葛京鵬，靳世平

(1.南京賽樂密封材料有限公司，江蘇 南京 210007)

(2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

石油化工行業(yè)是工業(yè)耗能大戶，其中管式加熱爐是重要的耗能設(shè)備。為了達到節(jié)能的目的，目前管式爐的設(shè)計均采用在爐膛輻射段煙氣出口加裝對流段，在對流段出口再加裝空氣預(yù)熱器來降低排煙溫度[1]。對于那些熱效率不高、結(jié)構(gòu)條件不允許做過多改變的圓筒形管式加熱爐，通過將多噴口直流向上的燃燒方式改為多噴口旋流向上燃燒方式，強化了爐膛燃燒和傳熱，可以有效降低爐膛出口煙氣溫度，提高爐子熱效率[2－3]。本文以某公司實際運用的方箱爐為對象，進行了一系列冷、熱態(tài)模擬對比試驗和工業(yè)應(yīng)用研究，證明了采用旋流燃燒器可以強化傳熱。

1 流場模擬對比及冷態(tài)試驗

1.1 研究對象結(jié)構(gòu)與試驗?zāi)Ｐ?/h3>

研究對象為方箱焦化加熱爐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原理如下:方箱爐加熱物料為焦油，待加熱焦油由爐膛上部爐管進料，流經(jīng)爐膛輻射室爐管經(jīng)加熱后從方箱爐下部爐管流出。爐管排列在爐膛兩側(cè)爐墻邊。5個燃燒器一字排列在方箱爐的爐底，火焰向上燃燒，爐頂開有兩個矩形煙道孔，將煙氣二次匯聚到煙囪中向上排放。

為了分析對比，針對上述方箱爐，制作了一個縮小尺寸的爐子模型，以便對該爐子進行流場數(shù)值模擬和流動顯示對比研究。圖2是模擬模型的結(jié)構(gòu)和尺寸簡化圖。

圖1 方箱管式焦油加熱爐

圖2 模擬模型簡化示意圖

模型為方箱式結(jié)構(gòu)，上部為斜面，頂部有兩個模擬煙道的開口，并對模型劃分了若干縱截面和橫截面，且加以編號。對于爐底部燃燒器的布置，分為兩種形式，一種是底部向上5個噴嘴成單排布置，另一種是底部傾斜向上噴嘴成雙排布置，其傾斜的方向，從頂部看可以形成兩個反向旋，如圖3所示，噴口處箭頭表示射流傾斜的方向。

圖3 爐底板燃燒器噴口布置方式

1.2 流場模擬對比

首先采用fluent計算軟件進行爐內(nèi)冷態(tài)流動的數(shù)值模擬對比，其入口條件為:兩種燃燒器的排列方式下，總質(zhì)量流量和出口流速一樣，總質(zhì)量流量˙m=0.0648kg/s;出口速度v=7.2m/s。邊界條件為:壁面為無滑移邊界條件，出口為充分發(fā)展條件。

流動方程統(tǒng)一形式為:

湍流模型采用RNG k-ε模型。

圖4 直流噴口不同截面v等速云圖

圖4為直流噴口方式時爐內(nèi)不同高度截面的v(向上)流速等值云圖，圖中可以看出截面流速分布的不均勻性在爐內(nèi)相當高度時仍然明顯，例如第5層噴口中心處最高流速仍達到6m/s。圖5為旋流噴口方式時爐內(nèi)不同高度截面的v(向上)流速等值線圖，可以看出截面流速分布的不均勻性被旋流大大削弱，最高層的最高流速已經(jīng)降低到不足2m/s。

圖5 旋流噴口不同截面v等速線圖

圖6和圖7為兩種噴射垂直截面流動矢量圖比較。從圖中可以看出，單排直流噴射時流動成束腰狀，而雙排旋流噴射時下部流動明顯成擴張型，這對強化爐內(nèi)燃燒和傳熱是相當有利的。

圖6 直流噴射垂直截面流動矢量圖

1.3 冷態(tài)試驗

對模型爐進行了冷態(tài)流動顯示，如圖8所示，粘貼在噴口邊緣的飄絮飄動的方向表明不同傾斜噴口噴出的氣流確能相互影響，形成旋轉(zhuǎn)的流場，這一點和數(shù)值模擬的結(jié)果是一致的。

圖7 旋流噴射垂直截面流動矢量圖

圖8 旋流噴射飄絮顯示照片

2 熱態(tài)試驗

設(shè)計制作了熱態(tài)模擬試驗爐，試驗爐依照原形按比例縮小，爐膛截面為1.95m×1.05m(長 ×寬)。爐管均勻分布于爐膛的兩個側(cè)面，每一側(cè)布有26根橫列爐管，S型連接，單管程。被加熱介質(zhì)采用壓縮空氣，其在爐內(nèi)的流程為上進下出。爐膛內(nèi)壁和爐底板用硅酸鋁纖維材料保溫。燃料采用石油液化氣，由燃燒器噴口向爐內(nèi)噴射燃燒，助燃空氣由煙囪抽力形成爐膛負壓吸入噴口后與燃料混合擴散燃燒。

