立式圆筒加热炉运行数值模拟

孙 东 于丹丹 冯国栋 张永学 郑炜博

1胜利油田技术检测中心2中国石油大学（北京）机械与储运工程学院

立式圆筒加热炉运行数值模拟

孙 东1于丹丹2冯国栋1张永学2郑炜博1

1胜利油田技术检测中心2中国石油大学（北京）机械与储运工程学院

加热炉在正常运行的情况下，影响其热效率的主要因素是排烟热损失和散热损失，其中排烟热损失占到加热炉总能量损失的80%以上，是影响加热炉热效率的最敏感因素。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和过剩空气系数。经测算，空气系数每增加10%或排烟温度每增加20℃，加热炉热效率可降低1%。以胜利油田某立式圆筒加热炉为研究对象，采用数值模拟的方法对其热力性能进行研究，分析过剩空气系数变化和排烟温度对注气锅炉内温度场、热效率和NOx生成量等指标的影响。结果表明：当过剩空气系数为1.05，排烟温度为130℃，内壁反射率为0.4时，加热炉达到最优工况。

立式圆筒加热炉；数值模拟；热效率；过剩空气系数；NOx浓度

据统计，石油行业中管式加热炉的燃料消耗费用能达到被加热介质总价值的5%，因此加热炉对油田降低能耗和控制成本有重要的影响[1]。一般来说，加热炉在正常运行的情况下，影响其热效率的主要因素是排烟热损失和散热损失，其中排烟热损失占到加热炉总能量损失的80%以上，是影响加热炉热效率的最敏感因素。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和过剩空气系数。经测算，空气系数每增加10%或排烟温度每增加20℃，加热炉热效率可降低1%。以胜利油田某立式圆筒加热炉为研究对象，采用数值模拟的方法对其热力性能进行研究，分析过剩空气系数变化和排烟温度对注气锅炉内温度场、热效率和NOx生成量等指标的影响。

1 模型建立和网格划分

数值模拟的几何模型为胜利油田某立式圆筒加热炉，辐射室为圆柱形，直径11.7 m，高21.5 m；对流室为长方体，长7.7 m，宽3.2 m，高10.6 m；烟囱为圆柱，直径为2.7 m，高25.2 m。12个燃烧器均匀分布在距离燃烧室中心3.5 m的炉膛底部。

计算区域包括整个辐射室和燃烧器出口。网格划分主要采用结构化网格为主，非结构化网格过渡的方式，在计算的主要区域采用结构化网格，在燃烧器与炉体结合部位以及复杂的边界处采用非结构化网格。

2 计算模型和边界条件选择

燃料由燃烧器喷口喷射入炉膛，流态为湍流，计算模型选择湍流的雷诺平均控制方程组。其中湍流模型选用基于涡黏理论的标准k-ε双方程模型；燃烧模型选择涡团耗散概念模型；辐射模型选择离散坐标模型；NOx生成选择热力型和快速型生成模型，压力—速度耦合方法采用SIMPLE方法。

边界条件采用速度入口和压力出口边界条件，其中加热炉运行工况时，燃料入口质量流量为0.83 kg/s，温度为348 K；空气入口质量流量为1.86 kg/s（过剩空气系数为1.15），温度为468 K；辐射室和对流室采用恒温固壁面条件，其他壁面为绝热条件。

3 空气过剩系数对加热炉性能的影响

3.1 对炉膛内温度场的影响

取空气过剩系数1.0～1.2，共5组，进行数值模拟对比分析，结果如图1所示。发现当过剩空气系数由1.0增大至1.05后，炉膛内温度分布更为均匀，说明送风量的增大加速了燃料与空气的混合，从而使燃烧更加剧烈和完全，使温度分布向均匀方向发展。而当过剩空气系数由1.05逐渐增加至1.2过程中，炉内的火焰温度和炉膛平均温度呈明显降低趋势，说明此时氧气浓度的增加对燃烧效果的改善作用逐渐减弱，使炉膛温度进一步升高趋势放缓；而过量的冷空气通过升温换热使炉膛温度降低的效应开始逐步显现，温度场分布均匀性降低。分析可知，过剩空气系数取1.05时，炉内温度场分布最为合理，此时燃烧状况最为理想。

