（化工过程机械专业论文）管式加热炉燃气燃烧器的数值模拟及炉内流场优化.pdf

硕士学位论文 摘要 在炼油化工过程中管式加热炉是一个用能大户，每个炼油厂消耗的燃料相当 于其加工量的8 1 2 ，所耗燃料费约占操作费用的6 0 7 0 ，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。 燃烧器是管式加热炉的关键设备之一，其性能好坏直接影响加热炉燃烧效 率、燃烧稳定性、炉内温度分布、污染物的排放等因素。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决定性的作用。在实际生产中，许多燃烧器 在使用过程中出现燃料燃烧不完全、火焰疲软无力甚至舔烧炉管等不良工况，这 十分不利于加热炉的安全、高效运行。与此同时，国内外针对管式加热炉燃烧器 的研究鲜有报道，因此从提高燃烧器性能出发，寻找合理的燃烧器结构，保证良 好的加热效果，提高加热炉热效率具有很高的现实意义。 本文通过对某石化公司炼油厂常减压装置进行实地调查研究，首先选定常压 加热炉的一个燃烧单元为研究对象，对单台燃烧器结构进行改进并利用c f d 软 件f l u e n t 分析结构改进对燃烧器性能的影响，选出合适的燃烧器结构；其次， 针对炼厂实际生产中加热炉热负荷以及燃料经常发生变化的特点，分析燃烧器对 不同燃料的适应性以及热负荷变化对燃烧过程的影响；最后，结合现场数据，对 整个加热炉辐射段建模，通过数值模拟分析燃烧器布置方式和炉膛内增加折流挡 板对炉内流动、燃烧和传热过程的影响，为加热炉结构改进提供一定的理论指导。 在数值模拟中选用了标准k - s 湍流模型、p d f 燃烧模型、p 1 辐射模型以及n o x 等模型。 研究结果表明： ( 1 ) 采用分级配风方式和增加燃烧器喷孔数量均能有效地提高燃料利用率， 保证良好的加热效果：在燃烧道出口处增加一个圆台形缩径能显著提高烟焰的射 流作用，燃烧单元内对流传热比例大幅增加。 ( 2 ) 改进后的燃烧器在使用热值差异较大的燃料或者燃烧器热负荷变化范 围较大时仍能保证良好的加热效果，燃烧单元内温度分布均匀，燃烧器效率较高。 ( 3 ) 通过改变燃烧器布置方式或者在炉膛内增加折流板均能够有效改善炉 膛内流动、传热过程。在现有加热炉结构基础上，将燃烧器向炉膛中心轴线方向 移动一定的距离或者在炉膛内合适的高度增设一折流板后炉膛内烟气回流速度 摘要 和机械扰动强度均得到有效的提高，炉内温度分布更加均匀。 关键词：管式加热炉燃烧器f l u e n t 数值模拟 硕士学位论文 一一一一一 a 麓s t 肫a c t l 羹t h e 。虞l t e f yg h 。m i e a lp f 。e 。s s ，t 诅b 醵l 囊f 。蠡趣”魏a g ee 。鲢s 驵i l l e sl 。l s 。f 巷嚣。鐾y ，t 囊e 如。lu s e d 捷h e 肫氢阻e 哆。e e 毽p i e s8 一1 2 。f h e o t a lp f 。e e s s 协ge 卵鑫e i 瓢瓣dt 歉e 鲰e l e 。s li s 乏l b o 骓6 0 7 0 o f l l 。e 。【a l ( ) p 。f 越i 。乳e o s t 。7 r h 骓s ，t h 。s 鑫f e 鑫n de 疆。i e n to p e r 懿i 。l o f 风et 睚乩l 弭m 黻鑫e ei s 。r i t 瑟程li 羹貔。s t 辩d 驵e t i 。n 獭魏ef e 蠡1 。巧， “i _ eb 瑚髓e ri 耋o n 。ft h em 。s ti 黼p o 摊程雅t e q 聃啦飘e 稳t s 。ft 魏。隹u b 鼬l 新。熊黼鑫e e ， 砷。s ep e r 扬醒髓a n e ea 脆。st 硅et 两。聃3 1 a l e 掰。i e 疆e 舅g 。撼的s t i 。曩s t a b i i i 现t 。勰p 。r l t u r 。 蠢s 曩融u t i o n ，p 。l l 硅t a 凤te 魁i s s i o ng r e a 隹l y 。t 莹l e 。驴i m a ls 钢j e 扭l r eo ft 魏eb u 黼e 爹l a 弘a k e y 蔓o l ei 鼹盘e 。龃b 驻s t i o 瓢p f o e e s s 。