重油燃烧方式下注汽锅炉辐射传热特性分析

王婉琳

（中国石化工程建设有限公司）

热采技术可有效提高稠油油藏的采收率［1～3］，而注汽锅炉是热采技术中最核心的设备。 由于油田过热注汽锅炉工作时， 其炉膛内温度较高，对其内部传热状况进行实际测量存在较大困难，要了解炉膛内的流动、燃烧及传热过程等的细节问题，主要需借助数值计算分析。 笔者结合流动与燃烧的理论对过热注气锅炉的炉膛辐射段进行数值模拟研究，目的是获得注气锅炉炉膛内的流动、燃烧和传热过程的细节。 并通过对所得流场、温度场、组分浓度的分析，为注汽锅炉设计和改进提出可行的措施，并提高锅炉热效率、实现安全运行。

为了获得准确的炉膛辐射段流动和传热特点，确定合理的数值方法十分必要。 由于锅炉内介质流动与燃烧涉及到强旋流，建立相关的数学模型较为困难，研究难度较大。 目前，对燃烧流场的数值模拟基本都采用通用形式k-ε 湍流模型来封闭控制方程组，如孙保民和徐旭常对气体湍流输运模型采用标准的k-ε 方程模型， 对气体的湍流燃烧模型则采用漩涡破碎模型［4］；刘贵苏等运用k-ε 模型对WR 燃烧器进行了数值计算， 得到了流场中轴向速度、湍流动能和湍流动能耗散率的分布情况［5］；申春梅在对锅炉燃烧过程的数值模拟计算中，气相湍流流动采用k-ε 模型，气固两相流动依据简化的多流体模型处理［6］；章旋等针对切向燃烧锅炉进行冷态试验模拟，其数值模拟的湍流模型采用k-ε 模型［7］。 方立军等采用标准的k-ε 模型对330 MW 四角切圆燃煤锅炉的燃烧开展数值模拟研究，获得合理的流场和温度场分布［8］。

近年来，国内外诸多学者在对燃烧器内流场模型的研究过程中，进行了很多尝试，获得了许多有益的结果。如曹小玲等应用Realizable k-ε 对600 MW“W”型火焰锅炉炉内燃烧过程开展数值模拟研究，获得燃烧过程的流场和温度梯度的变化特点［9］；刘恺和由长福为克服标准k-ε 湍流模型无法真实描述强旋流、 各向异性湍流的弊端，应用了考虑气流旋转的RNG k-ε 湍流模型，得到与试验结论相符的炉膛内纵切面速度分布特点［10］；胡好生等研究了k-ε-g 湍流燃烧模型中各模型系数的变化影响规律，与实验结合并确定其计算公式和合理的应用范围，认为湍流燃烧模型必须考虑浓度脉动值的影响， 从而提高k-ε-g 模拟对工程燃烧问题的可靠性［11］。 吕伟为等应用RNG k-ε 湍流模型研究了过量空气系数对锅炉燃烧过程影响的数值模拟，也获得满意结果［12］。

从以上分析来看，目前对燃烧的数值模拟的湍流模型主要围绕标准的k-ε 模型和RNG k-ε模型的模拟计算，根据流体流动特点确定湍流模型是开展数值研究的关键。

1 数学模型与几何模型

应用Fluent 软件对注汽锅炉炉膛辐射段进行模拟研究。 炉内气相湍流流动采用RNG k-ε模型［12，13］；采用随机轨道模型模拟重油液滴颗粒的运动过程［13］，炉膛内辐射过程的描述使用P-1 辐射模型［12～14］。

注汽锅炉炉膛辐射段数值模拟的几何模型包括燃烧器、圆柱形燃烧室、过渡段和辐射炉管外壁。 所建立的辐射段结构几何模型如图1 所示，图中给出了3 个坐标轴（x，y，z）方向。 圆柱形燃烧室直径3 078 mm，长度13 300 mm。 炉管沿圆柱形燃烧室侧壁呈蛇形排布， 炉管直径×壁厚为89 mm×13 mm，其中长13 365 mm 的2 根，长12 590 mm 的62 根（总长807 310 mm）。

