周仲偉，郭 韻

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

天然氣在使用過(guò)程中常常需要加熱，如在天然氣的開采和運(yùn)輸過(guò)程中需要借助加熱爐將天然氣加熱至適宜溫度，防止由于天然氣溫度過(guò)低而導(dǎo)致其中含有的水合物析出凝結(jié)成固體,進(jìn)而堵住管道設(shè)備引起事故。此外，在液化天然氣(LNG)輸配應(yīng)用系統(tǒng)中，要使LNG氣化，也必然需要對(duì)其加熱[1,2]。然而，天然氣加熱爐卻存在很多性能缺陷，比如結(jié)構(gòu)龐大、污染物排放濃度高和傳熱效率低等，因此對(duì)天然氣加熱爐進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究顯得尤為重要。很多學(xué)者對(duì)如何提高加熱爐的傳熱效率和降低燃燒污染物排放等方面開展了大量工作。

尹洪超等[3]針對(duì)某烯烴廠芳烴加熱爐在不同空氣預(yù)熱溫度情況下的燃燒狀況和 NOx排放規(guī)律做了研究，并由此得出了針對(duì)該加熱爐的空氣預(yù)熱最佳溫度。張永學(xué)等[4]用計(jì)算燃燒學(xué)的方法對(duì)某石化公司F101立式圓筒加熱爐內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，實(shí)際工況溫度計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合良好，表明了當(dāng)空氣預(yù)熱溫度達(dá)到最佳值時(shí)，加熱爐熱效率最高。張琳等[5]以某石化公司的 F1001常壓爐為研究對(duì)象，采用非預(yù)混湍流擴(kuò)散燃燒PDF模型對(duì)不同空氣預(yù)熱溫度下爐內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果為某企業(yè)常壓爐的運(yùn)行監(jiān)控提供了參考依據(jù)。Nishimura M等[6]采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，用煙氣余熱對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱，最大程度的回收了高溫?zé)煔庵械娘@熱，使排煙溫度下降到 150℃左右。巨大的余熱回收潛力使得工業(yè)爐平均節(jié)能30%以上，某些高效節(jié)能爐甚至達(dá)到55%。

目前，針對(duì)采用天然氣加熱爐實(shí)物模型作為研究對(duì)象，并同時(shí)考慮燃燒參數(shù)對(duì)燃燒性能及介質(zhì)傳熱影響的研究較少。本文以一臺(tái)設(shè)計(jì)負(fù)荷為130kW的圓筒式天然氣加熱爐為研究對(duì)象[7]，針對(duì)不同的空氣氧化劑預(yù)熱溫度，通過(guò)ANSYS FLUENT軟件對(duì)火筒內(nèi)的燃燒過(guò)程及整個(gè)加熱爐的傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布規(guī)律，為天然氣加熱爐的實(shí)際運(yùn)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 圓筒式天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)

圓筒式天然氣加熱爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)如圖 1(a)所示。被加熱介質(zhì)（天然氣）在殼體內(nèi)的對(duì)流管束中，由充滿爐內(nèi)空間的中間載熱介質(zhì)（如水，乙二醇或?qū)嵊蚚8-10]）加熱對(duì)流管束中的氣體，而中間載熱介質(zhì)由火筒直接加熱。火筒是火管和煙道管束的總稱。在火筒中，具有燃燒室功能，而且主要傳遞輻射熱的加熱部件稱為火管；與火管相連通，且主要傳遞對(duì)流換熱的加熱部件稱為煙道管束。

圖1 (a)氣體加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 (a) structural diagram of gas heating furnace

燃燒器采用套筒式進(jìn)料方式，如圖 1(b)所示。內(nèi)圈為燃料氣進(jìn)口，外圈為空氣進(jìn)口，燃料氣和空氣均沿豎直方向進(jìn)入火筒[11-13]。該燃燒器的燃料氣和空氣在噴嘴外一邊混合一邊燃燒，其燃燒性能主要取決于進(jìn)口燃料氣和空氣的溫度、角度和速度等。

2 模型建立

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

本文對(duì)天然氣加熱爐進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，使用SolidWorks軟件建立了物理模型。圖2（a）為天然氣加熱爐的三維物理模型圖。圖2（b）為Y=-0.255 m處加熱爐截面圖。各部件的尺寸和規(guī)格列于表 1。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了獲得對(duì)流管束出口處的排煙溫度，采用了JNT公司的infra-view紅外線爐膛溫度計(jì)對(duì)排煙溫度進(jìn)行了測(cè)量。該溫度計(jì)采用非接觸測(cè)量，測(cè)量溫度范圍是120℃～1650℃，測(cè)量精度可達(dá)1%，可以對(duì)加熱爐運(yùn)行過(guò)程中的排煙溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[14,15]。