l 瓣s o 瓣e s e s ， s o m e 矜弭趟e 嚣a p p e 稚鑫b n o 漱绸 w o r k i n g。n d i t i 。n ss 醢e l l a s i n e ( ) 猢p i e t 嚣 c o m b u s i o na 照箧 露矗谯i n 窑鬟毳瓣e ，。霞1 。s 。 p 歉e 毅。蕊e 髓aa 瓣u 雏f 巍v 。f a b l 。c 。盘。s a 托a n de 黼e i e 魏tr 畦鼹| l d i 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ne o 难l b u s t i o l m o d e la n 畦n 0 xm o d e lw e r e 诅s e 癌i nt 孰en 畦m e f i e a ls i m u l a 童i o n ( 1 ) t 魏e 辩s u l t ss h o w e dl 甄a tl 魏f o 诅g 酸雌s i 秘耋i h 。s t a g e 磋。a 蠹e 。m b _ 蝰s i 。蠢t e h 鳇。l o g y a 髓d 鑫莲d i 魏器t h en u l 穗b e o ft h e 雕。z z l 。，t h e | 髓i x 砸季。fm e 氛e ia 秘da 堙i ss i g 鞋i 蠢8 瓤t l y i 黼p r o v 。da 秘d 魏eh 。a i 弱ge 蠢毫e i sb e t 。氘释e s i 虞e s ，鑫醴d i 脯gat 鞠j 聃c a e 疆e 。穗e s h a p e c l r 。d 惶g i n g 醴i a 融e t e f 。鞋专h e 。u t i e to ft h e 驴f e * g o l 飘b h s e i o nc h 辅盟b 嚣。a 藏s i 窖髓i 螽。箍乳t i y i m p f o v 。h ej e t 秦e i 。魏。f 睡l e 舀强。g 鑫sa 嚣ds t e n 篓t h 巷麓t h ee o n v e e t i v eh e 越t 鑫鼠s 蹙l ( 2 ) t l en e wb u 辩。re a 雏毽s e 触e l sw i t hl a 玛e rh e 飘v a l u ed i f 毙撼n 。e ，d 诅r i n 霉 l 。 e o 融b u s t i o n 秘 o e e s st h et e 掰l p e r a t 疆r o 匹i s t r i 转u i o l l 遣u n i 蠡3 r 甜la l dt h ee 箍e i e n o ft h o i i i a b s t r a c t b 骓r 羹e ri sh 遮b 。 ( 3 ，t 魏e 霏o wa 辩程h e 鑫宦t r a 魏s f 毫r 毒f o o e s s o si 羹s i d et h e 氮a i 飘a e oa f ei i 瞻p r o v o db y e 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结果分析3 8 3 4 燃烧道结构对燃烧器性能的影响4 2 3 4 1 结构设计4 2 3 4 2 结果分析一4 3 3 5 本章小结4 9 第4 章燃烧器燃料适用性研究5 0 4 1 引言5 0 4 2 燃烧器功率为1 m w 时燃料适用性研究5 0 4 2 1 相关计算5 0 4 2 2 不同燃料对燃烧过程的影响5 1 4 3 燃烧器功率为3 m w 时燃料适用性研究5 7 4 3 1 相关计算5 7 4 3 2 不同燃料对燃烧过程的影响5 8 4 4 本章小结一6 l 第5 章加热炉整体流场模拟及优化6 2 硕士学位论文 5 1 引言6 2 5 2 加热炉整体结构的数值模拟：6 3 5 2 1 整体结构的确定6 3 5 2 2 整体结构的数值模拟及结果分析6 3 5 3 加热炉结构优化6 6 5 3 1 燃烧器布置方式对燃烧过程的影响6 6 5 3 2 加热炉内增设折流板对燃烧过程的影响：6 8 5 4 工业试验对比7l 5 5 本章小结7 4 第6 章结论与展望7 5 6 1 结论7 5 6 2 展望7 6 参考文献7 7 在读期间发表论文及参加科研项目81 致谢8 2 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 管式加热炉 1 】是石油炼制、石油化工、化肥、化纤工业中使用的重要加热设 备，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源，加热炉管中高 速流动的物料，使其在管内进行化学反应，或达到后续工艺过程所要求的温度。 