图1 注汽锅炉辐射段结构及模型图

采用分块法和局部加密的非结构化网格划分技术，将炉膛分为燃烧器和辐射室两部分。 不包含燃烧器时网格数量在420 万左右，包含燃烧器时网格数量在740 万左右。 经网格质量检验，所产生的网格的扭曲率均小于0.9，可满足Fluent对注汽锅炉炉膛辐射传热流场的计算分析。

2 边界条件设置

将过热注汽锅炉燃烧器空气入口的常温常压空气简化成O2和N2两个组分， 即空气入口的组分中O2的质量分数为0.231 5，N2的质量分数为0.768 5，其他组分质量分数为0。 空气入口处理为质量入口条件，炉膛烟气出口设定为压力出口条件，则入、出口边界见表1。

表1 辐射段入口、出口边界

不同工况下燃料消耗量见表2。 由于重油经过喷嘴雾化后喷入辐射段，因此燃油的入口采用离散相的边界条件。 选取连续相和离散相间的耦合作用， 连续相每计算50 步进行1 次离散相的计算。 假设重油雾化质量良好，重油液滴直径分布在40～80 μm 之间。 每种工况下由燃烧器雾化喷嘴喷入的重油分成3 个射流源，每个射流源代表不同特征颗粒直径范围内的重油液滴的特性。

表2 不同工况下燃料消耗量

3 辐射传热特性分析

3.1 速度场分析

锅炉炉膛内烟气流动所产生的速度场也是锅炉炉内传输热量的重要指标。 对表1 给出的各工况进行了数值模拟，得到了各工况下炉膛内烟气流动速度场分布，各工况下炉膛内烟气流动速度分布规律相似，均为沿炉膛的中心线形成一个圆柱形的高速区，从燃烧器的出口到炉膛的出口速度逐渐降低。 但随着工况负荷增大，速度值有所增大。

图2 给出了20 t/h 工况下，x=0 m 和y=0 m两个截面的速度分布云图，由图可知，炉膛内速度的最大值为55.6 m/s， 在炉膛前2/3 部分高速区的速度均在13.9 m/s 以上。 整个速度场基本沿中心轴线对称，其中速度的最大值出现在稳焰盘附近区域。 由于稳焰盘的存在，在燃烧器的出口附近形成了两个对称低速区域。 在稳焰盘中心和外部圆环空气通道流出的空气速度均在25.0 m/s以上，这两个区域的出现为重油的稳定燃烧提供了必备条件，有效防止了高速射流将重油的燃烧火焰吹熄。

图2 20 t/h 炉膛内速度分布云图

由图3 可以看出，在燃烧器的稳焰盘附近流入的空气速度开始增大，在稳焰盘背风面附近的区域由于稳焰盘小孔的存在，空气的流动处于杂乱状态，这样有利于油气和空气快速混合，有助于燃烧的进行。 在燃烧器的出口附近存在两个对称的涡，有少量的高温烟气回流，保证燃烧器的出口重油有较高的温度，有利于重油的挥发和燃烧的稳定。

图4 所示为炉膛内辐射段烟气的流线，从图中可以看出在炉膛的前部，高速射流和炉管之间的空间存在烟气的旋流。 由于燃烧器出口的高速射流的卷吸作用，出现了高温区的烟气向炉膛前部运动的趋势。 适量的烟气回流可以保证前部炉膛的烟气也有较高的温度，使得炉膛内的烟气温度分布趋于均匀。 但从模拟结果看，炉膛烟气的循环速度较小，大约为2.78 m/s。 回流速度偏小，造成炉膛前部的烟气温度较低，这对炉膛的换热不利。

图4 炉膛内烟气的流线图

为了方便说明问题，从炉膛燃烧器出口开始，分别在距出口位置（z 轴方向）1、3、6、8、10 m处取直线，得到轴向（火焰方向）速度在不同直线处的分布曲线。 图5 给出了23 t/h 工况下的炉膛各截面速度分布，从图5 可以看出，z=1 m处的速度分布曲线在中间的部位有3 个波峰，中间的波峰在炉膛的中心线处，两边的波峰位置关于炉膛的中心线对称且峰值相等。 两侧波峰的速度均大于中间波峰的速度。 z=3 m 处的速度分布曲线在炉膛的中心出现两个波峰，z=6 m 处的速度分布曲线仅在炉膛的中心出现一个波峰， 在z=8 m、z=10 m 处的速度分布曲线很平缓，接近于一条直线，速度值在2.5 ～5.0 m/s 之间。 从1、3、6 m 处的速度曲线可以看出， 其高速区均在炉膛半径0.8 m 的范围内，在炉膛半径0.8 m 外的区域速度均很小而且在接近壁面区均为负值。 这说明在空气的高速射流区主要在炉膛前半部分离中心轴线0.8 m半径内的区域，受高速射流的影响前半部分的炉膛在半径0.8 m 外的区域存在高稳烟气的回流区。 在炉膛的后半部分的区域基本不受空气射流的影响，轴向速度分布均匀，均为正值。各截面的速度分布曲线均关于炉膛的中心轴线对称。

