空氣預(yù)熱溫度對管式加熱爐燃燒性能影響的研究

張琳，汪洋，趙慶良，姜曉,王會強(qiáng)，楊罡,趙利群，薛磊

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常州213016)

摘要：為了減少管式加熱爐燃燒NOx的排放和提高加熱爐的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)加熱爐的高效低氮燃燒，以某石化公司的F1001常壓爐為研究對象，建立了常壓爐物理模型，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、非預(yù)混合湍流擴(kuò)散燃燒PDF模型、P-1輻射模型、NOx生成模型對加熱爐內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明：提高空氣預(yù)熱溫度可以擴(kuò)大爐內(nèi)的高溫區(qū)域，有利于爐管內(nèi)原油的加熱；燃燒NOx生成量和爐管出口油溫隨空氣預(yù)熱溫度的升高而增大，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度超過240℃時，NOx生成量急劇增大，所以空氣預(yù)熱溫度以240℃為宜，此時NOx生成量為137 mg/m`3，低于國家標(biāo)準(zhǔn)200 mg/m`3。爐膛溫度和出口油溫測量值與模擬值進(jìn)行了比較，二者吻合較好。研究結(jié)果為某企業(yè)常壓爐的運(yùn)行監(jiān)控提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管式加熱爐；空氣預(yù)熱溫度；氮氧化物；污染物控制；燃燒；數(shù)值模擬

中圖分類號：TE963

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0387-05

收稿日期2014-09-27修訂稿日期2015-06-27

基金項(xiàng)目：江蘇省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(BY2012102);江蘇省環(huán)保廳科研課題(2012003)

作者簡介：張琳(1969~)，女，博士，教授，研究方向?yàn)檫^程強(qiáng)化與節(jié)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

管式加熱爐是利用燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨o爐管加熱，把管內(nèi)原油加熱到符合工藝要求，是一種高耗能設(shè)備[1]。加熱爐爐堂內(nèi)的燃燒過程非常復(fù)雜，涉及流體流動、化學(xué)反應(yīng)、輻射傳熱等過程[2]。許多學(xué)者就如何提高加熱爐的燃燒效率、降低燃燒污染物的排放、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面開展了大量工作。

李元青[3]應(yīng)用CFD軟件FLUENT，以管式加熱爐燃?xì)馊紵鳛閷ο?，分析了結(jié)構(gòu)改進(jìn)對燃燒器性能的影響，表明了采用分級配風(fēng)方式和增加燃燒器噴孔數(shù)量均能有效地提高燃料利用率。顧瑋倫等[4]研究了空氣分級對鍋爐NOx排放的影響，并能有效降低NOx的排放。劉波等[5]以某煉油廠管式加熱爐空氣分級燃燒器為研究對象，研究了5種不同二次風(fēng)分級比工況下，輻射室內(nèi)速度、溫度、組分濃度、火焰高度和NO生成速率的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[6-7]研究了空氣預(yù)熱溫度對加熱爐爐膛中NOx生成規(guī)律的影響，并以NO的排放量作為選擇合理空氣預(yù)熱溫度的依據(jù)。Heynderickx等[8]對加熱爐爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)及物理過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了爐內(nèi)的溫度分布，組分濃度分布和壓力分布的詳細(xì)信息。

目前，國內(nèi)未見采用加熱爐實(shí)物模型作為研究對象，同時考慮了實(shí)際爐管，獲取加熱爐爐膛流場信息和爐管出口油溫，并與工程實(shí)踐測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的研究。本文以某石化企業(yè)800萬t/年煉油裝置中的F1001常壓爐作為研究對象，結(jié)合實(shí)際工程尺寸，建立包括燃燒器、爐管和爐膛的幾何模型，通過FLUENT軟件，探討空氣預(yù)熱溫度對爐膛溫度場、NOx生成量及爐管出口油溫的影響規(guī)律，并把數(shù)值模擬值與工程運(yùn)行測試值進(jìn)行對比，為加熱爐的高效運(yùn)行和低氮燃燒提供參考依據(jù)。

