李進(jìn)鋒

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

加熱爐是石油化工裝置的核心設(shè)備， 也是換熱設(shè)備和耗能設(shè)備， 影響著整個(gè)裝置的操作周期和能耗水平。深入研究加熱爐節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀， 分析和解決運(yùn)行中存在的問題， 提高熱效率、 適用性和安全性， 對于確保原油輸送和加工處理節(jié)能降耗和安全運(yùn)營意義重大【1】。以往對于加熱爐研究僅限于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的方法， 隨著CFD技術(shù)快速發(fā)展， 數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究加熱爐內(nèi)燃燒和傳熱過程的有力手段。通過這一方法， 能夠得到爐內(nèi)流動(dòng)、 燃燒和傳熱過程的詳細(xì)信息， 進(jìn)而縮短研究和設(shè)計(jì)周期，提高加熱爐熱效率。

1 幾何模型與計(jì)算條件

1.1 GW5000型加熱爐概述

GW5000型加熱爐通常由四部分組成：輻射段、對流段、煙囪和燃燒器，其中輻射段為臥式圓筒形；對流段為直立方形，并選用釘頭管、翅片管，配置吹灰器。燃燒產(chǎn)生的高溫火焰以輻射傳熱的方式將熱量經(jīng)輻射段爐管傳遞給管內(nèi)的原油， 由于加熱爐管中的原油直接由火焰加熱， 因此溫升速度較快。鑒于煙囪內(nèi)的煙氣和煙囪外的空氣密度不同， 因此當(dāng)煙囪高度適當(dāng)時(shí)， 煙囪內(nèi)外的壓力差能夠克服煙氣和空氣流動(dòng)阻力， 使?fàn)t膛和對流段處于負(fù)壓狀態(tài)。GW5000型加熱爐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 GW5000型原油加熱爐結(jié)構(gòu)示意

1.2 幾何建模

本文待模擬對象為GW5000型原油加熱爐，其爐膛及爐管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中爐膛右側(cè)有1個(gè)KN型重油燃燒器，爐膛內(nèi)表面爐墻一周排布兩組爐管，單面輻射傳熱，每組10根爐管。

圖2 GW5000型加熱爐爐膛及爐管結(jié)構(gòu)示意

1.3 網(wǎng)格劃分

為了提高模擬計(jì)算結(jié)果的精度，待計(jì)算的加熱爐立體幾何圖形采用完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分整個(gè)計(jì)算域。從計(jì)算經(jīng)驗(yàn)來看，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)格疏密程度控制便捷，適于在相應(yīng)的耦合邊界處交換數(shù)據(jù)信息，尤其是能較大程度降低網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)量，便于快速高效地調(diào)整計(jì)算模型，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算成本。但結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格缺點(diǎn)是必須將整個(gè)計(jì)算域按照結(jié)構(gòu)化的要求劃分為多個(gè)在三維方向完全對應(yīng)、銜接良好的六面體塊體，因此在前處理網(wǎng)格劃分上需要投入較多的時(shí)間和精力，以確保整個(gè)模型的系統(tǒng)性能。考慮到整體計(jì)算成本的有效降低和耦合界面數(shù)據(jù)交換的方便，選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是適宜的，經(jīng)統(tǒng)計(jì)確定，本案例中整個(gè)計(jì)算域共劃分為220萬個(gè)體網(wǎng)格，詳細(xì)模型見圖3。

圖3 GW5000型加熱爐網(wǎng)格劃分模型

1.4 計(jì)算條件

為了獲得較為精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，需要在計(jì)算過程中，對燃料和助燃空氣采用流量入口邊界條件，燃料速度為0.100 3 m/s，溫度為40 ℃?？諝馊肟谒俣葹?.724 2 m/s，要確保燃料的充分燃燒，基于計(jì)算經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對空氣過剩系數(shù)取值1.1，入口空氣溫度為40 ℃。對煙囪出口采用壓力邊界，數(shù)值p=-20 Pa，能夠保證煙囪出口有一定的抽力。對于加熱爐內(nèi)表面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壁面條件包括燃燒器火道、爐膛壁面、爐底和爐管壁面。在這些壁面條件中，爐管外壁為分區(qū)耦合計(jì)算的耦合邊界，其溫度和熱流密度分布均由耦合計(jì)算自動(dòng)獲得，其余壁面簡化為絕熱的壁面條件，能夠滿足實(shí)際計(jì)算的要求。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流線分布及火焰形狀