同其他工业炉相比，管式加热炉中被加热的物质在管内流动，故仅限于加热气体 或液体，加热方式为直接受火式，主要烧气体或液体燃料，长周期运转，不间断 操作。 管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五 部分组成。辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分，这部分直接受到 火焰的冲刷，温度最高，必须充分考虑所用材料的强度、耐热性等。对流室是靠 由辐射室出来的烟气进行对流换热的部分，但实际上它也有一部分辐射热交换， 而且有时辐射热交换占有较大的比例。对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度 冲刷这些管子，进行有效的对流换热，对流室一般担负全炉热负荷的2 0 0 旷3 0 。 对流室吸热量的比例越大，全炉的热效率越高，为了尽量提高传热效果，多数炉 子在对流室采用了钉头管和翅片管。余热回收系统是从离开对流室的烟气中进一 步回收余热的部分，回收方法分为两类：一类是靠余热燃烧用空气来回收热量， 这些热量再次返回炉中；另一类是采用同炉子完全无关的其他流体回收热量。前 者称为空气预热方式，后者因为常常使用水回收，被称为废热锅炉方式。目前， 炉子的余热回收系统以采用空气预热方式为多，通常只有高温管式炉和纯辐射炉 才使用废热锅炉。燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分，在燃烧器使用过程 中必须特别重视火焰与炉管的间距以及燃烧器间的间隔，尽可能使炉膛受热均 匀，火焰不冲刷炉管并实现低氧燃烧。通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧 器，并将废烟引出炉子，它分为自然通风方式和强制通风方式两种。前者依靠烟 囱本身的抽力，不消耗机械功，后者要使用风机，消耗机械功。 在管式加热炉中燃烧器的性能好坏直接影响加热炉燃烧效率、燃烧稳定性、 炉内温度分布、污染物的排放等因素。燃烧器的最佳结构对于保证加热炉内燃烧 过程顺利进行起着决定性的作用。燃烧器通常包括燃料喷嘴、配风器和燃烧道三 第1 章绪论 部分。燃料喷嘴是供给燃料并伎其充分燃烧的部件；配风器的作用是使燃烧空气 与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰形状；燃烧道也叫火道，其耐火材 料蓄积的热量为火焰根部提供了热源，有助于形成稳定的燃烧，燃烧道还能约束 空气，使空气和燃料混合而不致散溢，与配风器一起使气流形成理想的流型。 在实际生产过程中，燃烧器要满足以下要求： ( 1 ) 适应不同炉型的需要，保证炉膛必须的热强度； ( 2 ) 应具有一定的形状、长度、平稳而不熄的火焰。燃油时火焰为桔黄色、 燃气时火焰为蓝色，其回火或脱火的可能性小，要保持连续稳定的燃烧； ( 3 ) 过剩空气系数小，燃烧完全，燃料与雾化介质完全、均匀地混合； ( 4 ) 对于液体燃烧器，在要求调节的范围内能使各种燃料油均匀雾化； ( 5 ) 满足工艺要求，操作弹性大，调节性能好，操作简单、可靠，工作时 无噪音； ( 6 ) 不堵塞、不漏油、不结焦； ( 7 ) 结构简单、紧凑、体积小、重量轻； ( 8 ) 操作费用小，维修、更换方便。 目前我国燃烧装置的能耗高于国外先进水平，这与我国能源短缺的现状很不 相称，污染物的排放指标高于国际标准，在污染物减排方面还没有引起足够的重 视，大量的低能耗、低污染、高性能的燃烧器还需要从国外进口。因此研究燃烧 器的结构、优化加热炉内流动和燃烧过程、获得最佳火焰形状和取热效果都具有 较高的理论价值和工程意义。 1 2 燃烧器的发展及其在管式加热炉中的应用 1 2 1 燃烧器的发展 随着科学技术的发展，人们对燃烧理论有了更深的认识，为了适应不同工艺 要求，开发出了各种结构的燃烧器，极大地促进了石油化学工业的发展。