1研究對象

1.1　管式加熱爐幾何模型

某石化公司800萬t/年煉油裝置中的F1001常壓爐，爐膛內(nèi)共有24個燃燒器、4個輻射室和8組通有原油的管程，每組管程有34根爐管。為了節(jié)省計(jì)算資源和時間，取常壓爐的四分之一建立物理模型如圖1所示，即6個燃燒器、1個輻射室和2組原油管程68根爐管。

圖1　四分之一常壓爐結(jié)構(gòu)簡圖

空氣分級燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。每個燃燒器的燃?xì)鈬姌屔祥_有9個噴射角為20°，直徑為7 mm的噴口；一次風(fēng)入口內(nèi)外徑分別為Φ100 mm和Φ184 mm，二次風(fēng)入口內(nèi)外徑分別為Φ250 mm和Φ480 mm，燃燒火道采用擴(kuò)頸出口形式；燃?xì)鈬姌?、一次風(fēng)道、二次風(fēng)道和燃燒火道為同軸結(jié)構(gòu)。燃料氣為多組分氣體，成分含量如表1所示。

表1燃料氣成分

燃料氣成分名稱O2N2CO2H2CH4C2H4C2H6mol[%]2.38.54.73021.312.311.7名稱C4H10C5H12C3=C4C3H2S—mol[%]0.90.84.41.71.40.002—

圖2　空氣分級燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖(單位mm)

1.2　網(wǎng)格模型

采用Gambit軟件對圖1所示的常壓爐模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。由于模型包含了圖2所示的燃燒器、68根直徑為Φ194 mm的爐管、長寬高為11 360 mm×4 030 mm×14 500 mm的爐膛和3個2 000 mm×2 000 mm的正方形排煙口，且燃燒器、爐管與爐膛幾何尺寸相差較大，故劃分網(wǎng)格時采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對速度場、溫度場梯度變化大的燃燒器出口下游區(qū)域、燃燒器的噴嘴、燃燒火道及風(fēng)道進(jìn)行了局部的加密，網(wǎng)格模型如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)為1 114 890。燃燒器和爐管的最小網(wǎng)格尺寸分別為40 mm和80 mm，爐膛內(nèi)最小網(wǎng)格尺度為110 mm，最大500 mm。

圖3　管式加熱爐網(wǎng)格模型

2數(shù)學(xué)方法及邊界條件

為了獲得爐管中原油的溫度，對計(jì)算域進(jìn)行了兩次數(shù)值求解。第一次求解當(dāng)殘差曲線平穩(wěn)且爐膛出口溫度及氧含量穩(wěn)定后認(rèn)為收斂，獲取此時煙氣對爐管的平均熱流強(qiáng)度，再以該熱流強(qiáng)度作為爐管壁的溫度邊界條件和第一次計(jì)算所得的流場作為初始條件對整個計(jì)算域再一次進(jìn)行數(shù)值求解。

2.1　湍流模型

基于FLUENT中的三維穩(wěn)態(tài)算法，選取適用范圍廣且具有合理精度的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬爐膛中煙氣的湍流流動。

2.2　組分燃燒模型

加熱爐中的燃料與氧化劑未經(jīng)混合直接進(jìn)入燃燒室反應(yīng)，屬于非預(yù)混合湍流擴(kuò)散燃燒，選用PDF模型(Description of the Equilibrium Mixture Fraction/PDF Model)來考慮湍流效應(yīng)。該模型可預(yù)測中間生成的組分，考慮湍流流動中的耗散現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)與湍流之間的相互作用，并假設(shè)流體的瞬時熱化學(xué)狀態(tài)與混合分?jǐn)?shù)相關(guān)，混合分?jǐn)?shù)定義為[9]

(1)

式中Zi——組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下標(biāo)ox代表氧化劑入口處的值;fuel——代表燃料入口處的值)。

(2)

(3)

式中μt——湍流擴(kuò)散系數(shù);

