（化学工程与技术专业论文）基于fluent的加热炉模拟与优化.pdf

岁 l l 中图分类号：t q 0 5 4 + 4 单位代码： 学号： 寸闺石油六j 爹 硕学位论文 1 0 4 2 5 s 0 7 0 3 0 3 8 6 c h i n eu n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm as t e rd e g r e et h e s i s 基于f l u e n t 的加热炉模拟与优化 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no f t h ef u r n a c e w i t hf l u e n ts o f t w a r e 学科专业：化学工程与技术 研究方向：石油与天然气加工 作者姓名：郑志伟 指导教师：杨朝合教授 赵辉副教授 二。一。年五月 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ef u r n a c e w i t hf l u e n ts o f t w a r e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h e n gz h i w e i s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gc h a o h e c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：娄i 杰荸一 日期：夕咿年歹月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：j 吵年否月日 e t 辫j r z , , l o 年月2 日 摘要 加热炉是石油化工行业的主要加热设备，同时也是高能耗设备，加热炉的节能降耗 是节能工作的重点环节。通过研究炉内传热过程来提高能源利用率，已成为技术创新的 工作重点。本课题以某石化公司5 0 0 万吨年的常压加热炉为模拟对象，根据计算流体力 学的基本原理，建立了管式加热炉炉管内外耦合传热的数学模型。根据所建立的耦合传 热模型，对常压加热炉内的稳态传热过程进行模拟。通过与现场标定数据进行对比分析， 验证了加热炉模型的准确性。同时，针对炉管周向热强度分布不均匀的问题，提出了强 化传热的优化方案，通过优化前后的模拟结果分析，验证了优化方案的可行性。 采用分区耦合的方法研究了常压加热炉辐射段内的流动、燃烧和管内外传热的工艺 过程。计算中，实现了燃烧器、炉膛、炉管整体几何结构的建模和网格划分，选用标准 k - 湍流模型、非预混燃烧模型和离散坐标辐射传热模型，将炉管黑度定为0 8 ，模拟得 到了炉内的流场、温度场及炉管表面温度和热强度分布的详细信息。炉膛温度及炉管表 面热强度模拟结果与常压炉测定数据和设计数据非常吻合。结果表明，底部燃烧器的高 速射流在炉膛下部产生较大回流区，对炉膛内烟气温度分布的均匀性至关重要；另外， 炉管管壁温度和热强度分布存在明显的非均匀性，影响炉管使用寿命。以炉管表面热强 度分布为边界条件，采用m a t l a b 编程，进行了管内一维流动计算，得到炉管出口的 温度、压力和气化率数值，通过与常压炉测定数据比较，证明了所建加热炉耦合传热模 型的可行性和准确性。 通过单根炉管的模拟结果可知，在单面辐射炉中，炉管周向和轴向的温度和热强度 分布存在明显的不均匀性，向火侧的热强度明显高于背火侧。在炉管背火侧的一定范围 内增加适量的钉头或翅片，可以提高背火侧的受辐射面积。改造后，翅片管背火侧的辐 射热强度比光管提高了1 4 左右，平均辐射热强度比光管提高了7 左右，同时，翅片 管向火侧的辐射热强度仅为背火侧的1 1 8 倍，周向热强度分布趋向均匀。该方案有效提 高了炉管背火侧的热强度和炉管平均热强度，改善了炉管周向热强度分布，提高了炉膛 热强度和加热炉热效率，延长了加热炉安全运行周期，对实现节能减排具有重要意义。 关键词：加热炉，分区耦合，数值模拟，节能，优化 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ef u r n a c e w i t hf l u e n ts o f t w a r e z h e n gz h i w e i ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gc h a o h e a b s t r a c t a sam a i nh e a t i n ge q u i p m e n ti np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , f u r n a