GW5000型加熱爐輻射段流場特點(diǎn)是右側(cè)燃燒器高速噴出燃料，與助燃空氣混合發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)形成剛性火焰，燃燒煙氣形成溫度高、流速快的射流噴入爐膛，向左側(cè)方向流動(dòng)。煙氣的射流效應(yīng)卷吸周圍的高溫?zé)煔?，在火焰周圍區(qū)域形成煙氣回旋流型，如圖4所示。從分析來看，煙氣回流將有助于提高輻射爐膛底部的溫度均勻分布，對于避免爐管局部過熱、延長爐管的使用壽命、提高加熱爐的運(yùn)行周期有一定作用。從火焰形狀的尺寸可以判斷，長度大致占整個(gè)輻射段長度的三分之二，能夠確?；鹧娴姆€(wěn)定形成并為管內(nèi)介質(zhì)升溫提供穩(wěn)定的熱量供給。

圖4 爐內(nèi)流場和火焰形狀

2.2 速度場分布

圖5為爐膛內(nèi)速率場頒布情況。從圖5中可以看到，在爐膛的右側(cè)，隨著燃燒器噴出的燃料氣和助燃空氣的流量增大，將使燃燒產(chǎn)生的高溫高速煙氣射流區(qū)域及射流中心速度逐漸增大；在爐膛的左側(cè)，隨著煙氣向爐頂流動(dòng)，射流逐漸減弱，流速逐漸趨于穩(wěn)定，射流速度最高值可達(dá)140 m/s。

2.3 溫度場分布

圖6為爐膛內(nèi)溫度場分布。圖6中顏色依次從紅變化為黃、 綠、 藍(lán)， 表示溫度逐漸降低。從圖6 中可以看到，在爐膛內(nèi)燃燒器周圍的高溫分布具有火焰輪廓，隨著高度的增加，煙氣混合加劇、溫度逐漸降低，上下兩側(cè)除了受轉(zhuǎn)換段結(jié)構(gòu)差異影響之外，溫度場分布基本對稱；沿燃燒器的中心自右端至左側(cè)，溫度先迅速增加，然后有一定的平滑過渡區(qū)，而后隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，溫度繼續(xù)升高，但溫升的速度已經(jīng)沒有燃燒器附近區(qū)域的那么大；最后，隨著整個(gè)流場內(nèi)介質(zhì)的充分混合，溫度逐漸趨于平穩(wěn)，并保持在一定的范圍內(nèi)，為加熱介質(zhì)提供了可靠的熱源保障。

圖5 爐膛內(nèi)速度場分布

圖6 爐膛內(nèi)溫度場分布

2.4 組分濃度分布

圖7為爐膛內(nèi)組分濃度分布。圖7中顏色依次從紅變化為黃、綠、藍(lán)，表示濃度逐漸降低。從圖7(a)中可以看到， 在燃燒器的左側(cè)射流區(qū)域內(nèi)， 燃料急速噴入爐膛后沒有充足的O2與之反應(yīng)， 燃燒不充分生成中間產(chǎn)物CO， 隨著O2含量的增加以及反應(yīng)的進(jìn)行，CO2生成量逐漸趨于穩(wěn)定。

計(jì)算中燃燒器的過剩空氣系數(shù)為10%，因此爐膛中始終保持一定的過剩空氣。從圖7(b)中可以看到，在燃燒核心區(qū)域，由于燃料氣的充分燃燒消耗大量的助燃空氣， 因此該區(qū)的O2濃度最低； 其他區(qū)域由于爐膛內(nèi)過剩空氣系數(shù)因素的存在， 使得一定濃度的O2始終存在于爐膛內(nèi)。