常數(shù)σt=0.85，Cg=2.86，Cd=2.0。

2.3　輻射模型

輻射傳熱采用計(jì)算量較小的P-1模型[4]，對于光學(xué)厚度較大(αL>>1)的計(jì)算問題P-1模型的計(jì)算效果較好[5,10]。對于輻射熱流qr，用下式計(jì)算

(4)

式中α——吸收系數(shù);

G——入射系數(shù);

σs——散射系數(shù);

C——線性各相異性相位函數(shù)系數(shù);

2.4　NOx生成模型

FLUENT中的NOx模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型以及由于燃燒系統(tǒng)中回燃導(dǎo)致的NOx的消耗。大多數(shù)燃燒過程產(chǎn)生的NOx主要成分是NO，N2O和NO2只占很少一部分，故只計(jì)算NO模型。熱力型NOx是通過氧化燃燒空氣中的氮?dú)庑纬傻?，主要受溫度影響。高溫反?yīng)區(qū)的火焰中的中間生成物HCN及氨化合物對快速型NO的生成起主要作用，由于快速型NOx也來源于空氣的氮，因此快速型NOx歸入熱力型NOx。燃料型NOx指的是燃料中的氮元素經(jīng)氧化而成。由于燃燒的燃料氣中氮元素較少，故只按Zeldovich熱力型NO生成機(jī)理來考慮NO的生成，NO生成的速度表達(dá)式為[11]

(5)

R——通用氣體常數(shù)/kJ·mol-1·℃-1,

R=8.314kJ/(mol·℃);

t——時間;

T——絕對溫度。

2.5　邊界條件

進(jìn)口條件：燃料氣入口為速度進(jìn)口，速度為11.5 m/s，溫度為50℃；根據(jù)加熱爐實(shí)際工況，空氣預(yù)熱至240℃，一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)口速度分別為2.2 m/s、2.86 m/s；原料油入口為質(zhì)量進(jìn)口，質(zhì)量流量為33 kg/s，水力直徑為194 mm，溫度為310℃。

出口條件：原油出口為壓力出口，壓力為250 kPa；煙氣出口為壓力出口，壓力為-38 Pa。

壁面條件：爐管壁設(shè)置為導(dǎo)熱壁，溫度為327℃、黑度為0.85；爐膛壁面溫度設(shè)為627℃、黑度為0.85；其他壁面均為絕熱壁面，采用無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理爐膛壁面和爐管壁面。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　空氣預(yù)熱溫度對爐膛平均溫度的影響

空氣預(yù)熱溫度對爐膛平均溫度的影響曲線如圖4所示。從圖4可看出：由于預(yù)熱空氣帶進(jìn)爐膛的熱量增大了燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，故爐膛平均溫度隨空氣預(yù)熱溫度的增大而增大，這表明提高空氣預(yù)熱溫度有助于燃料充分燃燒，提高爐膛溫度。

圖4　空氣預(yù)熱溫度對爐膛平均溫度的影響

圖5　空氣預(yù)熱溫度對爐膛高度方向溫度分布的影響

3.2　空氣預(yù)熱溫度對爐膛溫度分布的影響

空氣預(yù)熱溫度對爐膛高度Z軸(X=2310，Y=0，即第2個燃燒器的中心Z軸面)方向溫度分布的影響如圖5所示。從圖中可看出：隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，爐膛內(nèi)高溫區(qū)域逐漸增長。這說明空氣預(yù)熱溫度的提高有利于爐膛內(nèi)溫度和爐管管壁溫度的均勻性，從而使?fàn)t膛內(nèi)高處爐管的受熱更好，傳熱效率更高，爐管內(nèi)原油獲得了更多的熱量。但研究也發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱溫度超過240℃之后，燃料氣在燃燒器出口處迅速完成燃燒，爐膛底部的溫度較高，易產(chǎn)生局部過熱而影響加熱爐和爐管的壽命。