c ec o n s u m e sal o to fe n e r g y t h ee n e r g y - s a v i n go ff u r n a c ei st h ef o c u so fe n e r g yc o n s e r v a t i o nl i n k s t h es t u d yo fh e a t t r a n s f e rp r o c e s si nt h ef u r n a c et oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c yh a sb e c o m et h ef o c u so f t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n w i 廿1t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n do p e r a t i n g c o n d i t i o n so ft h e a t m o s p h e r i ch e a t e r , t h i ss u b j e c t e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft u b ef u r n a c eb yt h ew h o l e - c o u p l i n gm e t h o d a c c o r d i n g t ot h ee s t a b l i s h e dw h o l e c o u p l i n gh e a tt r a n s f e rm o d e l ，t h es t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si n t h ef u r n a c ew a ss i m u l a t e d c o m p a r e d 、加mt h ef i e l dc a l i b r a t i o nd a t a , t h i sp a p e rg o tt h e o p t i m a ls i m u l a t i o nm o d e la n dp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，ap l a no fe n h a n c i n gh e a tt r a n s f e r w a s p r o p o s e d b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n , t h ef e a s i b i l i t y o ft h ep l a nw a sv a l i d a t e d t h ep r o c e s s e so ff l u i df l o w , c o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ef l u eg a sa n dt u b e w i t h o u ta n ys i m p l i f i c a t i o ni nt h ef i r e b o xo fa t m o s p h e r i ch e a t e rw e r es t u d i e d 埘t l lt h ew h o l e c o u p l i n gm e t h o d t h eg e o m e t r i c a lm o d e la n dt h ed i v i d i n g o fg r i do ft h ec o m b u s t o r , c o m b u s t i o nc h a m b e ra n df u r n a c et u b ew e r eg e n e r a t e d t h es t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d e l ，t h e n o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e la n dt h ed i s c r e t eo r d i n a t et r a n s f e rr a d i a t i o nm o d e lw e r eu s e d t os i m u l a t et h ef u r n a c e t h ei n t e r n a le m i s s i v i t yo ft h ef u r n a c et u b