GW5000型加热炉内燃烧和传热过程研究及节能分析

李进锋

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

加热炉是石油化工装置的核心设备， 也是换热设备和耗能设备， 影响着整个装置的操作周期和能耗水平。深入研究加热炉节能技术应用现状， 分析和解决运行中存在的问题， 提高热效率、 适用性和安全性， 对于确保原油输送和加工处理节能降耗和安全运营意义重大【1】。以往对于加热炉研究仅限于经验和半经验的方法， 随着CFD技术快速发展， 数值模拟方法已经成为研究加热炉内燃烧和传热过程的有力手段。通过这一方法， 能够得到炉内流动、 燃烧和传热过程的详细信息， 进而缩短研究和设计周期，提高加热炉热效率。

1 几何模型与计算条件

1.1 GW5000型加热炉概述

GW5000型加热炉通常由四部分组成：辐射段、对流段、烟囱和燃烧器，其中辐射段为卧式圆筒形；对流段为直立方形，并选用钉头管、翅片管，配置吹灰器。燃烧产生的高温火焰以辐射传热的方式将热量经辐射段炉管传递给管内的原油， 由于加热炉管中的原油直接由火焰加热， 因此温升速度较快。鉴于烟囱内的烟气和烟囱外的空气密度不同， 因此当烟囱高度适当时， 烟囱内外的压力差能够克服烟气和空气流动阻力， 使炉膛和对流段处于负压状态。GW5000型加热炉结构见图1。

图1 GW5000型原油加热炉结构示意

1.2 几何建模

本文待模拟对象为GW5000型原油加热炉，其炉膛及炉管的结构如图2所示，其中炉膛右侧有1个KN型重油燃烧器，炉膛内表面炉墙一周排布两组炉管，单面辐射传热，每组10根炉管。

图2 GW5000型加热炉炉膛及炉管结构示意

1.3 网格划分

为了提高模拟计算结果的精度，待计算的加热炉立体几何图形采用完全结构化网格来划分整个计算域。从计算经验来看，结构化网格的优点在于网格疏密程度控制便捷，适于在相应的耦合边界处交换数据信息，尤其是能较大程度降低网格节点总数量，便于快速高效地调整计算模型，节省计算时间，降低计算成本。但结构化网格缺点是必须将整个计算域按照结构化的要求划分为多个在三维方向完全对应、衔接良好的六面体块体，因此在前处理网格划分上需要投入较多的时间和精力，以确保整个模型的系统性能。考虑到整体计算成本的有效降低和耦合界面数据交换的方便，选择结构化网格是适宜的，经统计确定，本案例中整个计算域共划分为220万个体网格，详细模型见图3。

图3 GW5000型加热炉网格划分模型

1.4 计算条件

为了获得较为精准的计算结果，需要在计算过程中，对燃料和助燃空气采用流量入口边界条件，燃料速度为0.100 3 m/s，温度为40 ℃。空气入口速度为1.724 2 m/s，要确保燃料的充分燃烧，基于计算经验及实际操作经验，对空气过剩系数取值1.1，入口空气温度为40 ℃。对烟囱出口采用压力边界，数值p=-20 Pa，能够保证烟囱出口有一定的抽力。对于加热炉内表面采用标准壁面函数。壁面条件包括燃烧器火道、炉膛壁面、炉底和炉管壁面。在这些壁面条件中，炉管外壁为分区耦合计算的耦合边界，其温度和热流密度分布均由耦合计算自动获得，其余壁面简化为绝热的壁面条件，能够满足实际计算的要求。

2 模拟计算结果与分析

2.1 流线分布及火焰形状

GW5000型加热炉辐射段流场特点是右侧燃烧器高速喷出燃料，与助燃空气混合发生剧烈燃烧反应形成刚性火焰，燃烧烟气形成温度高、流速快的射流喷入炉膛，向左侧方向流动。烟气的射流效应卷吸周围的高温烟气，在火焰周围区域形成烟气回旋流型，如图4所示。从分析来看，烟气回流将有助于提高辐射炉膛底部的温度均匀分布，对于避免炉管局部过热、延长炉管的使用寿命、提高加热炉的运行周期有一定作用。从火焰形状的尺寸可以判断，长度大致占整个辐射段长度的三分之二，能够确保火焰的稳定形成并为管内介质升温提供稳定的热量供给。

