管式加热炉富氧燃烧的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：乔朝辉（1996），男，汉族，河南焦作人，硕士，研究方向为节能与减排。-179-管式加热炉富氧燃烧的研究 乔朝辉 兰州交通大学化学化工学院，甘肃 兰州 730070 摘要：摘要：针对管式加热炉的节能研究中，富氧燃烧技术作为一个成熟的节能减排技术，探索富氧燃烧技术在该加热炉的应用具有一定的理论和实践意义.如何提高燃料燃烧效率和降低排烟温度是提高加热炉热效率的重要手段.利用富氧燃烧技术，结合质量守恒和能量守恒,运用集总参数法建立炼厂气燃烧的数学模型,应用 Fortran 语言编程并运算求解.研究结果表明:在工业条件下,过剩空气系数为 1.2，加热炉燃烧效率和辐射室温度随氧气浓度的增加而增加.模拟计算证明富氧燃烧可以运用到柴油加氢装置加热炉上。关键词：关键词：富氧燃烧；数值模拟；加热炉；节能减排；辐射室 中图分类号：中图分类号：TE963 据报道中石化现有 600 多台管式加热炉，其总热负荷高达 500MW。其中连续重整装置的加热炉能耗占整个装置能耗的 67%左右，半再生重整装置的加热炉占整个装置能耗的 76%左右，延迟焦化装置的加热炉能耗占装置能耗的 70%左右，柴油加氢精制装置的加热炉能耗占装置总能耗的 50%左右。由于这类系统的能源消耗巨大，热效率的微小提高将节省相当大的能量。可见提高加热炉的热效率，对于降低炼油装置的能耗具有重要意义。1 柴油加氢加热炉燃烧模型的建立 建立能量守恒方程 以石油炼化企业中轻质柴油加氢工艺为研究对象，对年产值 140104吨/年的连续轻质柴油加氢管式加热炉进行建模1。首先，轻质柴油加氢反应炉中炉管内部被加热物质为轻质柴油和循环氢气，氢油体积比为600：12，生产工时为 8000 h，通过公式(1)计算加热炉的热负荷。niiQQ1 (1)其中，Q 为加热炉热负荷，Qi 为被加热介质 i 吸收的热量，因为炉管内部被加热的轻质柴油和循环氢气都是以气态的形式存在，没有相态之间的变化3，因此可以用公式(2)求出被加热物质所吸收的热量。)(12iiiIIWQ (2)其中，Wi，Ii1，Ii2分别为各种需要被加热物质的每小时质量流量(kg/h)，被加热介质组分进口热焓(kcal/kg)以及被加热介质组分出口热焓(kcal/kg)。因为加热炉中被加热组分是轻质柴油和循环氢气的混合物，因此可以用混合热焓公式(3)计算炉管中被加热物质混合后的热焓。niiimIXI1 (3)其中，Im为被加热物料混合后的焓值，Ii为每种被加热物料的焓值，Xi为每种被加热物料占炉管中所有物料的质量分数。通过计算可以得出加热炉辐射室的热负荷为10.33 MW，在该燃烧模型中，以达到热负荷为前提条件4，通过改变过剩空气系数、辐射室容积、氧气摩尔浓度等参数来探究富氧燃烧技术对炼厂气燃烧特性和烟气组成成分变化的影响，也可以改变热负荷来探究观察本模型与实际柴油加氢工艺的差别，以及本课题模拟应用于实际的可行性5。建立质量守恒方程 进入加热炉的气体总质量与烟气中各组分总质量遵循公式(4)中描述的质量守恒公式：inairgasmmm (4)其中，min是炼厂气进入燃烧室时的质量流量；mair是助燃空气进入燃烧室时的质量流量；mgas是燃烧室排出的烟气量。随着燃烧的进行，反应物如：甲烷、乙烷、丙烷、氧气等会随着时间的增加而减少，生成物如：二氧化碳、水等会随着时间的增加而增加，由于各个组分的中国科技期刊数据库 工业 A-180-质量分数一直在变化，可以用公式(5)确定各个组分在烟气中的质量 xmmgas (5)m 是烟气中各种组分的质量，mgas是烟气的总质量，x 是各组分气体占烟气总质量的质量分数。建立矩阵方程求解 其中，由于水蒸气的质量分数用来保证质量守恒方程式成立，不涉及自身反应速率方程，因此，在质量守恒方程和能量守恒方程进行联立组成矩阵时，用除水蒸气之外的九个组分的质量守恒方程和一个能量守恒方程组成十行十列的矩阵方程组6：11232123123(,)=0(,)=0 (,)=0nnnnf x x xxf x x xxf x x xx (6)其中f1f9是烟气中除水蒸汽之外各组分质量守恒方程式，f10是能量守恒方程式；x1x9是烟气中除水蒸气之外的各组分质量分数，x10是预设的辐射室温度。要进行数组计算，x1x10都需要一个初始值，整个矩阵才能进行迭代计算，然后通过大量迭代，得出趋于真实数据的数组7。