2 0 世 纪2 0 年代初期，几款单机喷嘴混合燃烧器开始了商业销售，其结构大都很简单， 本质上就是两个同心管，一个通空气另一个通燃气，这两股气流直到点火处才开 始混合，因而不会发生回火现象，但燃气与空气的速度要小心控制，以确保火焰 的稳定。在随后的研究中，为了扩大燃烧器的着火范围及混合比例的范围，人们 2 硕士学位论文 开发出了一些火焰稳定设备，如旋流叶片、圆盘或突出物来辅助混合过程。随着 着火率与空燃比问题的解决，从2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代产生了许多有高火焰 稳定性、宽泛的着火率和空燃比的燃烧器，通过控制燃气及空气的速度与方向可 以得到各种形状的火焰，如平板型、蝶型、长型、细铅笔型等。火焰的多样性满 足了不同工艺的要求，燃烧器的应用越来越广。2 0 世纪8 0 年代以后减少n o x 的排放这一新的挑战出现了，这是相当难的一个课题。许多高燃烧效率、低一氧 化碳及烃类排放的燃烧器都会提高n o x 的排放级别，在高温应用需要下，预热 燃烧是一种流行的节能方法，但是它提高了火焰的温度，而高温火焰正是形成高 n o x 排放的主要因素。从图1 1 中可以看出，大多数n o x 形成于火焰温度达到 峰值1 5 3 8 1 7 6 0 的几秒钟里。如果温度能控制在1 5 3 8 以下，或者使达 到峰值温度以上的时间最短，将会减少n o x 的排放 2 】o 火焰 温度 图l 一1n o x 生成曲线 f i g 1 1g e n e r a t i n gc u r v eo f n o x 1 2 2 燃烧器与管式加热炉之间的基本关系 ( 1 ) 火焰高度与辐射室传热量的关系 在加热炉的炉型结构、热负荷、燃料、辐射炉管规格、供风量和燃烧器几何 尺寸、热负荷一定时，辐射室传热量随火焰高度降低而增加。 1 9 8 9 年，美国的r o e d 等人 3 】在8 4 0 0k w 的圆筒加热炉上进行的传热实验结 果表明：在加热炉的炉型结构，传热面积，燃烧器负荷不变条件下，火焰高度为 3 7m 时，辐射室的传热量占燃料发热量的6 1 ，火焰高度为4 9m 时，辐射室 的传热量占燃料发热量的5 8 ，火焰高度为6 5m 时，辐射室的传热量占燃料发 热量的5 4 。在炉型结构，传热面积，燃烧器的数量和负荷等不变的条件下，火 焰高度降低1m ，管式加热炉辐射室的传热量占总供热量的百分比约增加3 。 3 第l 章绪论 强化燃料燃烧，降低火焰高度可以有效地增加管式加热炉辐射室的传热量。 ( 2 ) 燃烧火焰高度与辐射室温度径向分布的关系 燃料通过燃烧将化学能转化成高温烟气的内能，高温烟气通过辐射和对流传 热把内能传给炉管的过程称为传热。高温烟气的内能转换成动能，使高温烟气高 速喷入辐射室，产生射流作用，在喷口处一定的范围内形成一定的负压，拉动辐 射室顶部烟气向辐射室底部回流，在辐射室形成烟气回流和机械扰动的过程称作 能量转换或做功。燃料在燃烧器内部的燃尽率越高，火焰就越低，烟气具有的做 功能力越大，喷入辐射室后在辐射室引起的烟气回流速度和机械扰动强度就越 高，使高温区和低温区的烟气相互混合，从而使得辐射室烟气温度分布趋向均匀 化，降低了温度分布不均匀系数。 在炉型结构和燃烧器的安装方式一定时，管式加热炉辐射室径向温度分布随 火焰高度降低趋向均匀，通过强化燃烧，降低火焰高度，可以改善辐射室径向温 度分布1 3j 。 ( 3 ) 火焰高度与辐射室轴向温度分布的关系 火焰高度对辐射室轴向温度分布有着直接的影响，辐射室高温区占整个辐射 室的比例随着火焰高度的增加而加大，低温区和次高温区各自占整个辐射室的比 例随着火焰高度的增加而减小 4 巧】，辐射室高温区和次高温区的温度随着火焰高 度的增加而降低，低温区的温度随着火焰高度的增加而升高，辐射室轴向温度分 布不均匀系数随着火焰高度的增加而减小。总之，在燃烧器的类型和性能相同时， 燃烧器的数量决定着辐射室轴向温度分布。立管加热炉可以通过采用大负荷燃烧 器达到降低炉管受热不均匀数。卧管加热炉可以通过控制火焰高度使辐射室的温 度梯度符合传热需要。 ( 4 ) 火焰高度与全炉炉管平均表面热强度的关系 全炉炉管平均表面热强度是随火焰高度降低而增加；全炉炉管平均表面热强 度的提高，减少了全炉炉管的用量，从而降低了管式加热炉的基建投资。 ( 5 ) 过剩空气系数与辐射室传热量关系 实际进入炉膛的空气量与理论空气量之比，叫做过剩空气系数。根据热量平 衡原则，辐射室传热量为： q 尺= b q 一b ( v o 口+ 1 ) c r 尸。f p 一吼 f111 4 硕士学位论文 其中卜燃料量 q - _ 一燃料的低热值 理论空气量 卜过剩空气系数 岛烟气出辐射室时的温度 c r r 烟气在乙温度下的比热 g 广辐射室外壁散热损失 由( 1 1 ) 式可知，在管式加热炉热负荷、辐射室外壁散热损失、烟气出辐 射室时的温度和燃料一定时，辐射室的传热量随过剩空气系数加大而减少。过剩 空气系数加大，降低火焰温度，减少三原子气体浓度，降低辐射热的吸收率。 ( 6 ) 过剩空气系数与热效率的关系 加热炉热效率反平衡计算公式为： 够= 垒：望墨二鱼! 二垡三二皇：曼q 竺1 2 ：g 盘1 0 0 。 b q ( 1 2 ) 其中c d 烟气在排烟温度时的比热 氏排烟温度 g l 不完全燃烧损失 现加热炉外壁散热损失 由( 1 2 ) 式可知，过剩空气系数对加热炉的热效率有着直接的影响。在排 烟温度、不完全燃烧损失和外壁散热损失不变时，加热炉热效率随过剩空气系数 加大而降低，降低过剩空气系数可以有效地提高加热炉的热效率；过剩空气系数 每降低1 0 可使炉子热效率提高1 1 5 。但过剩空气系数太小会使燃烧恶化， 燃料燃烧不完全，结果将使炉效率降低。燃料不完全燃烧对加热炉热效率的影响 大于过剩空气系数对加热炉热效率的影响，采用先进的配风技术，强化燃料与空 气的混合，保证燃料完全燃烧是降低过剩空气系数的前提【6 7 】。 1 2 3 石油化工管式加热炉选用燃烧器的基本原则 燃烧器作为热的发生装置是加热炉的重要组成部分，选用技术性能与加热炉 工艺要求、炉型结构、传热特点相匹配的燃烧器对保证加热炉高效或“长、安、 稳、满”运行有着重要意义。石油化工管式加热炉选用燃烧器的基本原则是：单 5 第1 章绪论 台燃烧器的负荷= ( 加热炉额定热负荷热效率燃烧器台数) 1 2 5 。当炼厂气能 保证供应时，多采用气体燃烧器 引。 燃烧器的结构或火焰形状必须与炉型结构、传热特点相匹配。圆筒炉采用圆 柱型油气联合燃烧器，火焰高度为辐射炉管长度的5 0 6 0 。立管立式炉采用 矩型油气联合燃烧器，火焰高度为辐射炉管长度的5 0 6 0 。焦化炉采用矩型 油气联合燃烧器，以气体燃料为主，辐射室的温度梯度要符合工艺要求和传热需 要。乙烯裂解炉、化肥转化炉、制氢炉等对辐射炉管受热要求均匀的加热炉采用 附墙燃烧器或采用附墙燃烧器与矩型油气联合底烧燃烧器联合【9 j 。 燃烧器应满足工艺要求、操作弹性大、调节性能好、操作简单、可靠。喷嘴 的操作参数( 如燃料油的物性和压力、雾化蒸汽的压力和温度等) 都是在一定的 范围内变动，为保证喷嘴在较低的参数下操作时达到额定流量，应在额定流量的 基础上增加2 5 ，以便在个别喷嘴停运检修时，仍能保证炉子的操作负荷不致下 降 1 0 1 。 1 3 燃烧器的分类 1 3 1 按所用燃料分类 燃烧器可以分为燃料气燃烧器、燃料油燃烧器和油一气联合燃烧器三大类 【l l - 1 2 】 o ( 1 ) 燃气燃烧器分为全预混式燃烧器、外混式燃烧器、半预混式燃烧器。 全预混式燃烧器燃料气与助燃空气完全混合后才进入燃烧道燃烧，气体的燃烧包 含物理和化学两个过程，物理过程是燃料气和助燃空气的混合过程，化学过程是 指燃料的化学反应。预混燃烧的火焰呈蓝色，短而且燃烧完全。此类燃烧器的优 点是：燃烧强度高，可达3 0 6 0 m w m 3 或更高，这可以使管式加热炉结构紧凑， 燃料燃烧完全、燃烧速度快、火焰短、过剩空气系数低( 1 1 0 5 ) ，有利于减少 排烟损失；但是这种燃烧器容易回火或脱火、操作弹性小、结构复杂、燃烧产物 中n o x 含量高、燃料气的压力必须稳定，且小于等于0 1 m p a 、不宜采用空气预 热，不适合燃烧高氢燃料。外混式燃烧器燃料气直接喷入燃烧道，与空气边混合 边燃烧，其燃烧速率和燃烧完全程度完全取决于燃料和空气之间的扩散混合过 程。此类燃烧器的优点是：结构简单、操作弹性大、燃料气选择性广，可以用高 6 硕士学位论文 压气体燃料，也可以用低压气体燃料、可以采用空气预热一强制供风，也可以采 用自然供风；与全预混式燃烧器相比，其缺点是：燃烧速度慢、火焰高、过剩空 气系数大。