型以及由于燃烧系统中回燃导致的NOx的消耗。大多数燃烧过程产生的NOx主要成分是NO，N2O和NO2只占很少一部分，故只计算NO模型。热力型NOx是通过氧化燃烧空气中的氮气形成的，主要受温度影响。高温反应区的火焰中的中间生成物HCN及氨化合物对快速型NO的生成起主要作用，由于快速型NOx也来源于空气的氮，因此快速型NOx归入热力型NOx。燃料型NOx指的是燃料中的氮元素经氧化而成。由于燃烧的燃料气中氮元素较少，故只按Zeldovich热力型NO生成机理来考虑NO的生成，NO生成的速度表达式为[11]

(5)

R——通用气体常数/kJ·mol-1·℃-1,

R=8.314kJ/(mol·℃);

t——时间;

T——绝对温度。

2.5　边界条件

进口条件：燃料气入口为速度进口，速度为11.5 m/s，温度为50℃；根据加热炉实际工况，空气预热至240℃，一次风和二次风进口速度分别为2.2 m/s、2.86 m/s；原料油入口为质量进口，质量流量为33 kg/s，水力直径为194 mm，温度为310℃。

出口条件：原油出口为压力出口，压力为250 kPa；烟气出口为压力出口，压力为-38 Pa。

壁面条件：炉管壁设置为导热壁，温度为327℃、黑度为0.85；炉膛壁面温度设为627℃、黑度为0.85；其他壁面均为绝热壁面，采用无滑移标准壁面函数处理炉膛壁面和炉管壁面。

3计算结果及分析

3.1　空气预热温度对炉膛平均温度的影响

空气预热温度对炉膛平均温度的影响曲线如图4所示。从图4可看出：由于预热空气带进炉膛的热量增大了燃烧化学反应速率，故炉膛平均温度随空气预热温度的增大而增大，这表明提高空气预热温度有助于燃料充分燃烧，提高炉膛温度。

图4　空气预热温度对炉膛平均温度的影响

图5　空气预热温度对炉膛高度方向温度分布的影响

3.2　空气预热温度对炉膛温度分布的影响

空气预热温度对炉膛高度Z轴(X=2310，Y=0，即第2个燃烧器的中心Z轴面)方向温度分布的影响如图5所示。从图中可看出：随着空气预热温度的升高，炉膛内高温区域逐渐增长。这说明空气预热温度的提高有利于炉膛内温度和炉管管壁温度的均匀性，从而使炉膛内高处炉管的受热更好，传热效率更高，炉管内原油获得了更多的热量。但研究也发现，预热温度超过240℃之后，燃料气在燃烧器出口处迅速完成燃烧，炉膛底部的温度较高，易产生局部过热而影响加热炉和炉管的寿命。

3.3　空气预热温度对NOx生成量的影响

空气预热温度对NOx生成量的影响曲线如图6所示。从图6中可看出：NOx生成量随空气预热温度的升高而升高。当温度为240℃时，NOx生成量为137 mg/m3，低于国家标准200 mg/m3，温度超过240℃之后，NOx生成量急剧升高，原因是炉膛温度的升高大大促进了热力型NOx的生成。所以从提高燃烧效率方面来说，预热温度越高对燃烧越有利，但是从污染物的控制角度来说，提高空气预热温度增高了炉膛温度，对污染物的排放不利，综合考虑，某石化公司的常压炉预热空气温度240℃为宜。

3.4　空气预热温度对出口油温的影响

空气预热温度对炉管出口油温的影响如图7所示。由图7可看出：炉管出口油温随空气预热温度的升高而升高，适当提高空气预热温度对炉管出口油温的升高有利，但是过高的空气预热温度会使炉管出口油温超出工艺允许值，对于某企业F001常压炉的油品来说，最佳空气预热温度为240℃。

图6　空气预热温度对NOx生成量的影响

图7　空气预热温度对炉管出口油温的影响

3.5　测试值与数值模拟值对比

某企业F1001常压炉实际工况的空气预热温度为240℃，炉膛内位置1 (0，1 800，3 000)和位置2(0，-1 800，3 000) 处的热电偶温度传感器测得的温度值与模拟值对比如表2所示。从表2可看出：测试值与模拟值吻合较好，正负误差均小于5%。其中，位置1的测试值比模拟值低，误差为2.2%，原因是测点1靠近炉膛的外壁，实际工作中外壁有散热，而模拟时炉壁设为绝热边界；位置2的测试值比模拟值高，误差为-1.5%，原因是实际的常压炉是4个辐射室，位置2同时还受到临近辐射室的热辐射影响，而模拟时只取四分之一常压炉作为研究对象，未考虑临近辐射室的热辐射。这也是炉膛位置1和2的测量值误差为4.5%，模拟值误差仅为0.7%的原因。

表2测试值与模拟值对比

参数出口油温/℃炉膛位置1/℃炉膛位置2/℃横向误差测试值 355.5657.9687.74.5%模拟值 359.4672.8677.50.7%纵向误差1.1%2.2%-1.5%—

4结论

(1)根据某企业F1001管式常压炉建立了带有原油管程的加热炉几何模型，采用标准k-ε模型、非预混合湍流扩散燃烧PDF模型、P-1辐射模型和NOx生成模型对管式常压炉的内部流场进行数值研究，温度场计算结果与测试值吻合较好。

(2)空气预热温度对炉膛温度、NOx生成量和炉管出口油温都有一定的影响，提高空气预热温度可扩大炉膛内的高温区域，有利于炉管的加热和提高炉管出口油温，但空气预热温度超过240℃之后，燃烧过于迅速，炉膛底部温度较高，易产生局部过热而影响加热炉和炉管的寿命。

(3)NOx生成量随空气预热温度的升高而增大，当空气预热温度超过240℃时，NOx生成量急剧增大，某石化企业的常压炉空气预热温度240℃为宜，NOx生成量为137 mg/m3，低于国家标准200 mg/m3，可实现低氮、高效燃烧。

参考文献

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