圖7 爐膛內(nèi)輻射熱強(qiáng)度分布

2.5 爐管表面熱流密度分布

表面熱流密度是考察加熱爐燃燒和運(yùn)行性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一， 能夠反映整個(gè)輻射段爐膛內(nèi)的輻射傳熱效果及爐管和燃燒器布置是否合理。對于加熱爐的輻射段爐膛， 理想的輻射熱強(qiáng)度的曲線分布沿爐膛高度方向上應(yīng)當(dāng)趨于均勻。輻射熱強(qiáng)度越均勻， 爐管局部過熱及管內(nèi)介質(zhì)結(jié)焦的可能性越小， 對爐管的使用壽命影響也越小， 可保證加熱爐的長周期安全運(yùn)行。圖8為爐管表面熱流密度分布。從圖8可以看出， 熱流密度沿火焰方向呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。

圖8 爐管表面熱流密度分布

3 節(jié)能優(yōu)化措施分析

3.1 管墻距優(yōu)化

輻射室的大小首先取決于輻射管傳熱面積的大小、 管心距、 管墻距以及爐管至火焰的距離等因素。分析來看， 加熱爐爐管并非平面， 在輻射段傳熱計(jì)算中將其假定為一個(gè)當(dāng)量冷平面來考慮。對于原油加熱爐， 輻射管是單面輻射， 即向火面接受直接輻射， 背火面接受爐墻反射。因此，為了提高爐管表面利用率， 應(yīng)盡可能提高其背火面接受爐墻反射的能力。爐墻反射的因素與管心距和管墻距有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)， 三者的關(guān)系如圖9所示【2】。

圖9 爐墻反射因素關(guān)系

圖9對應(yīng)的管墻距與爐墻反射吸收因素變化規(guī)律如表1所示。

從表1可知，管墻距既不宜過小，也不宜過大。過小，對爐管吸熱不利，會浪費(fèi)管材；而如果過大，不但不能明顯改善傳熱，反倒會使輻射段尺寸猛增，浪費(fèi)鋼材和耐火襯里，增加建設(shè)投資。

在本文所研究的GW5000型加熱爐停爐時(shí)，實(shí)施高溫遠(yuǎn)紅外節(jié)能涂料噴涂施工期間，爐膛內(nèi)的實(shí)際狀況如圖10所示。

表1 爐管墻距與爐墻反射吸收因素變化規(guī)律

圖10 爐膛內(nèi)實(shí)際狀況

從圖10中可以看出，輻射段爐管管壁距離耐火襯里很近，現(xiàn)場測量僅有不足50 mm的空間，與爐管外徑219 mm的尺寸相差較大，影響爐墻反射到管壁的輻射量，降低傳熱效果，最終導(dǎo)致熱效率降低。在今后的設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)中，可以適當(dāng)增加管墻距作為一個(gè)實(shí)施方案。

3.2 燃燒器在線除焦

本文所研究的GW5000原油加熱爐所用燃油型燃燒器為百德公司的TS2N-D型號。據(jù)現(xiàn)場操作人員反饋，燃油型燃燒器在運(yùn)行一段時(shí)間之后，由于燃油性能的變化，尤其是處于北方地區(qū)，冬季助燃空氣的晝夜溫差較大，穩(wěn)焰器的結(jié)焦概率加大。穩(wěn)焰器的局部結(jié)焦，將導(dǎo)致助燃空氣射入角度的變化和風(fēng)量的降低，造成燃燒器燃料與配風(fēng)比例的嚴(yán)重失調(diào)，燃料油的霧化角度發(fā)生偏移，火焰偏燒，要么舔舐爐管，造成傳熱的不均勻，要么造成燃燒不充分，在爐膛內(nèi)尤其是對流段發(fā)生二次燃燒，威脅加熱爐的正常運(yùn)行。