半预混式燃烧器燃料气在喷嘴内同一部分空气预先混合，另一部分燃 烧空气靠外部供给。燃烧过程介于预混燃烧和扩散燃烧之间，火焰具有内外两个 锥形焰面，外锥焰面为扩散燃烧，火焰为黄色，内锥焰面为预混燃烧，火焰为蓝 色。此类燃烧器的最大缺点是结构复杂，其他性能介于全预混式燃烧器和外混式 燃烧器两者之间。 ( 2 ) 燃油燃烧器中燃料油的汽化温度比其着火温度要低很多，燃烧时它只 能在蒸发成油蒸气的状态下再着火燃烧 1 3 1 。因此燃料油燃烧道的原理几乎与燃 料气完全相同，所不同的只是在燃烧前要先进行汽化。油蒸汽和氧之间的扩散速 度要远远小于燃烧的化学反应速度，因此决定燃烧过程快慢的是扩散速度。所以 这种燃烧属于扩散燃烧。提高燃烧速度，强化燃烧就只能从增加蒸发和扩散速度 方面入手。 增加燃料油的总表面积，就可以增加蒸发和扩散速度，从而提高燃烧速度， 强化燃烧。在最初阶段，人们采取过许多扩大燃料油总表面积的方法，例如将油 泼在杂乱堆集的耐火砖块上燃烧；采用滴油器燃烧等。直到十八世纪末才出现了 雾化燃烧方法，即用雾化器将燃料油雾化成大小只有几十至几百微米的雾状油 滴。在空气的包围下，每个油滴表面都可以形成燃烧面。 当空气不足或混合不好，或来不及使炭黑燃烧时，会冒黑烟，妨碍设备的正 常运行，造成机械不完全燃烧损失和大气污染。燃油燃烧器强化燃烧措施主要有 两种，一种是选用合适的燃料油系统及燃料油喷嘴，保证雾化良好，并使雾化炬 分布均匀：第二种是采用合适的配风器，使空气与油滴迅速混合。提高风压从而 增加空气的动能，并用旋流和湍流的办法来促使火炬扰动，强化混合过程，这是 现代高强燃烧器强化燃烧的重要手段之一【l 4 1 。 通常燃油雾化方式分为无介质雾化和有介质雾化。无介质雾化燃烧器一不用 雾化介质，靠燃料油自身的压力把燃料油雾化成很小的液粒，故也称为压力雾化 燃烧器。该类燃烧器的优点是不用雾化介质；缺点是：雾化液粒大、燃料油的压 力高；有介质雾化燃烧器分内混式和外混式：用雾化介质( 过热蒸汽或压缩空气) 把燃料油雾化成小液粒，与无介质雾化燃烧器相比，该类燃烧器的优点是雾化液 7 第1 章绪论 粒小、燃料油的压力低。石化加热炉普遍采用该类燃烧器。 ( 3 ) 油气联合燃烧器是管式炉上用的最多的燃烧器【l5 l 。它设置有油喷嘴和 燃料气喷嘴，能单独燃烧油或单独燃烧燃料气，也可以油气混烧。当油气混烧时， 要求油气总的发热量不大于燃烧器允许的最大发热量，以免因空气供给不足而产 生不完全燃烧。油气联合燃烧器大都采用蒸汽雾化油喷嘴，适用于烧减压渣油、 常压重油、裂化残油等重质燃料油，也适用于烧蜡油等较轻的油品。燃料气喷嘴 大都采用外混式，适用于燃烧炼厂气及各炼油及石油化工装置的副产气。 1 3 2 按供风形式分类 燃烧器按供风形式可分为自然供风燃烧器和强制供风燃烧器。自然供风燃烧 器靠加热炉自身形成的负压把空气吸入燃烧器的火道。小负荷或没有采取烟气余 热回收的加热炉采用此类燃烧器。强制供风燃烧器靠鼓风机把空气强制送入燃烧 器的火道。大负荷或采取烟气余热回收的中等负荷的加热炉采用此类燃烧器【l 6 | 。 1 3 3 按技术性能分类 燃烧器按技术性能可分为普通燃烧器、节能燃烧器和高效燃烧器。普通燃烧 器能够满足生产用热需要，过剩空气系数高、雾化介质耗量大。1 9 7 0 年前开发 的燃烧器应属于普通燃烧器。节能燃烧器不但能够满足生产用热需要，而且过剩 空气系数较小、雾化介质耗量较少。1 9 7 0 年后开发的燃烧器应属于节能燃烧器。 高效燃烧器，燃料通过燃烧将化学能转化成高温烟气的内能，高温烟气的内能不 但包含有热能，而且还包含有做功能力【1 7 1 9 。石化加热炉使用的气体或液体燃料 均为优质燃料，通过燃烧将化学能转化成高温烟气的内能后具有较大的做功能 力，使用普通燃烧器或节能燃烧器，这种做功能力的利用率很低( 1 0 左右) ， 从科学意义上讲，也是能源的浪费。为了提高高温烟气具有的做功能力的利用率， 人们又开发出了热电联合和热功联合技术。