本次研究進行了2種燃燒方式的試驗對比，見表1，即按照原型爐的燃燒方式:單排5個噴口直流向上燃燒、雙排8個噴口傾斜向上(傾斜角45°)形成雙渦旋流燃燒，在兩個旋流中心各加一個高度為0.5m的導(dǎo)流筒，噴口傾斜射流方向如圖3(b)所示。

表1 兩種試驗方案的燃燒器形式和布置

試驗時，按照原型加熱爐的斷面熱負荷選擇煤氣流量、助燃空氣流量和被加熱工質(zhì)(壓縮空氣)流量等參數(shù)，并保持各次試驗時參數(shù)相同，此時設(shè)計的單個燃燒器噴口煤氣和空氣流速也相同，其具體參數(shù)見表2。

表2 燃燒器技術(shù)參數(shù)

試驗中對爐管管壁溫度、管內(nèi)空氣進出口溫差和爐膛煙氣出口溫度進行了測量[4]，試驗條件下數(shù)據(jù)顯示，采取上述措施后，爐管管壁平均溫度要提高20℃。2種工況被加熱空氣進出口溫差和爐膛出口煙氣溫度對比見表3，從表中可以看出直流燃燒改為旋流后，與管壁溫度提高相對應(yīng)的是被加熱空氣進出口溫差的提高和排煙溫度的降低。

表3 熱態(tài)試驗工況對比

試驗結(jié)果表明，矩形截面爐膛采用兩組每組4個燃燒器噴口傾斜向上的有序布置，其氣流可以形成兩個反向旋轉(zhuǎn)的渦旋，此種方式強化了燃燒和傳熱，如果在每個渦旋中再布置一個圓形導(dǎo)流筒，可起到穩(wěn)定氣流和增強輻射的作用，這些措施會使爐膛下部的爐管管壁溫度大幅度升高，工質(zhì)在爐膛內(nèi)的吸熱量增加，從而提高了加熱爐爐膛的熱效率。預(yù)計在實際加熱爐中，火焰溫度會進一步提高，導(dǎo)流筒采用耐火澆注料制作，輻射換熱的增強作用會更加明顯，這樣節(jié)能效果更加可觀。

3 工業(yè)應(yīng)用

采用上述理論與實驗研究成果，對某化工公司的方箱式焦油加熱爐(設(shè)備編號:F2601)進行了直改旋燃燒節(jié)能改造。具體改造涉及如下幾處:

a.爐體燃燒器數(shù)量和布置方式的改變，由中間一排5個改為兩邊兩排共8個(一排4個)，并通過預(yù)制彎頭形成雙旋流。

b.在兩組旋流噴頭中間各加1個導(dǎo)流輻射筒，起加強旋流和輻射的作用，該導(dǎo)流輻射筒用高鋁重質(zhì)澆注料現(xiàn)場施工時澆注。

c.儀表增加氧分析儀。

改造1年多后根據(jù)改造前后的生產(chǎn)運行記錄參數(shù)進行等值換算，得到結(jié)果見表4。

表4 F2601節(jié)能分析表

表4中反映了經(jīng)過改造后爐子能耗有明顯的下降。值得注意的是，由于改造后所供煤氣熱值下降，導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒溫度降低，直接影響輻射段傳熱效果，不然能耗下降率會更大一些。

4 結(jié)論

對箱形管式爐底部向上直流燃燒方式，可通過安裝不同傾斜角度噴口改進為多噴口整體雙旋流燃燒方法。旋流加強了爐子下部流動的均勻性，強化了爐膛燃燒和傳熱，用于管式爐節(jié)能改造，可在同等熱負荷條件下使爐膛出口煙氣溫度下降，爐子熱效率可提高4%以上，節(jié)能效果顯著。

[1] 錢家麟.管式加熱爐[M].北京:中國石化出版社，2003:541－543.

[2] 靳世平，錢壬章，顧鎮(zhèn)均，等.圓筒形苯加氫改質(zhì)爐爐尾超溫治理研究[J].節(jié)能，1999(6):27－29.

[3] 靳世平，蘇紅星，陳維漢，等.管式加熱爐旋流場燃燒節(jié)能技術(shù)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，33(5):76－78.

[4] 靳世平，胡憲法，戴鳴，等，方方箱爐爐內(nèi)強化傳熱的熱態(tài)試驗[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，34(10):83－85.