3.2 对热效率的影响

过剩空气系数对加热炉热效率的影响结果是：当过剩空气系数在1.0～1.05范围变化时，热效率随着过剩空气系数增大而升高；当过剩空气系数为1.05时，曲线出现峰值，热效率达到最大值90.55%。说明随着过剩空气系数的增大，通入炉内的氧气量不断增加，加快了燃烧速度，温度分布更均匀，使热效率升高；峰值处表明此时炉膛内火焰燃烧最为充分，辐射传热效率高，保证了较高的热效率；而当过剩空气系数超过1.05后，大量冷空气的通入使炉内温度降低，同时未参与反应的空气和氮气携带大量热量以烟气的形式直接排出，造成较多热损失。因此过剩空气系数越大，热效率越低。

图1 过剩空气系数对温度分布的影响

3.3 对NOx排放的影响

取空气过剩系数1.0～1.2，共5组，进行数值模拟以分析炉内NOx的生成规律，结果如图2所示。在过剩空气系数小于1.05时，随着过剩空气系数增大，加热炉内NOx浓度明显增加，说明随着过剩空气系数的增大，进入炉内氧气量增加，对NOx生成速率有明显的促进作用。在过剩空气系数大于1.05时，随着过剩空气系数的增大，NOx浓度降低，说明过量冷空气的通入降低了炉内温度，虽然氧气浓度升高，但受到温度下降的影响，NOx反应受到抑制，使NOx浓度随着过剩空气的增大而降低。当过剩空气系数为1.05时，NOx的生成量最大。

4 排烟温度对加热炉性能的影响

随着排烟温度的升高，热效率近似呈线性降低。降低排烟温度是降低加热炉生产成本和提高加热炉热效率的有效方式之一，其对提高余热回收效率和减小热损失有明显的促进作用。但排烟温度控制过低，将导致烟气中部分液化的污染物与灰尘附着在换热器及炉管上，造成换热器和炉管受热面腐蚀和烧穿，影响锅炉的正常运行，因此排烟温度不能控制过低。通常排烟温度控制在130℃左右为最佳。

5 反射率对加热炉性能的影响

常温下耐火砖发射率一般为0.5～0.7，同时发射率会随着炉温的升高而下降。当温度达到1 000～1 300 K时，耐火砖的发射率只有0.5，温度达到1 600 K时，发射率就会降到0.4左右；而采用高辐射能力的材料（如微纳米高辐射覆层）可一直保持0.9以上的发射率，有效提高炉膛内壁的辐射能力，因此提高炉膛内壁反射率对热效率的提高有重要作用[2]。以加热炉的辐射室模拟为对象，对炉膛内壁的发射率与热效率的关系进行模拟。由计算结果可知，当反射率小于0.4时，热效率随着反射率的增加近似呈线性增长；当反射率大于0.4时，反射率增大，而热效率增大减缓。

6 结语

（1）当其他条件一定，过剩空气系数在1.0～1.05变化时，热效率和NOx生成量均随着过剩空气系数增大而增大；当过剩空气系数为1.05时，热效率和NOx生成量均达到最大值；当过剩空气系数在1.05～1.2变化时，随着过剩空气系数的增大，热效率和NOx生成量均逐渐降低。

（2）随着排烟温度的升高，热效率近似呈线性降低；但受到低温腐蚀的影响，排烟温度不能控制得过低，通常在130℃左右为佳。

（3）当反射率小于0.4时，热效率随着反射率的增加近似呈线性增长；当反射率大于0.4时，随着反射率增大，热效率增大减缓，内壁反射率为0.4时，加热炉达到最优工况。

[1]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）：76-79．

[2]崔苗，陈海耿，陈宇，等．加热炉内炉气的发射率和吸收率研究[J]．东北大学学报：自然科学版，2008，29（1）：97-100．

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.011