天然氣加熱爐熱效率數(shù)值模擬

董玉飛

摘 要：介紹了影響加熱爐熱效率的影響因素，以計算流體力學(xué)、燃燒規(guī)律和能量守恒方程為基礎(chǔ)，建立了天然氣加熱爐燃燒器的數(shù)值模型。使用Fluent軟件對天然氣加熱爐燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了燃料噴孔直徑、噴孔角度、空氣入口速度和甲烷入口溫度與加熱爐燃燒效果的聯(lián)系。揭示了燃燒器燃燒效率低、冒黑煙問題的機(jī)理。研究結(jié)果明確了影響因素與加熱爐熱效率的關(guān)系。為進(jìn)一步改進(jìn)加熱爐燃燒器的設(shè)計有指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：加熱爐燃燒器；數(shù)值模擬；Fluent軟件

中圖分類號：TE 963 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1889-03

Abstract： The influence factors of heat efficiency of the heating furnace were introduced， and the numerical model of the natural gas heating furnace was established based on the calculation of the fluid mechanics， combustion rule and the energy conservation equation. Fluent software was used in numerical simulation of natural gas heating furnace burner， the relationship between fuel spray hole diameter， nozzle angle， air inlet velocity， methane inlet temperature and the effect of heating furnace was studied. Mechanisms of low combustion efficiency and black smoke problem of the burner were revealed. The research results clarified the relationship between the influence factors and the heating efficiency of the heating furnace. This paper has good guiding significance for further improvement of design of the heating furnace burner.

Key words： heating furnace burner； numerical simulation； Fluent software

加熱爐是油氣生產(chǎn)和輸送中的重要設(shè)備，而燃燒器是加熱爐的核心部分，加熱爐燃燒器熱效率的高低對燃料的能耗和環(huán)境的污染起著決定性的作用[1]。目前國內(nèi)加熱爐燃燒器的技術(shù)相較國外先進(jìn)的燃燒器技術(shù)還有很大的差距，國內(nèi)對燃燒器技術(shù)的研究相對較少，國外的加熱爐燃燒器的燃燒效率要比國內(nèi)的高出15%左右[2]。此外國內(nèi)加熱爐燃燒器還存在著許多的問題比如：噴嘴燃燒不均勻、爐膛溫度分布不均勻和冒黑煙[3]等問題。針對這些問題，本文對天然氣加熱爐燃燒器建立了物理模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過分析加熱爐燃燒器的數(shù)值模擬結(jié)果，揭示了燃料噴孔直徑、燃料噴孔角度和空氣入口速度與加熱爐燃燒效果的聯(lián)系。

1 建立加熱爐燃燒器的物理模型

本文所選天然氣加熱爐的燃燒器安放在爐膛的底部，爐膛的直徑為1 m，高度為3 m，加熱爐爐體寬為1 m，空氣的入口直徑為0.15 m。燃?xì)鈬婎^上有4個沿圓周方向平均分布的燃料噴嘴，噴射角度為β，噴孔直徑為d[4]，如圖1所示。

2.3 邊界條件

（1）加熱爐燃料用平均溫度為900 K的天然氣，氧化劑選用溫度約300 K的空氣。

（2）將尾端燃燒器的圓柱腔的入口面定義為Air-inlet，燃燒器上四個小型噴孔處的入口面定義為Gas-inlet[7]，定義加熱爐頂端出口面為Outlet，邊界條件采用壓力出口，允許回流存在，其余邊界定義為Wall。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文用Fluent軟件對燃?xì)饬黧w[8]在加熱爐中燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬[9]，主要研究了燃料噴孔直徑、噴孔角度和空氣入口速度與爐內(nèi)燃燒[10]情況之間的關(guān)系。

