加熱爐燃燒器燃料噴管角度對熱效率的影響研究*

陳長江，劉鵬鵬，陸 梅，胡成新，李美瑜，覃莞鈺

(重慶科技學院，重慶 401331)

加熱爐，作為一種油氣的加熱設備，在油氣儲運過程與油氣田的各類站場中，發揮著重要的作用[1]，其運行情況和能耗水平，對油氣田節能降耗工作起著至關重要的作用。目前，各大油氣田中以加熱爐為核心的供熱系統主要存在的問題為[2-3]：1)加熱爐使用期過長，導致爐內各設備腐蝕嚴重；2)油田產量變化與季節變化，導致加熱爐負荷差異大；3)現場環境與生產工況復雜，導致加熱爐的綜合性能差；4)生產區域分散，導致加熱爐安裝位置散亂，不便管理。為了提高傳統加熱爐的綜合性能，可從強化燃燒、改造自控技術、強化傳熱和換熱技術等方面對傳統加熱爐進行了改進[4]。本文以強化燃燒的方向，對加熱爐傳統的平直井口進行了改進，通過增大燃燒器噴管的角度，以縮短燃料與空氣的混合時間，提高火筒的溫度，進而提高加熱爐的熱效率。

1 物理模型及邊界條件

1)物理模型

物理模型包括了燃燒器噴管與整個火筒結構，幾何結構如圖1所示，結構網格如圖2所示，共509696個節點。其中，燃料為天然氣，用量為 200 m3/h。燃料組分如表1所示，燃氣與空氣的速度比為3.5。

2)邊界條件

已知燃料氣用量，因此燃燒器進口噴管為速度進口；煙管末端為壓力出口，設置值為 1000 Pa 的微正壓。火筒的內壁面為耦合壁面，外壁面為對流換熱。采用CFD軟件進行數值模擬，其中的湍流模型采用標準k-ε模型，湍流燃燒采用物質輸送和有限速率化學反應模型，輻射傳熱采用離散坐標法[5-8]。

圖1 加熱爐燃燒器及火筒幾何結構

圖2 燃燒器及火管結構化網格

表1 燃料氣組分

2 計算結果分析

1)速度流場

由于模型幾何結構關于Z=0 m 中心對稱，所以在Z=0 m 截面上的速度場可直觀的觀察到燃料氣在火筒內的湍流燃燒特性。此截面上不同燃燒器噴管角度前后的速度云圖如圖3所示。由圖3可知，火筒與煙管內部均發生了不同程度的煙氣回流現象。煙氣的回流可以幫助燃料與空氣充分混合，還可以降低煙管出口的燃料氣含量，減少燃料用量，并且氧氣在火筒內的濃度會降低。燃燒發生于低氧環境下，NOx的產生量會隨之減少，可以保護環境。當燃燒器噴管角度為30°時，噴管出口氣體速度最高為 26 m/s，說明了適當增大燃燒器噴管角度，可以增加火筒內混合氣體的流速，對管內壁產生沖刷，不易生成污垢導致堵塞。

2)溫度流場

不同噴管進口角度時火筒內的溫度云圖如圖4所示。

圖3 不同噴管進口角度時的速度云圖

圖4 不同噴管進口角度時火筒內的溫度云圖

由圖4可知，火焰存在于火筒部分的尾部，整個結構的最高溫度位于煙管的出口附近，說明了煙管處為整個結構的熱應力最為集中的部位，此處易于發生燒穿的事故，所收到的壓應力也較大，容易出現形變。火筒內部溫度隨著噴管角度的增大出現先減小后增大的趨勢，說明了噴管角度為30°時，可降低火筒與煙管的熱應力，減少燒穿事故的發生。通過計算得出，噴管角度為0°時的火筒壁面平均溫度為 1361.2 ℃；噴管角度為30°時的火筒壁面平均溫度為 1379.8 ℃；噴管角度為60°時的火筒壁面平均溫度為 1386.6 ℃。隨著燃燒器噴管角度的增加，火筒內的最高溫度與火筒壁面的平均溫度均有所提高，說明了通過增大燃燒器噴管角度的方法來強化火筒內燃料的燃燒效果是可行的。

3)燃料用量對比

通過HYSYS軟件，建立了加熱爐的換熱模型，如圖5所示。

當油品的流量定為 1885 t/d 時，將油品從 20 ℃ 加熱到 55 ℃。根據相關計算公式可得到不同噴管角度下加熱爐燃料氣用量[9]，如表2所示。由表2可知，隨著噴管角度的增大，燃料氣的使用量減小，說明了增大噴管的角度有助于企業節能減排，在一定程度上提高了企業的經濟效益。

圖5 噴嘴角度為30°加熱爐換熱模型

表2 燃氣用量表

3 結論

為提高加熱爐的熱效率，對燃料氣噴管結構進行了改進，即由平直進口改為有一定角度的噴嘴進口。通過研究得出，當火筒結構的換熱面積不變時，增大燃料氣噴管角度，可改善燃燒效果，提高燃燒效率，降低燃氣用量，減少環境污染；當噴管角度為30°時，可降低火筒與煙管內的整體溫度，但不會降低壁面的平均溫度，可減少燒穿事故的發生。本文為加熱爐通過強化燃燒來提高燃燒效率提供了理論依據。