由于采用热电联合和热功联合技术的 一次投资很高，只能在一些大型装置中使用，为此科学工作者把提高高温烟气具 有的做功能力的研究集中在了高效燃烧器的开发上，目的是把高温烟气具有的做 功能力转化成动能，使高温烟气以较高的速度喷入加热炉辐射室，在喷口处一定 的范围内形成一定的负压，拉动辐射室顶部烟气向辐射室底部回流，在辐射室形 成较强的烟气回流和机械扰动，达到强化辐射室对流传热和改善辐射室温度分 布，降低炉管受热不均匀系数的目的。追求的目标是：在较低过剩空气系数下， 8 硕士学位论文 使燃料完全燃烧；高温烟气做功能力的利用率达到3 0 ，辐射室的对流传热增加 5 0 ，辐射室炉管受热不均匀系数降低3 0 4 0 ；燃烧噪声和燃烧产物中的n o x 含量必须低于国家有关标准中的规定值。高效燃烧器是一种理想的燃烧器，目前 各国都正在开发研制中。我国科研单位于2 0 世纪8 0 年代着手进行高效燃烧器开 发研制工作，并开发研制出了几种高效燃烧器，但还处于开发研制阶段 2 0 1 。 1 4 课题的研究现状 1 4 1国外研究 随着人们对n o x 危害的认知进一步提高，国际社会对n o x 排放限制要求日 益严格 2 l 】，燃烧器的n o x 的减排成为主要研究方向，在n o x 生成机理方面m i l l e r 和b o w m a n 2 2 1 根据研究提出了n o 形成机理，他们认为在烃类燃烧时n o 主要通 过三种方式生成：热力型n o ；快速型n o ；通过中间产物n 2 0 形成的 n o 。这些形成机理主要与火焰的温度和燃料的类型有关。 c h e n 和d r i s c o l l 2 3 1 研究得出氢气射流火焰中，在火焰内部通入轴向的空气流 可以减少百分之六十的n o 排放，但是燃料换为甲烷时，这种方法对n o 的排放 几乎没有什么影响，相反当火焰直径较小时还会增加n o 排放。 在加热炉燃烧器中旋流器被广泛应用 2 4 之7 ，旋流器可以增进燃料和空气的混 合，从而提高了火焰稳定性，通过旋流，燃料和空气混合的更加均匀，燃烧的速 度加快，缩短了n o 的形成时间，降低n o 的排放。 c h a o 2 8 1 研究发现，应用合适的频率和大小的声激励可以同时减少丙烷喷射 火焰中的n o 和c o 的排放。c o l s o n 2 9 】研究了油气联合燃烧器中不同的喷头结构 对火焰中各组分的变化以及烟气中n o 排放的影响，增进了对装置中n o 生成机 理的了解。 m a r e ks a r l e j 3 0 1 等人研究了两段燃烧器的设计，利用c f d 软件确定出最佳的 燃料喷嘴几何布置，使n o x 排量最低。 s e o n gc h e o nk i m 和y o u n gn a mc h u n 3q 对燃油燃烧器进行了研究，通过调 整助燃空气流速、对反应物施加一定频率和振幅的外部振荡，从而增进了燃料与 空气的混合，缩短了燃料在高温燃烧区的停留时间，最终达到降低n o x 排放的 目的，研究表明，助燃空气流速在6 8 r n s ，振荡频率在1 9 0 0 h z ，振幅在3 v p p 时 9 第1 章绪论 达到最优效果。 w e i h o n gy a n g 3 2 1 等人研究了蓄热烧嘴的应用，燃料为l p g ( 1 i q u e f i e dp r o p a n e g a s ) ，先将助燃空气预热到一定温度，通过数值模拟和实验对燃烧情况进行分析。 提出了火焰喷射系数概念，用来描述和区分火焰形状，这个系数用于优化燃烧室 的直径和长度，使用蓄热烧嘴的最小燃烧室直径为o 7 m 。研究表明：低过量空 气系数使得燃烧温度峰值的降低、同时火焰体积变大、n o 排放降低。 t o r s h i z i t 3 3 3 对热电厂蒸汽锅炉用双燃料燃烧器的使用进行了研究，在该燃烧 器使用过程中经常出现燃气喷嘴被烧损的情况，对烧损的喷嘴进行失效统计评 估，分析喷嘴的失效趋势以及操作中微观组织的变化，计算单独使用油喷嘴或燃 气喷嘴时喷嘴的温度，设计出新的喷嘴结构，通过降低燃烧过程中喷嘴头部的温 度来保护喷嘴。 1 4 2 国内研究 目前我国燃烧装置的能耗高于国外先进水平，这与我国能源短缺的现状很不 相称；污染物的排放指标高于国际标准，在污染物减排方面还没有引起足够的重 视 3 4 1 。大量的低能耗、低污染、高性能的燃烧器仍需要从国外进口。针对我国 燃烧器行业出现的上述问题，研究开发出具有更高热效率、更低污染物排放的燃 烧器具有十分重要的意义【3 5 i 。 