图4 炉内流场和火焰形状

2.2 速度场分布

图5为炉膛内速率场颁布情况。从图5中可以看到，在炉膛的右侧，随着燃烧器喷出的燃料气和助燃空气的流量增大，将使燃烧产生的高温高速烟气射流区域及射流中心速度逐渐增大；在炉膛的左侧，随着烟气向炉顶流动，射流逐渐减弱，流速逐渐趋于稳定，射流速度最高值可达140 m/s。

2.3 温度场分布

图6为炉膛内温度场分布。图6中颜色依次从红变化为黄、 绿、 蓝， 表示温度逐渐降低。从图6 中可以看到，在炉膛内燃烧器周围的高温分布具有火焰轮廓，随着高度的增加，烟气混合加剧、温度逐渐降低，上下两侧除了受转换段结构差异影响之外，温度场分布基本对称；沿燃烧器的中心自右端至左侧，温度先迅速增加，然后有一定的平滑过渡区，而后随着燃烧的继续进行，温度继续升高，但温升的速度已经没有燃烧器附近区域的那么大；最后，随着整个流场内介质的充分混合，温度逐渐趋于平稳，并保持在一定的范围内，为加热介质提供了可靠的热源保障。

图5 炉膛内速度场分布

图6 炉膛内温度场分布

2.4 组分浓度分布

图7为炉膛内组分浓度分布。图7中颜色依次从红变化为黄、绿、蓝，表示浓度逐渐降低。从图7(a)中可以看到， 在燃烧器的左侧射流区域内， 燃料急速喷入炉膛后没有充足的O2与之反应， 燃烧不充分生成中间产物CO， 随着O2含量的增加以及反应的进行，CO2生成量逐渐趋于稳定。

计算中燃烧器的过剩空气系数为10%，因此炉膛中始终保持一定的过剩空气。从图7(b)中可以看到，在燃烧核心区域，由于燃料气的充分燃烧消耗大量的助燃空气， 因此该区的O2浓度最低； 其他区域由于炉膛内过剩空气系数因素的存在， 使得一定浓度的O2始终存在于炉膛内。

图7 炉膛内辐射热强度分布

2.5 炉管表面热流密度分布

表面热流密度是考察加热炉燃烧和运行性能的重要技术指标之一， 能够反映整个辐射段炉膛内的辐射传热效果及炉管和燃烧器布置是否合理。对于加热炉的辐射段炉膛， 理想的辐射热强度的曲线分布沿炉膛高度方向上应当趋于均匀。辐射热强度越均匀， 炉管局部过热及管内介质结焦的可能性越小， 对炉管的使用寿命影响也越小， 可保证加热炉的长周期安全运行。图8为炉管表面热流密度分布。从图8可以看出， 热流密度沿火焰方向呈现逐渐减小趋势。

图8 炉管表面热流密度分布

3 节能优化措施分析

3.1 管墙距优化

辐射室的大小首先取决于辐射管传热面积的大小、 管心距、 管墙距以及炉管至火焰的距离等因素。分析来看， 加热炉炉管并非平面， 在辐射段传热计算中将其假定为一个当量冷平面来考虑。对于原油加热炉， 辐射管是单面辐射， 即向火面接受直接辐射， 背火面接受炉墙反射。因此，为了提高炉管表面利用率， 应尽可能提高其背火面接受炉墙反射的能力。炉墙反射的因素与管心距和管墙距有关。经研究发现， 三者的关系如图9所示【2】。

图9 炉墙反射因素关系

图9对应的管墙距与炉墙反射吸收因素变化规律如表1所示。

从表1可知，管墙距既不宜过小，也不宜过大。过小，对炉管吸热不利，会浪费管材；而如果过大，不但不能明显改善传热，反倒会使辐射段尺寸猛增，浪费钢材和耐火衬里，增加建设投资。