ew a sd e f i n e da s0 8i nt h e m o d e l d e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h ef l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h et e m p e r a t u r ea n dh e a t f l u xd i s t r i b u t i o ni nt u b es k i nw a so b t a i n e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i 曲v e l o c i t yo fb o t t o m c o m b u s t o r s j e tf l o wr e s u l t e di nl a r g er e c i r c u l a t i o nz o n e o ff l u eg a s ，w h i c hp l a y e da n i m p o r t a n tr o l ei nt h eu n i f o r m i t yo ff l u eg a st e m p e r a t u r ei nt h eb o t t o mo ft h ef u r n a c e i n a d d i t i o n ，n o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u xe x i s t e di nt h ef u r n a c et u b e s k i n , w h i c ha f f e c t e dt h es e r v i c el i f eo ff u r n a c et u b e d e f i n i n gt h et u b es k i n sh e a ti n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n 雒t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n , t h i sp a p e rc a r r i e do u tao n e - d i m e n s i o n a lf l o w c a l c u l a t i o ni nt h ep i p eu s i n gm a t l a bp r o g r a m m i n g t h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d g a s i f i c a t i o nr a t ev a l u e si nt h eo u t l e tw e r ec a l c u l a t e db yt h ep r o g r a m ，a n dw g l ec o n s i s t e n t 谢l t h ef i e l dc a l i b r a t i o nr e s u l t 。 b a s e do nt h er e s u l t so fs i n g l et u b e ss i m u l a t i o n ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ef u r n a c et u b e s c i r c u m f e r e n t i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dh e a ti n t e n s i t yw e r en o tu n i f o r m l y d i s t r i b u t e di nt h es i n g l e s i d e dr a d i a t i o nh e a t i n gf u r n a c e f r o n ts i d e sh e a ti n t e n s i t yw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eb a c ks i d e s ac e r t a i na m o u n to fn a i lh e a do rf i nw i t h i na n a c c e p t a b l er a n g eo ft u b e sb a c ks i d ec a ni m p r o v et h ea r e ao fa c c e s st or a d i a t i o n a f t e r t r a n s f