燃气加热炉内流动和燃烧过程的影响.ppt

中国石油大学（北京） 中国石油大学（北京）毛羽 王娟 周桂娟2006.9 炼油厂管式加热炉内 流动和燃烧过程的数值模拟 2006年石油和化工行业节能技术研讨会 喷孔直径对燃气加热炉内 流动和燃烧过程的影响 一、研究背景 管式加热炉是炼油化工过程中的用能大户。 每个炼油厂消耗的燃料相当于其加工量的8-12%，所耗燃料费约占操作费用的60-70%。 管式加热炉的安全高效运行对整个炼厂降低运行成本、提高经济收益有重要影响。 一、研究背景 在炼油厂加工总流程中，常减压蒸馏是第一道工序，常被称为“龙头”装置。为原油提供热量的管式加热炉是常减压蒸馏工艺的关键装置之一。 燃烧器的最佳结构对于保证加热炉内燃烧过程顺利进行起着关键作用。 喷嘴直径是燃气燃烧器的重要结构参数，是设计燃烧器时需要考虑的重要因素。 一、研究背景 2.1 几何模型的建立与网格划分 立式圆筒炉 一个燃气单元 辐射室 结构化网格 2.1 几何模型的建立与网格划分 燃烧器及其网格划分 2.2 数学模型的选择 2.2 数学模型的选择 2.3 计算条件 燃烧器的功率为505KW 燃料气的主要成分为CH4，温度为118℃ 氧化剂采用常温无预热空气，温度约为25℃ 过剩空气系数是1.1 2.4 边界条件的确定 速度入口边界 炉管定温边界 绝热壁面 对称边界条件 压力出口边界条件 三、计算结果与分析 3.1 速度场分析 3.1 速度场分析 3.2 温度场分析 3.2 温度场分析 3.2 温度场分析 3.3 火焰形状分析 3.4 效率分析 四、结论 四、结论 2006年石油和化工行业节能技术研讨会 喷孔直径对燃气加热炉内 流动和燃烧过程的影响 问题背景 几何模型和边界条件 温度场的计算结果 结论 在炉膛内各个方向上的温度分布是不均匀的，其分布呈现下部温度高，上部温度低，中间温度高两端温度低的特点，特别是在炉膛下部区域，受燃烧火焰的影响，温度较高。 扁平火焰燃烧器形成的火焰较短，较短的燃气火焰，使得炉膛高度方向温度梯度很大，因而使得不同高度位置炉管管壁所受到的辐射传热强度差异较大 与燃烧火焰高温区域相对应，炉膛下部炉管表面温度较高，随着高度增加，炉管表面温度逐渐降低，分布趋于均匀。 结论 炉膛下部炉管表面热流强度较大，随着高度增加，离高温火焰区的距离增加，炉管表面热流强度减小，并且单根炉管表面热流强度呈现中间高、两头低的分布。 由于火焰长度仅为炉管高度的1/3左右，底部炉管受到的辐射强度很大，而上部炉管受到的辐射强度迅速降低，这对于辐射传热的效率有不利影响，并且底部炉管容易出现过热现象。 * * 2006年石油和化工行业节能技术研讨会 延迟焦化炉内湍流燃烧和炉管表面温度、热流分布研究 管 式 加 热 炉 燃料费用 喷孔 维护费用 燃烧器 经济 稳定 环保 二、数值模拟方法简介 建立几 何模型 选择数 学模型 确定计 算条件 划分 网格 计算 分析 修正模型 与方法 流动：标准的k-e双方程模型 燃烧：PDF扩散燃烧模型 辐射传热：离散坐标法 非稳 态项 对流项 扩散项 源项 燃料入口的速度比较 457.91 293.06 203.52 149.52 Velocity（m/s） CH4 2.0 2.5 3.0 3.5 d(mm) 3.1 速度场分析 炉膛中心轴线上的速度分布 炉膛不同高度截面上的速度分布 炉膛中心轴线上的温度分布 炉膛不同高度截面上的温度分布 炉膛中心轴线上的速度分布 1.19e-14 -415590.1 2 4.66e-14 -417833.6 2.5 7.89e-14 -420516.2 3 1.70e-12 -422917.9 3.5 Concentration of fuel on the outlet（mass fraction） Heat transfer (w) d（mm） 传热量与出口燃料浓度比较 喷孔直径越小，喷孔出口速度越大，速度峰值也越大，射流的影响区域越大。 随着喷孔直径的减小，喷射速度提高，这加剧了燃料与空气的混合和燃烧速率，燃烧在较短的区域内完成，燃烧的火焰逐渐变短、变窄。 由于射流影响，火焰根部呈现“双峰”结构，但随着轴向高度的增大，射流影响逐渐消失，“双峰”也逐渐消失。 目前普遍认为，管式加热炉内燃料燃烧的越迅速越好，燃烧器的设计都遵循着这个原则。 以上的计算结果和分析表明，实际上从辐射段传热效果的角度考虑，燃烧速度并不是越快越好，火焰也不是越短越好。 火焰过短，炉管受热必然不均匀，局部热强度越大，总传热效率下降，而且会引起炉管局部过热，影响炉管寿命。 从优化传热的角度，立管式加热炉中火焰长度为炉管长度的2/5～1/2较为合适，卧管式加热炉则为1/5～1/4合适。 延迟