對該型燃燒器的燃燒反應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，溫度分布云圖如圖11所示。

從圖11中可以看出， 在其他條件不變的情況下， 如果將燃燒器的助燃空氣流量加大， 使穩(wěn)焰器區(qū)產(chǎn)生較大的旋流區(qū)， 則在燃油噴出的近距離范圍內(nèi)將很快發(fā)生完全燃燒， 在穩(wěn)焰器附近將大量放熱。實(shí)際生產(chǎn)中可利用此區(qū)的熱量將凝固的燃料油融化， 實(shí)現(xiàn)在線除焦。在實(shí)際操作過程中， 也可以繼續(xù)觀察結(jié)焦部位的發(fā)展情況， 待油焦全部融化后， 將風(fēng)量調(diào)至正常的比例， 恢復(fù)正常操作。

圖11 燃燒器中心截面燃燒溫度分布云圖

3.3 清灰除垢

原油加熱爐燒重油時(shí)，煙氣中存在大量的灰垢，稱為油灰【2】，其性能如表2所示。

分析來看，管外積灰增加了傳熱阻力，使加熱爐排煙溫度升高，熱效率下降；同時(shí)，積灰減少了煙氣流通面積，使煙氣流速提高，阻力增大；實(shí)際運(yùn)行表明，在對流段尾部低溫受熱面，積灰后的管壁更易吸附煙氣中所含的硫酸蒸汽，加劇爐管的露點(diǎn)腐蝕。建議在加熱爐停運(yùn)時(shí)，利用對流室設(shè)置的吹灰器對爐管上積灰進(jìn)行及時(shí)吹掃和清理，并采取措施(如加干燥劑等)，確保對流盤管的干燥，降低爐管的積灰腐蝕。

3.4 燃料油替代

原油燃燒產(chǎn)生的煙塵污染、硫化物腐蝕設(shè)備等問題普遍存在，不符合節(jié)能減排相關(guān)要求，因此必須結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)，尋找替代原油的燃料。目前燃油替代情況【3】如表3所示。

表2 油灰性能分析

表3 燃油替代方案分析

從表3可以看出，不同替代燃料各有優(yōu)缺點(diǎn)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)準(zhǔn)備或儲備，確保在合適的時(shí)間和條件下，實(shí)現(xiàn)替代應(yīng)用，以適應(yīng)清潔發(fā)展趨勢要求。

3.5 增設(shè)空氣預(yù)熱器

增設(shè)空氣預(yù)熱器是降低排煙溫度、提高加熱爐熱效率的有效措施之一。與其他措施相比，增設(shè)空氣預(yù)熱器不受工藝流程約束，能夠利用煙氣直接預(yù)熱空氣。通常，在加熱爐其他參數(shù)不變的條件下，空氣溫度每提高20 ℃，加熱爐熱效率提高約1個(gè)百分點(diǎn)。煙氣預(yù)熱助燃空氣是加熱爐回收煙氣余熱、提高熱效率主要和重要的手段。利用煙氣余熱預(yù)熱空氣的方案很多，可分為用煙氣直接預(yù)熱空氣和間接預(yù)熱空氣兩大類，如表4所示。

表4 空氣預(yù)熱形式對比

根據(jù)實(shí)際狀況及上述空氣預(yù)熱形式對比，選用熱油式更為合理，便于就地選用中間介質(zhì)。

4 結(jié)語

1) 采用數(shù)值模擬方法對某企業(yè)GW5000型加熱爐內(nèi)三維燃燒場進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬研究，分析了爐內(nèi)流場的分布特征。

2) 對該爐型節(jié)能分析表明：管心距襯里的距離宜選擇合理尺寸，否則影響傳熱效率，后續(xù)設(shè)計(jì)研究中需確定最佳管心距；適時(shí)提高助燃空氣流量，借助旋流區(qū)增大，實(shí)現(xiàn)燃燒器在線除焦；利用對流段設(shè)置的吹灰器對爐管積灰進(jìn)行及時(shí)吹掃和清理，降低積灰腐蝕；應(yīng)選擇合適的燃料油替代；增設(shè)空氣預(yù)熱器進(jìn)一步提高能量利用率。