圖2 (a)天然氣加熱爐三維物理模型Fig.2 (a) 3D physical model of natural gas heating furnace

表1 燃?xì)饧訜釥t規(guī)格Tab.1 specification of gas heating furnace

選擇ICEM軟件對(duì)物理模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對(duì)燃燒器和各進(jìn)出口面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確定最佳網(wǎng)格數(shù)為11609508。

2.2 求解模型選擇

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn) k-ε雙方程模型，輻射模型分別采用DO模型和P-1模型，燃燒模型選擇非預(yù)混擴(kuò)散燃燒模型，NOx模型選擇熱力型NOx模型。其中，在非預(yù)混燃燒模型中計(jì)算分子間化學(xué)燃燒反應(yīng)速率常用公式為阿倫尼烏斯公式(Arrhenius Equation)[16-18]。例如，燃料與氧氣的反應(yīng)速率為：

式中，0A為前置因子，E稱為實(shí)驗(yàn)活化能，一般可視為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，其單位為kJ/mol；R，摩爾氣體常數(shù)，單位J/mol K?；E/R為活化溫度；T為反應(yīng)溫度。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型由一個(gè)精確方程（k方程）和一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出來(lái)的方程（ε方程）組成，它們分別為：

湍流動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)能耗散率ε方程：

2.3 邊界條件

天然氣加熱爐內(nèi)流動(dòng)的氣體可看作不可壓縮流體，且假設(shè)火筒內(nèi)燃燒過(guò)程為穩(wěn)態(tài)燃燒。火筒內(nèi)的燃料為天然氣，其組成成分及低位發(fā)熱量如表2所示。由于天然氣加熱爐的設(shè)計(jì)負(fù)荷為130 kW，燃料的低位發(fā)熱量為50660.7 kJ/kg。因此，燃燒器燃料質(zhì)量流量為0.0026 kg/s。理論空氣量與燃料流量之比為14.56，得到理論空氣量為0.038 kg/s。過(guò)剩空氣系數(shù)設(shè)為1.2，得到實(shí)際空氣量為0.046 kg/s。燃料入口和空氣入口均采用速度入口邊界條件，則進(jìn)一步可算得燃料入口速度為 32.9 m/s，空氣入口速度為9.3 m/s。且設(shè)定燃料入口壓力為0.12 MPa，空氣入口壓力為8 kPa。煙氣出口設(shè)為壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)為-20 Pa。

表2 燃料氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和低熱值Tab.2 Fuel gas mass fraction and low calorific value

對(duì)流管束內(nèi)流動(dòng)的為被加熱介質(zhì)，其中設(shè)定對(duì)流管束入口為速度入口邊界條件，入口速度為1.67 m/s，入口壓力為5.5 MPa，溫度為280 K[19]。對(duì)流管束出口設(shè)為壓力出口邊界條件。為了能夠在模擬燃燒的同時(shí)得出中間載熱介質(zhì)和對(duì)流管束的溫度場(chǎng)，將火筒和對(duì)流管束壁均設(shè)為耦合壁面，燃燒器壁面和圓筒壁設(shè)均為絕熱壁面。壓力-速度方程的耦合方法選擇Coupled算法。

根據(jù)上述的物理數(shù)學(xué)模型及邊界條件等的設(shè)置，通過(guò)ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行模擬。將煙道管束出口處的煙氣數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值作比較，其相對(duì)誤差的絕對(duì)值均小于10%，驗(yàn)證了模型及條件設(shè)置的合理性。比較結(jié)果如表3所示。

表3 模擬數(shù)據(jù)和測(cè)量值的比較Tab.3 Comparison of simulated data and measured value

3 計(jì)算條件及結(jié)果分析

3.1 計(jì)算條件

在加熱爐幾何結(jié)構(gòu)不變的前提下，提高燃料氣、空氣的預(yù)熱溫度，可以顯著增加理論燃燒溫度，從而提高加熱爐的整體傳熱效率。在燃料氣溫度為300 K，空燃?xì)馍淞鲄?shù)均不變的條件下，選取空氣預(yù)熱溫度分別為300 K、400 K、500 K和600 K研究加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布。