图5 23 t/h 工况下的炉膛各截面速度分布曲线

3.2 温度场分析

各工况下温度场分布规律相似，温度场在圆柱形炉膛内的分布沿轴线对称分布，炉膛前部的温度要小于后部的温度。 在炉膛出口处温度分布趋于均匀， 高温区域主要集中在炉膛的中后部。这说明在炉膛的中后部其传热过程最强烈。 图6给出了20 t/h 炉膛内温度分布云图，从图中还可以看出温度分布在整个炉膛内并不均匀，高温区主要集中在炉膛的后2/3 部分， 在前1/3 部分大部分区域温度较低。温度的最大值为1 970 ℃，位于燃烧器出口附近的位置。 在前1/3 部分的高温区以外的部分温度处于462～562 ℃之间，在炉膛的中后部靠近炉管的区域温度大约在863～1 060℃之间。 由此分析在炉膛的主要换热区域在炉膛的后2/3 部分。

图6 20 t/h 炉膛内温度分布云图

炉管的外壁面温度分布云图如图7 所示，汽化点之前的炉管温度沿入口到出口的顺序逐渐升高， 由于管内的介质在入口处最低为179 ℃。所以此处炉管的温度最低，约190 ℃。 在汽化点以后的炉管温度均较高， 且温度的变化值很小，在炉膛2/3 附近的炉管其管壁温度最高， 这与火焰形状和烟气温度分布相关。 炉膛前部的炉管温度要低于炉膛后部炉管的温度，最大差值约23 ℃。

图7 20 t/h 炉膛内炉管外壁面温度分布云图

图8 给出了23 t/h 工况下的炉膛z轴方向1、3、6、8、10 m 处温度分布曲线，由图可知，1、3、6 m处的温度分布均呈双波峰的特点，随着距离燃烧器出口距离的增大，波峰位置逐渐向远离炉膛中心线的方向移动，波峰和波谷之间的温度差值逐渐减小。 到8 m 和10 m 处，温度分布逐渐趋于均匀。 由于1 m 截面离燃烧器最近，所以温度分布受到低温空气的影响， 在炉膛中心线半径0.30～0.65 m 之间的范围内存在温度较低的波谷。 在炉管的附近的温度曲线值均低与炉膛主体烟气的温度。

图8 23 t/h 工况下的炉膛各截面温度分布曲线

通过与速度分布曲线比较，可以发现烟气的速度曲线的波谷位置基本与温度曲线波峰位置吻合。 这说明燃烧过程主要发生在一次风和二次风的高速射流之间的低速区，此低速区存在油气和空气的交界面，在交界面附近强烈混合燃烧产生高温烟气。

为了对比分析同一根炉管的向火面和背火面的温度分布情况，图9 给出了顶部的同根炉管向火面和背火面的温度分布曲线， 由图可知，顶部炉管的向火面和背火面的温度在炉膛的前1/3部分基本相同， 在后2/3 部分向火面的温度要显著高于背火面的温度，在热流密度最大的位置差值最大，向火面的温度要高于背火面6～8 ℃。

图9 顶部炉管向火面和背火面的温度分布曲线

图10 给出了炉膛的两个侧面、底部和顶部4个典型炉管上的热流密度分布曲线， 由图可知，炉管最高温度与传递热流密度最大值的位置基本相同。 底部炉管的最大的热流密度的绝对值要高于其他位置的炉管。 炉膛前部的炉管的热流密度较小，在炉膛的后半部分炉管的热流密度的绝对值均很大，最大值出现在7～9 m 的范围内。