o r m a t i o n ，t h ef m n e dt u b e sa v e r a g er a d i a n ti n t e n s i t yi n c r e a s e d7 ，a n dt h eb a c ks i d e s r a d i a n ti n t e n s i t yi m p r o v e d14 m e a n w h i l e ，t h er a d i a n th e a ti n t e n s i t yo ft h ef r o n ts i d ew a s o n l y1 18t i m e so fb a c ks i d e s ，t h ed i s t r i b u t i o no fc i r c u m f e r e n t i a lh e a ti n t e n s i t yt e n d e dt o u n i f o r m a sar e s u l t ，t h eb a c ks i d e sh e a ti n t e n s i t y , t h ea v e r a g eh e a ti n t e n s i t ya n dt h eh e a t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ni nt u b ec i r c u m f e r e n c ew e r ei m p r o v e db yt h i si n n o v a t i o n , a l s oi tc a n i m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c yo ff u r n a c e ，e x t e n dt h e s a f eo p e r a t i o n p e r i o da n da c h i e v e e n e r g y s a v i n g k e y w o r d s ：f u r n a c e ，w h o l e - c o u p l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e n e r g y - s a v i n g ，o p t i m i z a t i o n 目录 第一章前言1 1 1 加热炉节能的必要性1 1 2 加热炉的节能措施。2 1 2 1 改进燃烧装置一2 1 - 2 2 改善炉型结构2 1 3 加热炉模拟的研究现状4 1 3 1f l u e n t 软件简介5 1 3 2f l u e n t 软件在燃气加热炉中的研究进展6 1 3 3f l u e n t 软件在燃油加热炉中的应用9 1 3 4 加热炉模拟中存在的问题9 1 4 本文研究的主要内容l0 第二章加热炉模拟的基本理论1 2 2 1 辐射室模拟的基本理论12 2 1 1 湍流模型1 2 2 1 2 燃烧模型1 7 2 1 3 辐射模型2 0 2 2 管内一维流动的基本理论2 4 2 2 1 计算方法及整体框架2 4 2 2 2 计算模型选择2 6 第三章常压加热炉三维模型考察3 3 3 1 加热炉数学模型的建立3 3 3 1 1 加热炉的几何模型3 3 3 1 2 加热炉网格划分3 3 3 1 3 基本假设条件一3 4 3 1 4 炉内热过程的数学模型3 5 3 1 5 边界条件3 5 3 1 6 计算结果处理3 5 3 2 加热炉燃烧器结构考察3 6 3 2 1 燃烧器简化结构介绍3 7 3 2 2 不同燃烧器简化结构燃烧效果分析3 9 3 3 网格无关性考察。4 4 3 3 1 网格划分方案的确定4 5 3 3 2 不同网格划分方案结果分析4 6 3 4 湍流模型考察4 9 3 5 辐射模型考察5 2 3 6 ，j 、结5 5 第四章常压加热炉耦合传热模拟5 6 4 1 加热炉耦合传热的数值模拟方法5 6 4 2 单根光管与翅片管模拟结果对比5 7 4 2 1 单根光管模拟结果分析。5 8 4 2 2 单根翅片管模拟结果分析6 0 4 3 炉管内外耦合传热计算。6 3 4 3 1 全炉模拟辐射模型考察：一6 4 4 3 2 全炉模拟炉管黑度考察6 7 符号说明 线性各相异性相位函数系数 s行程长度 比热，j ( k g k ) ：方向向量 炉管外径，m 。 ， 计算段长度，m j散射方向 炉管内径，m t温度，k i 截面的气化分率 f c 真临界温度，。c 混合分数 0 体积平均沸点，。c 混合分数变化t c 临界温度，k 入射辐射tr 对比温度 混合相质量流速，k g m 2 s u n混合流速，州s 重力加速度 u s g气相表观流速，毗 总焓，肌g u速度矢量，州s x直角坐标系坐标 i 截面的气相焓值，k j k g z计算段高度差( 正值) ，1 1 1 i 截面的液相焓值，k j k g 口吸收系数 辐射强度，w ( m 2 。