3.1 燃料噴孔角度改變時，加熱爐燃燒器周圍的速度的分布情況

噴孔角度從40°增大至55°時，燃燒器周邊流體的速度分布情況如圖3所示。

由圖3可看出流體在燃料噴口的上方有回流情況的發(fā)生，并且回流的范圍是隨著燃料噴孔角度的增大而增大。

從圖5可看出，當(dāng)燃料的噴孔直徑為小直徑時，在加熱爐的下半部分位置處溫度上升快，但到了加熱爐的中上部分位置時出現(xiàn)了交叉點，此時隨著燃料噴孔直徑的增加，大直徑噴嘴的溫度升高速率要比小直徑噴嘴的溫度升高速率要快。

3.4 空氣入口的速度的變化與加熱爐膛中軸線上溫度的分布規(guī)律

空氣入口的速度從4 m/s增加到10 m/s時，爐膛中軸線的溫度變化分布如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)空氣入口速度較小時，氧氣與燃料氣混合均勻，在燃燒爐中間位置處燃料轉(zhuǎn)化效率最高，但隨著高度增加轉(zhuǎn)化效率開始降低；隨著空氣入口速度逐漸增大，剛開始燃料轉(zhuǎn)化情況隨著高度增加呈同步增加趨勢，但到了加熱爐的中間位置處出現(xiàn)了不同的增長趨勢，空氣入口的速度小的時候燃燒效率高于空氣入口速度大時的燃燒效率。可適當(dāng)降低空氣入口的速度來提高燃燒效率應(yīng)。

3.5 甲烷入口溫度對燃燒轉(zhuǎn)化率的影響不同的甲烷入口溫度對加熱爐熱效率的影響

圖7 表明了在甲烷入口溫度不同的情況下，加熱爐軸燃燒情況和軸向截面上氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。由此可知，隨著甲烷入口溫度的升高，加熱爐內(nèi)軸向的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，這是因為甲烷溫度越高，氣體的分子越活躍，與氧氣接觸的概率也就越小，從而反應(yīng)不充分，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率將低低。

4 結(jié) 論

（1）燃料噴孔的直徑變化對天然氣在燃燒器中燃燒過程的影響明顯。速度的峰值和射流的影響區(qū)域隨著噴孔的直徑逐漸減小而逐漸增大，溫度分布也隨之越來越均勻。

（2）燃料噴射角度對燃燒過程有一定的影響，隨著燃料噴射角度的逐漸增大，加熱爐中的溫度分布的分布越來越均勻，燃燒效果更好，可減少有黑煙產(chǎn)生。

（3）隨著空氣入口流速的逐漸增加，天然氣與空氣的非預(yù)混燃燒過程不充分，燃料的轉(zhuǎn)化率低，因此在燃燒過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档涂諝馊肟谒俣取?/p>

（4）甲烷入口溫度為600 K時，燃燒器內(nèi)氧氣軸向平均體積分?jǐn)?shù)最高，反應(yīng)充分，轉(zhuǎn)化率高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭志偉. 基于FLUENT的加熱爐模擬與優(yōu)化[D]. 北京：中國石油大學(xué)，2010.

[2] 陳魯，甄東勝，劉青，等. 提高水套加熱爐熱效率的方法與實踐[J]. 節(jié)能，2004（2）：47-48 .

[3] 張威，方輝. 管式加熱爐節(jié)能綜述[J]. 油田地面工程，2002，21（6）：105-105 .

[4] 王娟，毛羽，李麗紅，竇從從，張建國，劉義中. 燃燒器結(jié)構(gòu)對氣體火焰形狀和爐內(nèi)溫度分布的影響 [J]. 煉油技術(shù)與工程，2007（08）：29-33.

[5] 葛冰，臧述升，郭培卿. 旋流非預(yù)混燃燒火焰流動特性的實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2009（11）：1969-1972.

[6] 肖丹. 天然氣單蓄熱燒嘴富氧燃燒的數(shù)值模擬[J]. 工業(yè)爐，2014（02）：6-8.

[7] 韓占忠，等. Fluent 流體工程仿真實例與應(yīng)用. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2004

[8] K.A. Hoffmann，S.T. Chiang. Computational Fluid Dynamics for Engineers [M].USA：A publication of Engineering Education System， 1993 .

[9] 王福軍，等. 計算流體動力學(xué)分：CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[10] 傅維標(biāo)，等.燃燒物理學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 .