图10 23 t/h 工况下炉管热流密度分布曲线

综上所述，在7～9 m 的范围内炉管的温度值最大，热流密度最大，炉管的向火面和背火面的温差最大，所以这个区域最容易发生传热恶化。

3.3 炉膛烟气的吸收系数分布

炉膛中烟气的热辐射计算中， 烟气的吸收系数采用了Wsggm-domain-based 模型进行计算。 模拟得到的烟气吸收系数的分布云图如图11 所示，在炉膛轴线靠近燃烧器出口的区域烟气的吸收系数最大，在炉膛出口附近烟气的吸收系数也较大，此处的吸收系数大约为0.313。 炉膛的烟气吸收系数在大部分区域内都处于0.188～0.295， 这与重油燃烧中烟气吸收系数的推荐值0.240 基本吻合。

图11 炉膛的烟气吸收系数分布云图

3.4 炉膛内烟气的组分浓度分布

图12 所示为重油在炉膛中的浓度分布云图，可以看出重油主要集中在炉膛的中心轴线附近，在炉膛内呈细长形状分布。 重油浓度最高的部位位于燃烧器出口的炉膛轴线附近，重油在炉膛轴线的浓度沿从炉膛的入口到出口的方向逐渐减少，在炉膛2/3 处浓度几乎为零。

图12 炉膛中重油的浓度分布云图

由图13 所示的炉膛中O2的浓度分布云图可以看出， 在燃烧器空气的入口部位O2的浓度最高， 在炉膛中心轴线和炉膛烟气出口位置，O2的浓度几乎为零。 在炉膛前2/3 部分的可燃油气和助燃O2的交界面上进行混合燃烧反应， 所以在炉膛的中心轴线附近主要存在可燃油气和燃烧产物，助燃物的浓度几乎为零。 由于空气的过量系数取为1.1， 燃烧反应完全有少量O2剩余，因此在炉膛的出口O2的浓度很小。 在炉膛的前半部分空间O2的浓度较高， 在炉膛的后半部分空间随着燃烧反应的进行O2的浓度逐渐降低到接近于零的值。

图13 炉膛中O2 的浓度分布云图

用CO2的浓度分布近似反应燃烧产物的浓度分布，由图14 可知燃烧产物在燃料和O2的交界面上生成，此处的CO2浓度也较高，从炉膛的入口到出口随着燃烧反应的进行烟气中燃烧产物的浓度逐渐升高， 在炉膛的后1/3 空间达到最大值。

图14 炉膛中CO2 的浓度分布云图

4 结论

4.1 建立了注汽锅炉炉膛辐射段数值分析方法，炉内气相湍流流动采用RNG k-ε模型、重油液滴颗粒的运动过程采用随机轨道模型模拟、确定了P-1 模型为燃烧的辐射模型。

4.2 炉膛的前部存在烟气的回流区，回流作用可以将部分炉膛后部的高温烟气带到前部。 可提高炉膛前部的烟气温度，使烟气在整个炉膛范围内分布更加均匀，有利于提高炉膛的换热效率。 但回流烟气的流速较小，造成注气锅炉前部的烟气温度依然较低，使锅炉前部的换热能力降低。

4.3 速度场沿中心轴线近似对称分布，其中速度的最大值出现在稳焰盘附近的区域，由于稳焰盘的存在，在燃烧器的出口附近形成了对称的环形低速区域。 20 t/h 工况下， 速度的最大值约为55.6 m/s，在炉膛前2/3 部分，高速区的速度均在13.9 m/s 以上。

4.4 温度场在圆柱形炉膛内的分布沿轴线呈近对称分布，高温区主要集中在炉膛的后2/3 部分，在前1/3 部分大部分区域温度较低。 可见在炉膛前1/3 部分的换热效果要差于后2/3 部分的。

4.5 不同工况下的炉管的最高温度点均为在炉管的向火面， 炉管的向火面温度高于背火面温度，二者温差约6～8 ℃，随着负荷增大向火面温度值略有增大，最大温度点的位置在7～9 m 的区间范围内。

4.6 获得了烟气分布系数和烟气组分浓度分布特点，烟气分布系数计算值与理论推荐系数基本吻合。 由于重油的燃烧使得炉膛的出口O2的浓度很小，而CO2浓度较高。