s ) 吒 散射系数 湍流导热系数，w ( m k ) 仃s t e f a n b 0 1 t 珊黜常数 计算段长度，m ，a i t , 湍流粘性1 - 系数，, d 阳e s l 丌t ，i l l l _ jl刀、二酞，) 组分i 的质量分数 折射系数 u , o 无旋流时的湍流粘性系数，砌。s 压力，p a 层流粘性系数，p a s 临界压力，p a 粘性应力，n 砰 计算段压降，p a p 密度，k g m 3 计算段体积流量，m a s 痧各项异性函数 删廿火升l 工t j 凹姒 炉管表面热强度，w m 2 q特征旋流数 位置向量 q 空间立体角 c q d m 出 气 f 、 g g h 巩 乩 。 k 缸 啦 n p 民 q 鲰 ， 鼠 下标 g 气相 i ，j直角坐标系中i ，j 方向 l 液相 印 两相混合 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 加热炉节能的必要性 能源是经济、社会发展和提高人们生活水平的重要物质基础。从2 0 世纪9 0 年代以来， 随着工业化和城市化进程的加快，我国能源供应和需求之间的矛盾不断加大，能源短缺 的问题随之产生。据计算，要保证g d p 年均增长7 以上，我国面临能源供应每年递增 4 左右的压力，主要靠过度的能源消耗来支撑经济的快速增长。至u 2 0 5 0 年，我国能源 年消耗量将达到标煤3 8 亿吨，成为世界第一能耗大国。而与此同时，我国现阶段能源 利用率处于较低水平。我国单位g d p 能耗处于高位运行，如果日本为1 0 0 ，则美国为 2 7 0 ，我国竞高达9 0 0 。我国现阶段能源利用率( 3 2 ) 明显低于日本( 5 7 ) 、美 国( 5 0 ) 和德国( 4 0 ) 等发达国家。世界银行估计，因燃料利用率低，我国每年损 失1 2 0 0 多亿美元，资源浪费严重。我国能耗与国际先进水平相比仍然偏高的局面无容置 疑1 2 , 3 】。 在日趋激烈的国内外竞争中，能源问题是一个国家至关重要的问题，提高能源利用 率，节约能源受到人们的关注。节能是解决中国能源问题的根本途径，是当前经济工作 的紧迫任务之一。国务院有关部门提出：未来应走“能源消耗少，环境污染小”的发展 道路，必须实行“节能优先，结构多元，环境友好，市场推动 的可持续发展战略。能 源的可持续发展和有效利用已成为支撑我国经济社会持续高速发展的关键所在。当前国 家正在大力构建节约型社会，鼓励节能减排。作为工业生产中的耗能大户，石油化工企 业承担着不可推卸的节能责任。 加热炉是石油化工行业的主要加热设备，同时也是高能耗设备，其燃料消耗是总能 耗的主要组成部分。对于中等加工深度的炼油厂，其所拥有的加热炉的燃料消耗，约占 原油处理能力的4 _ 一8 ，所消耗的燃料费用约占操作费用的6 m 一7 0 【4 1 。另一方面，由 于国家宏观政策的调控，新建加热炉少，早期建造的加热炉，由于受当时技术水平的限 制，大多在低负荷下运行，热效率低。对国内7 家大型石油化工企业的7 0 多台加热炉 的调研表明【l 】：由于技术落后，操作不当等原因，国内大部分加热炉的实测热效率低于 设计热效率，存在巨大的节能潜力。对加热炉进行节能改造，提高其能源利用率，已经 越来越受到各部门技术人员的重视。加热炉的节能降耗是节能工作的重点环节，对大多 数拥有加热炉的企业来讲，研究炉内传热过程以提高能源利用率，已经成为技术创新的 工作重点。 第一章前言 1 2 加热炉的节能措施 加热炉节能的主要措施一般都离不开优化设计、改造燃烧装置及炉体结构、回收余 热利用、采用新技术、新工艺、加强检测控制和生产管理等几个重要方面。通过调查可 知，通过燃烧器改造可提高炉效1 2 左右；改进隔热衬里，可减少散热损失o 6 ；增 加空气预热器和废热锅炉进行预热及采用热管式换热器回收低温余热可提高炉效7 2 ； 采用红外辐射涂料可提高炉效0 5 2 ，这些节能改造是成功的，并已取得了很大的节能 效益【5 1 。但这些措施只是在原有加热炉的基础上进行的一些补救措施，不能从根本上提 高加热炉的热效率。加热炉的炉型结构是加热炉节能与否的先天性条件，因此要从根本 上提高加热炉的热效率，应从加热炉的结构优化入手。另外，燃烧装置是加热炉的“心 脏，通过合理组织燃烧，提高燃料在燃烧传热过程中的有效利用率，也是提高加热炉 热效率的有效措施。下面将主要从炉型结构和燃烧器两方面来简述提高加热炉热效率的 措施。 1 2 1 改进燃烧装置 燃烧装置在炉内的作用有两点，一是提供传热能量，二是组织炉内火焰燃烧，其技 术指标和安装方法对加热炉极为重要。选用性能优越的燃烧器是降低空气过剩系数，提 高加热炉热效率的有效方法之一。