3.3　空氣預(yù)熱溫度對NOx生成量的影響

空氣預(yù)熱溫度對NOx生成量的影響曲線如圖6所示。從圖6中可看出：NOx生成量隨空氣預(yù)熱溫度的升高而升高。當(dāng)溫度為240℃時，NOx生成量為137 mg/m3，低于國家標(biāo)準(zhǔn)200 mg/m3，溫度超過240℃之后，NOx生成量急劇升高，原因是爐膛溫度的升高大大促進(jìn)了熱力型NOx的生成。所以從提高燃燒效率方面來說，預(yù)熱溫度越高對燃燒越有利，但是從污染物的控制角度來說，提高空氣預(yù)熱溫度增高了爐膛溫度，對污染物的排放不利，綜合考慮，某石化公司的常壓爐預(yù)熱空氣溫度240℃為宜。

3.4　空氣預(yù)熱溫度對出口油溫的影響

空氣預(yù)熱溫度對爐管出口油溫的影響如圖7所示。由圖7可看出：爐管出口油溫隨空氣預(yù)熱溫度的升高而升高，適當(dāng)提高空氣預(yù)熱溫度對爐管出口油溫的升高有利，但是過高的空氣預(yù)熱溫度會使?fàn)t管出口油溫超出工藝允許值，對于某企業(yè)F001常壓爐的油品來說，最佳空氣預(yù)熱溫度為240℃。

圖6　空氣預(yù)熱溫度對NOx生成量的影響

圖7　空氣預(yù)熱溫度對爐管出口油溫的影響

3.5　測試值與數(shù)值模擬值對比

某企業(yè)F1001常壓爐實(shí)際工況的空氣預(yù)熱溫度為240℃，爐膛內(nèi)位置1 (0，1 800，3 000)和位置2(0，-1 800，3 000) 處的熱電偶溫度傳感器測得的溫度值與模擬值對比如表2所示。從表2可看出：測試值與模擬值吻合較好，正負(fù)誤差均小于5%。其中，位置1的測試值比模擬值低，誤差為2.2%，原因是測點(diǎn)1靠近爐膛的外壁，實(shí)際工作中外壁有散熱，而模擬時爐壁設(shè)為絕熱邊界；位置2的測試值比模擬值高，誤差為-1.5%，原因是實(shí)際的常壓爐是4個輻射室，位置2同時還受到臨近輻射室的熱輻射影響，而模擬時只取四分之一常壓爐作為研究對象，未考慮臨近輻射室的熱輻射。這也是爐膛位置1和2的測量值誤差為4.5%，模擬值誤差僅為0.7%的原因。

表2測試值與模擬值對比

參數(shù)出口油溫/℃爐膛位置1/℃爐膛位置2/℃橫向誤差測試值 355.5657.9687.74.5%模擬值 359.4672.8677.50.7%縱向誤差1.1%2.2%-1.5%—

4結(jié)論

(1)根據(jù)某企業(yè)F1001管式常壓爐建立了帶有原油管程的加熱爐幾何模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、非預(yù)混合湍流擴(kuò)散燃燒PDF模型、P-1輻射模型和NOx生成模型對管式常壓爐的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值研究，溫度場計(jì)算結(jié)果與測試值吻合較好。

(2)空氣預(yù)熱溫度對爐膛溫度、NOx生成量和爐管出口油溫都有一定的影響，提高空氣預(yù)熱溫度可擴(kuò)大爐膛內(nèi)的高溫區(qū)域，有利于爐管的加熱和提高爐管出口油溫，但空氣預(yù)熱溫度超過240℃之后，燃燒過于迅速，爐膛底部溫度較高，易產(chǎn)生局部過熱而影響加熱爐和爐管的壽命。

(3)NOx生成量隨空氣預(yù)熱溫度的升高而增大，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度超過240℃時，NOx生成量急劇增大，某石化企業(yè)的常壓爐空氣預(yù)熱溫度240℃為宜，NOx生成量為137 mg/m3，低于國家標(biāo)準(zhǔn)200 mg/m3，可實(shí)現(xiàn)低氮、高效燃燒。

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