3.2 結(jié)果分析

（1）溫度場(chǎng)分析

圖 3和圖 4中(a)、(b)、(c)、(d)四個(gè)圖分別對(duì)應(yīng)的是在DO和P-1輻射模型下，空氣預(yù)熱溫度分別為300 K、400 K、500 K和600 K時(shí)，在Y=-0.255 m截面處的溫度分布云圖。從圖中可以看出，不管是采用DO還是P-1輻射模型，各空氣預(yù)熱溫度下所對(duì)應(yīng)的溫度云圖趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明采用這兩種輻射模型可以起到相互驗(yàn)證模擬結(jié)果的作用。當(dāng)空氣的預(yù)熱溫度為300 K時(shí)，燃料燃燒都發(fā)生在火管的中部，燃燒區(qū)離燃燒器的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，燃料的著火過(guò)程出現(xiàn)明顯的滯后，且燃燒區(qū)域狹小。隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，燃料的著火過(guò)程逐漸提前，高溫燃燒區(qū)出現(xiàn)在火管的前端，且燃燒體積逐漸變大。這是因?yàn)楦邷乜諝饧涌炝巳剂虾脱趸瘎┑姆磻?yīng)速率，并使得達(dá)到燃燒條件的燃?xì)饬吭龆?。在空氣預(yù)熱溫度達(dá)到400 K時(shí)，火筒內(nèi)出現(xiàn)明顯的彌散狀火焰，燃燒區(qū)域基本充滿整個(gè)火管，火管和煙道管束內(nèi)的溫度分布也趨于均勻，這有利于燃料的充分燃燒。而當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從400 K升高到600 K時(shí)，雖然著火過(guò)程不斷提前，但是燃燒區(qū)域卻逐漸減小。這主要是因?yàn)殡S著空氣預(yù)熱溫度的升高，空氣和燃料氣的溫差也不斷的增大，這導(dǎo)致燃燒反應(yīng)越來(lái)越不穩(wěn)定，過(guò)高的空氣預(yù)熱溫度使得燃料在燃燒器出口附近便已迅速完成燃燒，致使火筒內(nèi)出現(xiàn)局部過(guò)熱，火筒整體溫度分布不均，并且火筒壁局部過(guò)熱區(qū)容易發(fā)生燒穿現(xiàn)象。

圖5顯示的是在不同空氣預(yù)熱溫度下燃料燃燒的放熱量和對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體的吸熱量。從圖中可以看出，隨著空氣預(yù)熱溫度的提高，DO和P-1輻射模型下放熱量和吸熱量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從300 K升至400 K時(shí)，DO模型下燃料燃燒放熱量從117.8 kW上升至128.3 kW，對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量從 98.9 kW 上升至112.6 kW；P-1模型下燃料燃燒放熱量從115.2 kW上升至124.7 kW，對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量從88.5 kW上升至107.9 kW。燃料燃燒放熱量越高，即表明燃料燃燒充分，而對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量越多，即表明加熱爐內(nèi)中間載熱介質(zhì)的傳熱效率越高。這說(shuō)明隨著空氣預(yù)熱溫度從300 K上升至400 K，燃料的燃燒更加充分，中間載熱介質(zhì)的傳熱效率也越來(lái)越高。而當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從400 K上升至600 K時(shí)，燃燒放熱量和被加熱氣體吸熱量都在不斷減小，說(shuō)明當(dāng)空氣預(yù)熱溫度大于400 K時(shí)，繼續(xù)升高預(yù)熱溫度并不能促進(jìn)燃料的充分燃燒和中間載熱介質(zhì)的傳熱，反而降低了燃燒放熱量和對(duì)流管束中被加熱氣體的吸熱量。結(jié)合圖3和圖4的溫度云圖可知，過(guò)高的空氣預(yù)熱溫度，導(dǎo)致燃料過(guò)早燃燒，且燃燒不充分，火筒內(nèi)出現(xiàn)局部過(guò)熱，火筒整體溫度分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致中間載熱介質(zhì)受熱不均，爐內(nèi)介質(zhì)流場(chǎng)混亂，傳熱效率降低。

圖3 采用DO模型時(shí)在Y=-0.255 m截面處不同空氣預(yù)熱溫度下的溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of different preheating temperature of air at y = -0.255 m section with DO model

圖4 采用P-1模型時(shí)在Y=-0.255 m截面處不同空氣預(yù)熱溫度下的溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of different preheating temperature of air at y = -0.255 m section with P-1 model

圖5 不同空氣預(yù)熱溫度下燃料燃燒放熱量與對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量Fig.5 Heat release from fuel combustion and heat absorption of heated gas in convection tube bundle under different air preheating temperature