新型管式炉通过采用平流式机械雾化燃烧器、长型电 动旋杯式燃烧器、旋流式燃气燃烧器和外混式双气道气动雾化燃烧器等新型燃烧器，以 及合理组织燃烧，不仅能得到燃烧稳定的火焰，而且气流中后期的扰动和混合较好，使 燃料油( 气) 可以在较低的过剩空气系数下，实现完全燃烧【6 】。运用新型燃烧器既能保 证炉内温度均匀，保证产品质量，又能实现高效节能，并能适应多种工艺要求。推广使 用这些高性能燃烧器可取得良好的节能效果【2 1 。 1 2 2 改善炉型结构 加热炉一般由辐射室、对流室、燃烧器、余热回收系统及通风系统五部分组成。其 中，辐射室是通过火焰和高温烟气进行辐射传热的部分，是热交换的主要场所，承担全 炉热负荷的7 0 m 8 0 t r l ，是全炉最重要的部位。可以说，一个炉子的优劣主要看它的 辐射室性能如何。因此通过改善辐射室的炉型结构来提高加热炉的热效率是行之有效的 方法之一。 在对辐射室的炉型结构进行改造之前，应了解辐射室内的传热过程( 如图1 1 所示) 和改造过程中的基本要求。辐射室中的热源来自火焰和炽热烟气的直接辐射和对流放 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 热。在温度较高的火焰炉中，炉膛热交换以辐射传热为主。炉膛中的炉壁( 炉墙和炉顶) 、 炉气和炉管三者之间，辐射热流往复地进行着反射、吸收和透过。其中，炉气是热源体， 炉管内被加热物料是热汇体，炉壁是中间体。对于未敷设炉管的墙，一方面接受炽热烟 气的热量，另一方面又将热量反射给了管排。辐射室内管排吸收的热量，8 0 纠0 来 自火焰与烟气的直接辐射，还有- - + 部分来自暴露炉墙的反射【8 】。火焰炉膛热交换的最 终结果是：燃料燃烧产生的热量，被炉气( 火焰) 带人炉膛，其中一部分热量把物体加热， 一部分热量通过炉壁散到炉外，炉气温度降低到一定温度后，作为废气排出炉膛【9 1 。 图1 1 辐射室中传热过程示意图 f i g l l t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f h e a tt r a n s f e rp r o c e s si nr a d i a t i o nc h a m b e r 在加热炉的新建或改造过程中，主要有以下要求1 0 l ：要使燃料燃烧尽可z 月匕t - , 多的发 生在炉膛内，即炉内存在合适的燃烧空间和燃烧时间：减少排出炉膛的烟气热损失， 要将尽可能多的烟气余热回收到炉膛中来；提高炉子的燃料利用系数；尽量减少炉 膛各项热量损失，提高炉子热效率。 从上面的分析可知：在温度较高时，管式加热炉的主要加热途径是辐射换热，除了 炉气辐射外，炉墙辐射也占较大一部分，理论研究指出，辐射强度遵循四次方定律 一，x 4 q = o 5 7 s 【么o o j f 其中，q ：单位时间辐射的热量，w ； ：炉膛表面黑度； t ：炉壁的绝对温度，k ；f ：炉壁的表面积，m 2 。 显而易见，辐射热的多少受炉壁表面积影响，增加炉膛内参与传热的面积，可以显 著提高辐射传热能力l l l 】。根据这一原理来提高加热炉热效率的相关文献和专利较多，主 要有以下几类：在现有炉型基础上于炉膛内壁增加大量具有一定形状的突起物，以增 大炉围伸展度，强化炉内辐射传热1 2 】；在加热炉炉墙和炉顶上设置呈空腔状的工业标 3 第一章前言 准黑体，并在黑体上开有辐射孔，提高热射线的到位率和辐射度，从宏观和微观上增加 炉膛的传热面积，强化辐射传热【1 3 , 1 4 1 ；在辐射室的炉管与炉壁之间设置由多块起折射 作用的折射板构成的反光屏，使传统的单面辐射变为双面辐射，以充分利用辐射能【1 5 j ； 一种由辐射室的附墙炉管、中间炉管、在中间炉管与附墙炉管之间辐射室底部设置的 燃烧器和中间炉管中心辐射室底部的中心燃烧器等组成的新型管式加热炉，该炉型的设 计将中间炉管变为双面辐射，从而大幅提高传热量【1 6 1 。在上述管式炉实用技术中，大多 是针对炉膛内壁进行改造，增大了辐射室参与辐射传热的面积，以强化辐射传热。这些 技术能在一定程度上强化炉膛内的辐射传热，提高能量利用率，但不能从根本上强化附 墙炉管背火侧的受辐射能力，不能有效改善管内流体的受热不均匀度，在应用上还存在 一定的限制。 另外，采用圆形炉膛代替箱形炉膛，可改善炉膛对管内介质均匀传热的效果，并减 少炉壁散热量。同时，在炉膛内安设风扇，可加强炉内对流传热。特别是小型加热炉， 高速气流可破坏停滞在炉管表面阻碍传热的炉气边界底层，提高炉管表面热强度，增强 传热效果。 采用新型炉用材料，优化炉衬结构也可显著提高加热炉热效率。加热炉炉衬的蓄热 和散热，一般占炉子总能耗的2 0 - - 4 5 。选用新型节能耐火材料可减少炉体的蓄热和 散热损失，提高热效率。最后，还要做好炉膛密封，包括炉膛内各引出构件、炉壳、炉 门等处的密封。 