立式圓筒加熱爐運行數值模擬

孫 東 于丹丹 馮國棟 張永學 鄭煒博

1勝利油田技術檢測中心2中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

立式圓筒加熱爐運行數值模擬

孫 東1于丹丹2馮國棟1張永學2鄭煒博1

1勝利油田技術檢測中心2中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

加熱爐在正常運行的情況下，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剩空氣系數。經測算，空氣系數每增加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象，采用數值模擬的方法對其熱力性能進行研究，分析過剩空氣系數變化和排煙溫度對注氣鍋爐內溫度場、熱效率和NOx生成量等指標的影響。結果表明：當過剩空氣系數為1.05，排煙溫度為130℃，內壁反射率為0.4時，加熱爐達到最優工況。

立式圓筒加熱爐；數值模擬；熱效率；過剩空氣系數；NOx濃度

據統計，石油行業中管式加熱爐的燃料消耗費用能達到被加熱介質總價值的5%，因此加熱爐對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剩空氣系數。經測算，空氣系數每增加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象，采用數值模擬的方法對其熱力性能進行研究，分析過剩空氣系數變化和排煙溫度對注氣鍋爐內溫度場、熱效率和NOx生成量等指標的影響。

1 模型建立和網格劃分

數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；對流室為長方體，長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個燃燒器均勻分布在距離燃燒室中心3.5 m的爐膛底部。

計算區域包括整個輻射室和燃燒器出口。網格劃分主要采用結構化網格為主，非結構化網格過渡的方式，在計算的主要區域采用結構化網格，在燃燒器與爐體結合部位以及復雜的邊界處采用非結構化網格。

2 計算模型和邊界條件選擇

燃料由燃燒器噴口噴射入爐膛，流態為湍流，計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準k-ε雙方程模型；燃燒模型選擇渦團耗散概念模型；輻射模型選擇離散坐標模型；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，其中加熱爐運行工況時，燃料入口質量流量為0.83 kg/s，溫度為348 K；空氣入口質量流量為1.86 kg/s（過剩空氣系數為1.15），溫度為468 K；輻射室和對流室采用恒溫固壁面條件，其他壁面為絕熱條件。

3 空氣過剩系數對加熱爐性能的影響

3.1 對爐膛內溫度場的影響

取空氣過剩系數1.0～1.2，共5組，進行數值模擬對比分析，結果如圖1所示。發現當過剩空氣系數由1.0增大至1.05后，爐膛內溫度分布更為均勻，說明送風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展。而當過剩空氣系數由1.05逐漸增加至1.2過程中，爐內的火焰溫度和爐膛平均溫度呈明顯降低趨勢，說明此時氧氣濃度的增加對燃燒效果的改善作用逐漸減弱，使爐膛溫度進一步升高趨勢放緩；而過量的冷空氣通過升溫換熱使爐膛溫度降低的效應開始逐步顯現，溫度場分布均勻性降低。分析可知，過剩空氣系數取1.05時，爐內溫度場分布最為合理，此時燃燒狀況最為理想。

3.2 對熱效率的影響

過剩空氣系數對加熱爐熱效率的影響結果是：當過剩空氣系數在1.0～1.05范圍變化時，熱效率隨著過剩空氣系數增大而升高；當過剩空氣系數為1.05時，曲線出現峰值，熱效率達到最大值90.55%。說明隨著過剩空氣系數的增大，通入爐內的氧氣量不斷增加，加快了燃燒速度，溫度分布更均勻，使熱效率升高；峰值處表明此時爐膛內火焰燃燒最為充分，輻射傳熱效率高，保證了較高的熱效率；而當過剩空氣系數超過1.05后，大量冷空氣的通入使爐內溫度降低，同時未參與反應的空氣和氮氣攜帶大量熱量以煙氣的形式直接排出，造成較多熱損失。因此過剩空氣系數越大，熱效率越低。

圖1 過剩空氣系數對溫度分布的影響

3.3 對NOx排放的影響

取空氣過剩系數1.0～1.2，共5組，進行數值模擬以分析爐內NOx的生成規律，結果如圖2所示。在過剩空氣系數小于1.05時，隨著過剩空氣系數增大，加熱爐內NOx濃度明顯增加，說明隨著過剩空氣系數的增大，進入爐內氧氣量增加，對NOx生成速率有明顯的促進作用。在過剩空氣系數大于1.05時，隨著過剩空氣系數的增大，NOx濃度降低，說明過量冷空氣的通入降低了爐內溫度，雖然氧氣濃度升高，但受到溫度下降的影響，NOx反應受到抑制，使NOx濃度隨著過剩空氣的增大而降低。當過剩空氣系數為1.05時，NOx的生成量最大。

4 排煙溫度對加熱爐性能的影響

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成本和提高加熱爐熱效率的有效方式之一，其對提高余熱回收效率和減小熱損失有明顯的促進作用。但排煙溫度控制過低，將導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 反射率對加熱爐性能的影響

常溫下耐火磚發射率一般為0.5～0.7，同時發射率會隨著爐溫的升高而下降。當溫度達到1 000～1 300 K時，耐火磚的發射率只有0.5，溫度達到1 600 K時，發射率就會降到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以上的發射率，有效提高爐膛內壁的輻射能力，因此提高爐膛內壁反射率對熱效率的提高有重要作用[2]。以加熱爐的輻射室模擬為對象，對爐膛內壁的發射率與熱效率的關系進行模擬。由計算結果可知，當反射率小于0.4時，熱效率隨著反射率的增加近似呈線性增長；當反射率大于0.4時，反射率增大，而熱效率增大減緩。

6 結語

（1）當其他條件一定，過剩空氣系數在1.0～1.05變化時，熱效率和NOx生成量均隨著過剩空氣系數增大而增大；當過剩空氣系數為1.05時，熱效率和NOx生成量均達到最大值；當過剩空氣系數在1.05～1.2變化時，隨著過剩空氣系數的增大，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）當反射率小于0.4時，熱效率隨著反射率的增加近似呈線性增長；當反射率大于0.4時，隨著反射率增大，熱效率增大減緩，內壁反射率為0.4時，加熱爐達到最優工況。

[1]靳世平，蘇紅星，陳維漢，等．管式加熱爐旋流場燃燒節能技術研究[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2005，33（5）：76-79．

[2]崔苗，陳海耿，陳宇，等．加熱爐內爐氣的發射率和吸收率研究[J]．東北大學學報：自然科學版，2008，29（1）：97-100．

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.011