圖6 所示的是當(dāng)燃料溫度為300 K，空氣預(yù)熱溫度分別為300 K、400 K、500 K和600 K時(shí)，煙道管束出口處排煙溫度的模擬平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值的結(jié)果比較。其中的溫度平均值是指24根煙管出口處排煙溫度的平均值。從圖6可以看出，煙道管束的排煙溫度在DO模型和P-1模型下的模擬平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值吻合較好，說(shuō)明模擬結(jié)果具有合理性。由于忽略了燃燒器壁和圓筒壁的散熱，所以煙道管束排煙溫度的模擬值一般比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值高1-10 K。

圖6 排煙溫度模擬平均值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值比較Fig.6 Comparison between simulated average value and experimental average value of exhaust gas temperature

（2）濃度場(chǎng)分析

圖7所示的是在不同空氣預(yù)熱溫度下煙道管束出口排放的NOx濃度值。從圖中可以看出在空氣的預(yù)熱溫度從300 K上升至600 K的過(guò)程中，NOx的排放量不斷增加。這主要是因?yàn)殡S著空氣預(yù)熱溫度的升高，火筒內(nèi)的高溫區(qū)大大促進(jìn)了熱力型NOx的生成。在DO模型下，助燃空氣預(yù)熱溫度從300 K上升至400 K時(shí)，NOx的生成速率還不大，空氣預(yù)熱溫度達(dá)到400 K時(shí)煙道管束出口處的NOx濃度約為118 mg/m3，仍低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)150 mg/m3。但當(dāng)空氣預(yù)熱溫度大于400 K時(shí)，NOx的生成速率迅速上升，空氣預(yù)熱溫度達(dá)到500 K時(shí)NOx的排放濃度已達(dá) 175 mg/m3，超出煙氣中氮氧化物排放濃度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同樣的，在 P-1模型下，空氣預(yù)熱溫度在400 K時(shí)NOx的排放濃度僅為127 mg/m3，但600 K時(shí)NOx的排放濃度便達(dá)到了190 mg/m3。結(jié)合溫度云圖及燃料燃燒放熱量和被加熱氣體吸熱量的數(shù)據(jù)圖可知，適當(dāng)?shù)厣呖諝忸A(yù)熱溫度，能夠在不過(guò)多的生成 NOx的同時(shí)提升燃料燃燒的充分性和穩(wěn)定性，進(jìn)而增加燃燒放熱量和被加熱氣體的吸熱量，但是過(guò)高的空氣預(yù)熱溫度則會(huì)使NOx的排放量迅速增加，對(duì)環(huán)境保護(hù)不利。從以上分析可知，空氣預(yù)熱的最佳溫度為400K，在此溫度下燃料燃燒最充分，燃燒放熱量和對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量最高，且煙管束出口排放的NOx濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此在天然氣加熱爐的實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該在滿足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下選取促進(jìn)燃料燃燒和介質(zhì)傳熱的最佳空氣預(yù)熱溫度，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

圖7 不同空氣預(yù)熱溫度下煙道管束出口處NOx的濃度Fig.7 NOx concentration at the outlet of flue tube bundle under different air preheating temperature

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬不同空氣預(yù)熱溫度下天然氣加熱爐的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，分析得出以下結(jié)論。

（1）提高助燃空氣的預(yù)熱溫度，燃料的著火過(guò)程提前，火焰高溫區(qū)域面積增大，整個(gè)火筒的溫度分布趨于均勻。但是過(guò)高的空氣預(yù)熱溫度會(huì)使得燃料過(guò)早燃燒完全，并在燃燒器出口處出現(xiàn)局部過(guò)熱區(qū)，易發(fā)生火筒壁燒穿現(xiàn)象。

（2）無(wú)論是采用DO輻射模型還是P-1輻射模型，隨著空氣預(yù)熱溫度的提高，燃料燃燒放熱量和對(duì)流管束內(nèi)被加熱氣體吸熱量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且最高值均出現(xiàn)在預(yù)熱溫度為 400K時(shí)，即在此溫度下，燃料燃燒最充分，中間載熱介質(zhì)的傳熱效率最高。在煙道管束出口處排煙溫度的模擬平均值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值吻合較好，說(shuō)明模擬結(jié)果具有合理性。

（3）NOx的排放濃度隨著空氣預(yù)熱溫度的升高而不斷升高，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度為 400K時(shí)，DO和P-1輻射模型下的 NOx排放濃度分別為 118mg/m3和127 mg/m3，均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)150 mg/m3。

（4）綜合以上分析可知，130kW天然氣加熱爐的最佳空氣預(yù)熱溫度為400K，在工程實(shí)際中，可以將天然氣加熱的助燃空氣預(yù)熱至 400K左右，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。