以上是通过理论分析或试验研究所得出的一些节能手段，对于其在具体应用中是如 何影响炉内的流动、燃烧和传热过程等的细节问题，由于炉内温度较高，对加热炉内部 传热状况进行测量比较困难，对其知之甚少，这对加热炉的进一步优化设计和新型高效 加热炉的开发是非常不利的。炉内的流动、燃烧和传热过程是影响加热炉燃料消耗的主 要因素，若能结合近几十年发展起来的流动与燃烧的数值模拟，给出所研究加热炉内的 流动、燃烧和传热过程的细节，并通过对所得流场、温度场、组分浓度的分析，提出切 实可行的节能措施，这必将对加热炉热效率的提高起到巨大的推动作用。 1 3 加热炉模拟的研究现状 裂解炉、加热炉等设备是炼厂常用的具有燃料燃烧的设备。要使所设计的加热炉既 满足热负荷的要求、又达到加热炉“三高二低 的目标( 高处理量、高质量、高效率、 低消耗、低污染) ，有必要详细了解加热炉内燃烧、传热及污染物形成的过程及规律。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 数值模拟是对上述过程进行研究的有效手段，从最初的炉管、炉膛设计，到喷嘴的安放 位置及几何结构，都可以利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，即计算流体力学) 软件对加热炉进行数值模拟【1 7 l 。利用c f d 软件对加热炉进行数值模拟已经成为研究炉 内燃烧和传热过程的强有力手段，其成本低，并能得到炉内流动和传热的详细信息，可 为设计新型高效加热炉提供依据。随着湍流燃烧模型的不断完善以及计算技术的不断发 展，该方法已逐渐成为研究加热炉内燃烧过程的常规方法。 1 3 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件是集流场、燃烧和热量、质量传输以及化学反应于一体的商业c f d 软 件【1 8 1 。自上市以来，在全球众多的c f d 软件中，f l u e n t 软件占有最大的市场份额。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，用户可以使用结构化网格和非结构网格对各 种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形和四边形单元网格；对于三维 问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱形及混合网格等。f l u e n t 允许用户根 据求解规模、精度及计算效率等因素，对网格进行局部细化和粗化。对于具有较大梯度 的流动区域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可以让用户得到很高精度的流场分布【1 9 1 。 由于采用了多种求解方法和多种网格加速收敛技术，f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和 求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使 f l u e n t 在湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪 声、材料加工、燃料电池等方面有广泛的应用。 f l u e n t 求解的思路和步骤是根据实际情况抽象并建立物理模型，然后选择求解模 型，设置边界条件和初始条件，设置迭代和控制参数并进行计算，最后进行后处理和分 析，或者根据实验结果重新调整参数进行计算直至得到可接受的结果【2 0 l 。 f l u e n t 软件在我国已经获得较好的应用。其减少了研究者在计算方法、编程、前 后处理等方面投入的低效、重复的劳动，将更多的精力和时间投入到所考虑问题的物理 本质，优化算法的选用，参数的设定，因而提高了工作效率。f l u e n t 软件必然会获得 越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。 石油化工行业所用加热炉的原料主要包括：炼厂气、瓦斯气等气体燃料和减压渣油、 常压渣油等液体燃料。燃气加热炉内部均为气体，在模拟过程中可视为不可压缩流体， 只涉及流体的流动、燃烧和热量传递过程。加热炉中燃油的燃烧是一个复杂的过程，包 括燃油液雾的蒸发及流动、气相的流动及燃烧、燃烧空间对炉管及炉壁的对流传热和辐 5 第一章前言 射传热等诸多子过程。在燃气和燃油加热炉的模拟过程中所需的模型不尽相同，下面将 分别对其进行介绍。 1 3 2f l u e n t 软件在燃气加热炉中的研究进展 采用f l u e n t 软件对燃气加热炉及燃烧器进行数值模拟的相关文献较多，所包含的 范围也较广。