皮伟等人【3 6 】对乙烯裂解炉用油气联合燃烧器进行了改造，改造后的燃烧器 具有低过剩空气系数、低不完全燃烧损失、低污染、低噪声等优点，其中排烟中 n o x 含量低于8 0 p p m ，燃烧噪声低于8 0 d b 。燃烧器结构简单，操作方便，使用寿 命长，运行平稳、不脱火不回火、燃烧道不结焦、操作弹性大，可以单烧油，单 烧气，也可以油、气混烧。 冯良、洪鎏【3 7 】利用c f d 软件对浓淡式燃气燃烧器进行了燃烧模拟研究，形 成温度场、各组分浓度场等状态参数，提出了设计低n o x 燃气燃烧器的方法。 研究得出，浓淡式燃烧器可以消除局部火焰的高温区，很大程度上限制了n o x 的生成。 刘丰、郭宏新研究了n o x 生成机理和抑制方法，利用热态模拟试验研究， 开发出一种应用于火炬燃烧排放系统工程中的低n 0 x 燃烧器，该燃烧器通过工 业试验证明其性能良好，自动点火，风门调节灵活，易于控制。 1 0 硕士学位论文 吴德飞等人 3 9 以j o h nz i n k 公司的一种瓦斯燃烧器为几何原型，换用甲烷、 乙烷、丙烷和丁烷四种不同的气体燃料对燃烧器内的流动及燃烧过程进行了数值 模拟，预报了燃烧器内流场和温度场，考察燃料变化对炉内温度场的影响规律及 燃气射流特性参数对火焰长度的影响。对进一步优化设计燃烧器、提高加热炉热 效率有很好的指导意义。 王娟、毛羽等人 4 0 】采用分区耦合的计算方法实现了对工业焦化炉从燃烧器、 炉膛、炉管整体几何结构的仿真，并且对焦化炉内流动、燃烧和传热过程进行了 数值模拟。揭示了焦化炉内流动、燃烧和传热过程的特性。 李开胜 4 h 2 1 对合成氨装置中转化炉炉膛顶部烧嘴发生偏烧现象进行研究。针 对生产中经常出现烧嘴火焰不垂直，特别是尾部飘忽不定，发生舔烧和偏烧炉管 现象进行了分析。结果表明，烧嘴火焰发生偏烧，说明火焰刚性差，当一种气流 的温度比周围环境温度高的时候，这种气体就具有浮力，其流动路径呈曲线，由 于火焰刚性差，在浮力作用下，火焰尾部就会飘忽不定。 燃烧器在工业炉、锅炉、热动力装置、民用燃烧设备中都得到了大量的应用， 通过查阅国内外文献，人们对燃烧器的研究也较多并且取得了很多研究成果，但 具体针对石化行业加热炉燃烧器的研究较为少见，本课题以某炼油厂常压加热炉 为原型，对燃烧器燃烧过程进行了研究，分析实际生产中一些不良工况出现的原 因并提出了相应的改进措施。 1 5 本课题的主要研究内容 燃烧器作为管式加热炉的关键设备之一，其性能直接影响加热炉燃烧效率、 燃烧稳定性、炉内温度分布、污染物的排放等因素。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决定性的作用。针对实际生产中出现的问题，选 取某炼油厂在用燃烧器为研究对象，通过数值模拟更好地了解燃烧器的工作情 况，找出影响加热炉燃烧效率、燃烧稳定性、炉内温度分布、污染物排放等的关 键因素。解决生产中出现的一些问题，使燃烧器能够满足生产工艺用热要求，燃 料燃烧完全，炉膛清晰、烟囱不冒黑烟，火焰刚直，不发漂、不发散。 本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 燃烧器配风结构变化对燃烧过程的影响 第1 章绪论 配风器的作用是使助燃空气与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰 形状。本部分结合实际生产过程的相关参数，选定一个燃烧单元进行研究，应用 c f d 软件f l u e n t 对燃烧单元内燃烧过程进行数值模拟，重点研究了不同的配 风方式下燃烧过程的差异，找出了合理的配风方式，保证了燃烧器在使用过程中 具有一定形状、长度，平稳而不熄的火焰，燃料燃烧完全，燃烧室内温度分布均 匀。 ( 2 ) 燃烧器喷嘴结构变化对燃烧过程的影响 燃烧器喷嘴是供给燃料并使燃料完成燃烧前准备的部件，在保证喷嘴出口流 通截面积相等的基础上，分析了不同喷孔数量对燃烧器燃烧过程的影响。 ( 3 ) 燃烧器燃烧道结构变化对燃烧过程的影响 作为燃烧器的重要组成部分，燃烧道可以约束烟焰流动并形成理想的流型。 本课题结合实际工况，在原有燃烧器结构基础上对燃烧道出口进行了改进，提出 了四种方案，对烧道出口处设置四棱柱形缩径、四棱锥形缩径、圆柱形缩径和圆 台形缩径时燃烧过程进行了数值模拟，通过对燃烧单元内流场及