加热炉燃烧器燃料喷管角度对热效率的影响研究*

陈长江，刘鹏鹏，陆 梅，胡成新，李美瑜，覃莞钰

(重庆科技学院，重庆 401331)

加热炉，作为一种油气的加热设备，在油气储运过程与油气田的各类站场中，发挥着重要的作用[1]，其运行情况和能耗水平，对油气田节能降耗工作起着至关重要的作用。目前，各大油气田中以加热炉为核心的供热系统主要存在的问题为[2-3]：1)加热炉使用期过长，导致炉内各设备腐蚀严重；2)油田产量变化与季节变化，导致加热炉负荷差异大；3)现场环境与生产工况复杂，导致加热炉的综合性能差；4)生产区域分散，导致加热炉安装位置散乱，不便管理。为了提高传统加热炉的综合性能，可从强化燃烧、改造自控技术、强化传热和换热技术等方面对传统加热炉进行了改进[4]。本文以强化燃烧的方向，对加热炉传统的平直井口进行了改进，通过增大燃烧器喷管的角度，以缩短燃料与空气的混合时间，提高火筒的温度，进而提高加热炉的热效率。

1 物理模型及边界条件

1)物理模型

物理模型包括了燃烧器喷管与整个火筒结构，几何结构如图1所示，结构网格如图2所示，共509696个节点。其中，燃料为天然气，用量为 200 m3/h。燃料组分如表1所示，燃气与空气的速度比为3.5。

2)边界条件

已知燃料气用量，因此燃烧器进口喷管为速度进口；烟管末端为压力出口，设置值为 1000 Pa 的微正压。火筒的内壁面为耦合壁面，外壁面为对流换热。采用CFD软件进行数值模拟，其中的湍流模型采用标准k-ε模型，湍流燃烧采用物质输送和有限速率化学反应模型，辐射传热采用离散坐标法[5-8]。

图1 加热炉燃烧器及火筒几何结构

图2 燃烧器及火管结构化网格

表1 燃料气组分

2 计算结果分析

1)速度流场

由于模型几何结构关于Z=0 m 中心对称，所以在Z=0 m 截面上的速度场可直观的观察到燃料气在火筒内的湍流燃烧特性。此截面上不同燃烧器喷管角度前后的速度云图如图3所示。由图3可知，火筒与烟管内部均发生了不同程度的烟气回流现象。烟气的回流可以帮助燃料与空气充分混合，还可以降低烟管出口的燃料气含量，减少燃料用量，并且氧气在火筒内的浓度会降低。燃烧发生于低氧环境下，NOx的产生量会随之减少，可以保护环境。当燃烧器喷管角度为30°时，喷管出口气体速度最高为 26 m/s，说明了适当增大燃烧器喷管角度，可以增加火筒内混合气体的流速，对管内壁产生冲刷，不易生成污垢导致堵塞。

2)温度流场

不同喷管进口角度时火筒内的温度云图如图4所示。

图3 不同喷管进口角度时的速度云图

图4 不同喷管进口角度时火筒内的温度云图

由图4可知，火焰存在于火筒部分的尾部，整个结构的最高温度位于烟管的出口附近，说明了烟管处为整个结构的热应力最为集中的部位，此处易于发生烧穿的事故，所收到的压应力也较大，容易出现形变。火筒内部温度随着喷管角度的增大出现先减小后增大的趋势，说明了喷管角度为30°时，可降低火筒与烟管的热应力，减少烧穿事故的发生。通过计算得出，喷管角度为0°时的火筒壁面平均温度为 1361.2 ℃；喷管角度为30°时的火筒壁面平均温度为 1379.8 ℃；喷管角度为60°时的火筒壁面平均温度为 1386.6 ℃。随着燃烧器喷管角度的增加，火筒内的最高温度与火筒壁面的平均温度均有所提高，说明了通过增大燃烧器喷管角度的方法来强化火筒内燃料的燃烧效果是可行的。

3)燃料用量对比

通过HYSYS软件，建立了加热炉的换热模型，如图5所示。

当油品的流量定为 1885 t/d 时，将油品从 20 ℃ 加热到 55 ℃。根据相关计算公式可得到不同喷管角度下加热炉燃料气用量[9]，如表2所示。由表2可知，随着喷管角度的增大，燃料气的使用量减小，说明了增大喷管的角度有助于企业节能减排，在一定程度上提高了企业的经济效益。

图5 喷嘴角度为30°加热炉换热模型

表2 燃气用量表

3 结论

为提高加热炉的热效率，对燃料气喷管结构进行了改进，即由平直进口改为有一定角度的喷嘴进口。通过研究得出，当火筒结构的换热面积不变时，增大燃料气喷管角度，可改善燃烧效果，提高燃烧效率，降低燃气用量，减少环境污染；当喷管角度为30°时，可降低火筒与烟管内的整体温度，但不会降低壁面的平均温度，可减少烧穿事故的发生。本文为加热炉通过强化燃烧来提高燃烧效率提供了理论依据。