为了比较客观的体现所要研究对象的主要特点，在建立数学模型前进行以 下简化假设：气体为不可压缩流体；流动和燃烧过程为稳态过程；炉墙按无滑移 壁面处理，采用标准壁面函数法。在适当的简化假设下，合理划分网格，正确设置边界 条件，选用合适的物理模型，对加热炉进行数值模拟。 1 3 2 1 以气体燃烧器为主要对象的模拟研究 应用f l u e n t 软件对气体燃烧器进行数值模拟的文献很多，主要涉及对某一类型 的燃烧器进行模拟研究；对特定的燃烧器进行结构优化的模拟研究和蓄热式加热炉中喷 口结构的模拟研究等，下面就针对以上几方面详细论述。 ( 1 ) 美国j o h nz i n k 公司的瓦斯燃烧器的模拟研究 自1 9 9 9 年至2 0 0 5 年，毛羽【2 1 。2 5 1 等以美国j o h nz i n k 公司的瓦斯燃烧器为几何模型， 在燃烧器未做任何简化的情况下，以实际瓦斯气为燃料，准确模拟了使用该燃烧器时加 热炉内的流场和温度场，分析了燃烧器结构变化、燃料变化、组合情况和空气过剩系数 对燃气燃烧器性能的影响，为今后该燃烧器的优化提供了依据。 ( 2 ) 平焰燃烧器的模拟研究 平焰燃烧器是一种较先进的燃烧器，具有火盘面积大，辐射能力强等优点，广泛应 用于炼铁行业的加热炉。对其进行模拟研究的文献主要涉及【2 6 , 2 7 1 ：旋转射流的形成方法 和机理；两个平行平焰燃烧器的间距对速度、压力、温度分布的影响及双旋流平焰燃烧 器的燃烧性能的研究等方面。 ( 3 ) 扁平火焰燃烧器的模拟研究 扁平焰燃烧器是管式加热炉常用的高效能燃烧器，现有文献不仅研究了其三维全尺 寸下炉膛内的速率场、温度场和各组分的浓度分布情况，还研究了燃料变化对燃烧器的 速度场和温度场的影响【2 8 , 2 9 1 。 ( 4 ) 燃烧器结构变化的模拟研究 毛羽【3 0 3 1 1 等对一种普通气体燃烧器和两种采用分级进料技术的新型气体燃烧器进 行了燃烧的数值模拟研究，计算结果表明：结构差异是燃料气和助燃空气流场组织不同 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的原因，表现为不同的燃烧火焰形状及温度分布。随后又研究了燃烧器的喷孔直径、喷 孔角度和旋流角度等结构参数对气体火焰形状和炉内温度分布的影响。此外贾荣荣p 2 】 等以低压旋流式煤气燃烧器为对象，模拟研究了旋流强度对空气与焦炉煤气混合状况的 影响。燃烧器结构变化的模拟研究为燃烧器的优化设计提供了依据。 ( 5 ) 蓄热式加热炉中喷口结构的模拟研究 蓄热式加热炉是2 0 世纪末随着高温低氧燃烧技术成功开发而涌现出的新一代节能 环保型加热炉。该类加热炉具有节能，低污染物( 特别是n o x ) 排放，优化工业能源结 构等诸多优点。以其为对象进行数值模拟的文献有1 3 3 , 3 4 】：冷态模拟喷口几何形状、尺寸 及喷口的分布位置对炉内速度分布的影响：改变空气喷口和燃料喷口间的夹角、空气喷 口的长宽比来优化炉内的流场和温度场。 除此之外，王宗明阅等通过对旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行数值模拟，研 究燃烧器的火焰特性，并探讨了一些结构参数和操作参数对火焰长度的影响。 1 3 2 2 以加热炉为主要对象的模拟研究 以整个加热炉为对象进行数值模拟，因燃烧器的精细结构与大体积炉体之间的尺寸 差异，需适当简化后才能进行。冶金行业的加热炉只涉及炉膛内的传热过程，比较简单， 相关文献较多；而管式加热炉的模拟计算涉及炉膛内的辐射传热和管内流体加热的耦合 计算，比较复杂，对其进行模拟研究的文献较少。 ( 1 ) 冶金行业加热炉的模拟研究 国外的一些学者如k i m ，h a r l 3 6 , 3 7 】等对轧钢加热炉中厚板块的加热过程进行了数值 模拟，并根据模拟结果发展了相应的传热模型，推动了计算理论的发展。国内的杨帆网 等研究了轧钢加热炉内的压力分布对炉内的流场和温度场的影响，为加热炉的进一步结 构改造提供了依据。 ( 2 ) 管式加热炉的模拟研究 o p r i n s 3 9 1 等在对裂解炉模拟中指出流动方程中粘性项的省略会导致错误，并且指 出棱形单元网格生成的部分非结构化网格也会导致模拟结果的错误，四面体完全非结构 网格能够保证计算结果的正确性，并采用完全非结构网格划分方案模拟得到裂解炉内的 流场和压力场。s t e f a n i d i s l 4 0 1 等人在裂解炉模拟中采用了详细的燃烧模型，通过分析 e d c d r k 燃烧模型和e b u s r k 燃烧模型对炉膛内温度场，速度场和火焰形状的影响， 得到适合本加热炉的燃烧模型。h a b i b i | 4 1 】等人在裂解炉模拟中考察了d o m 、p 1 辐射模 型、r o s s e l a n d 辐射模型和不考虑辐射模型时辐射室内的流场、温度场和火焰形状，其中 7 第一章前