在本文所研究的GW5000型加热炉停炉时，实施高温远红外节能涂料喷涂施工期间，炉膛内的实际状况如图10所示。

表1 炉管墙距与炉墙反射吸收因素变化规律

图10 炉膛内实际状况

从图10中可以看出，辐射段炉管管壁距离耐火衬里很近，现场测量仅有不足50 mm的空间，与炉管外径219 mm的尺寸相差较大，影响炉墙反射到管壁的辐射量，降低传热效果，最终导致热效率降低。在今后的设计和优化改进中，可以适当增加管墙距作为一个实施方案。

3.2 燃烧器在线除焦

本文所研究的GW5000原油加热炉所用燃油型燃烧器为百德公司的TS2N-D型号。据现场操作人员反馈，燃油型燃烧器在运行一段时间之后，由于燃油性能的变化，尤其是处于北方地区，冬季助燃空气的昼夜温差较大，稳焰器的结焦概率加大。稳焰器的局部结焦，将导致助燃空气射入角度的变化和风量的降低，造成燃烧器燃料与配风比例的严重失调，燃料油的雾化角度发生偏移，火焰偏烧，要么舔舐炉管，造成传热的不均匀，要么造成燃烧不充分，在炉膛内尤其是对流段发生二次燃烧，威胁加热炉的正常运行。

对该型燃烧器的燃烧反应进行模拟计算，温度分布云图如图11所示。

从图11中可以看出， 在其他条件不变的情况下， 如果将燃烧器的助燃空气流量加大， 使稳焰器区产生较大的旋流区， 则在燃油喷出的近距离范围内将很快发生完全燃烧， 在稳焰器附近将大量放热。实际生产中可利用此区的热量将凝固的燃料油融化， 实现在线除焦。在实际操作过程中， 也可以继续观察结焦部位的发展情况， 待油焦全部融化后， 将风量调至正常的比例， 恢复正常操作。

图11 燃烧器中心截面燃烧温度分布云图

3.3 清灰除垢

原油加热炉烧重油时，烟气中存在大量的灰垢，称为油灰【2】，其性能如表2所示。

分析来看，管外积灰增加了传热阻力，使加热炉排烟温度升高，热效率下降；同时，积灰减少了烟气流通面积，使烟气流速提高，阻力增大；实际运行表明，在对流段尾部低温受热面，积灰后的管壁更易吸附烟气中所含的硫酸蒸汽，加剧炉管的露点腐蚀。建议在加热炉停运时，利用对流室设置的吹灰器对炉管上积灰进行及时吹扫和清理，并采取措施(如加干燥剂等)，确保对流盘管的干燥，降低炉管的积灰腐蚀。

3.4 燃料油替代

原油燃烧产生的烟尘污染、硫化物腐蚀设备等问题普遍存在，不符合节能减排相关要求，因此必须结合企业特点，寻找替代原油的燃料。目前燃油替代情况【3】如表3所示。

表2 油灰性能分析

表3 燃油替代方案分析

从表3可以看出，不同替代燃料各有优缺点，企业应根据自身特点进行相应技术准备或储备，确保在合适的时间和条件下，实现替代应用，以适应清洁发展趋势要求。

3.5 增设空气预热器

增设空气预热器是降低排烟温度、提高加热炉热效率的有效措施之一。与其他措施相比，增设空气预热器不受工艺流程约束，能够利用烟气直接预热空气。通常，在加热炉其他参数不变的条件下，空气温度每提高20 ℃，加热炉热效率提高约1个百分点。烟气预热助燃空气是加热炉回收烟气余热、提高热效率主要和重要的手段。利用烟气余热预热空气的方案很多，可分为用烟气直接预热空气和间接预热空气两大类，如表4所示。

表4 空气预热形式对比

根据实际状况及上述空气预热形式对比，选用热油式更为合理，便于就地选用中间介质。

4 结语

1) 采用数值模拟方法对某企业GW5000型加热炉内三维燃烧场进行了详细的数值模拟研究，分析了炉内流场的分布特征。

2) 对该炉型节能分析表明：管心距衬里的距离宜选择合理尺寸，否则影响传热效率，后续设计研究中需确定最佳管心距；适时提高助燃空气流量，借助旋流区增大，实现燃烧器在线除焦；利用对流段设置的吹灰器对炉管积灰进行及时吹扫和清理，降低积灰腐蚀；应选择合适的燃料油替代；增设空气预热器进一步提高能量利用率。