将上述关于质量守恒方程、能量守恒方程、速率方程、矩阵运算公式以及修正系数等公式通过 Fortran 语言进行编程，构建一个主程序和三个子程序，建立方便子程序调用的数据库。将上述提及的数学公式和牛顿迭代法的数值计算等相关运算编程为主程序，三个子程序则分别计算烟气各组分在燃烧室时的热容、作为烟气时的热容以及对于程序中矩阵的求解。其中，为了使得程序运算结果更接近于实际数据，迭代次数的选择范围在六十万次到一百万次之间，既保证了运算结果的准确性，也保证了运算效率。本课题研究的轻质柴油加氢加热炉工艺数值模拟运算所涉及的过剩空气系数、辐射室体积、氧气摩尔质量分数、热负荷都是可以改变的参数，在程序中换算成了燃料总量、二氧化碳生成量、水蒸气生成量、耗氧量和总氮气量等参数，在程序中用 SUMF 值表示收敛程度，当 SUMF 值小于等于 0.03 时，表示数据已经无限接近实际数据了，但在实际操作过程中，SUMF 值在小于等于 0.1 时，运算结果已经很接近实际数据了，所以在本课题模拟运算阶段，SUMF 值为 0.1 即可导出数据。2 燃料气主要剩余量随氧气浓度变化 甲烷含量的多少在一定程度上决定了燃料的优质程度，甲烷是否充分燃烧直接决定了炉子的热效率8。图 1 为富氧环境下甲烷在一定条件下燃烧后的烟气中质量分数，其中横坐标为辐射室体积，纵坐标为甲烷燃烧后在烟气中的质量分数.从图 1 中不难看出，在过剩空气系数和辐射室体积不变的情况下，随着助燃空气中氧气浓度不断提高：从 21%到 25%，烟气中甲烷的质量分数在逐渐降低，这表明甲烷在氧气浓度提高的情况下进行了更充分地燃烧，当助燃空气中氧气浓度从 24%提高到 25%时，由图可以看出，烟气中甲烷的质量分数变化值远没有助燃空气中氧气浓度由 21%提高到 22%时，甲烷的质量分数变化值大；扩大助燃空气中氧气浓度变化值可以发现：甲烷的质量分数在助燃空气中氧气浓度为 21%23%范围内的变化值比助燃空气中氧气浓度为 23%25%范围内的变化值要大，说明助燃空气中氧气浓度在有限的范围内变化可以提升甲烷的燃烧率，并且甲烷的燃烧与氧气浓度的关系存在边际效应，这与张佳贺基于甲烷的燃烧机理建立的甲烷燃烧模型基本一致9。综上所述，影响甲烷燃烧的三个因素由大到小的顺序为：氧含量过剩空气系数反应器体积，它们三者间存在耦合作用，当空气中的氧含量增大到一定程度时，这种耦合作用变弱以至于消失，表现为烟气中甲烷的浓度受反应器的体积和过剩空气系数的影响变弱，此时烟气中甲烷的浓度只取决于空气中的氧含量。图 1 不同氧气浓度下甲烷含量随体积变化曲线 在相同燃烧环境下，乙烷比甲烷能更充分地燃烧10。图 2 表示在过剩空气系数下烟气中乙烷的质量分80010001200140016000.03.0 x10-46.0 x10-49.0 x10-41.2x10-380010001200140016000.04.0 x10-48.0 x10-41.2x10-31.6x10-380010001200140016000.05.6x10-41.1x10-31.7x10-32.2x10-380010001200140016000.08.1x10-41.6x10-32.4x10-33.2x10-3 21%22%23%24%25%(a)y(CH4)y(CH4)y(CH4)a=1.2 21%22%23%24%25%(b)V(m3)V(m3)a=1.15 21%22%23%24%25%(c)V(m3)y(CH4)a=1.1 21%22%23%24%25%(d)V(m3)a=1.05中国科技期刊数据库 工业 A-181-数随着助燃空气中氧气浓度和辐射室体积的变化而变化。横坐标为辐射室体积，纵坐标为烟气中乙烷的质量分数。图 2 不同氧气浓度下乙烷含量随体积变化曲线 助燃空气的过剩空气系数为 1.2 时，随着助燃空气中氧气浓度的增加，乙烷的质量分数在迅速降低，并且以氧气浓度为 23%时作为分界线，在氧气浓度从21%到 23%时，乙烷组分质量分数减少的比较快，说明此时影响乙烷是否充分的决定性因素是氧气浓度，而在氧气浓度从 23%到 25%时，乙烷的剩余量减少的就比较慢，这说明在氧气浓度大于 23%的富氧环境下的，氧气浓度不再是决定乙烷剩余量的关键因素，而是与辐射室容积大小、过剩空气系数等条件下共同作用的。综上所述，影响乙烷燃烧的三个因素由大到小的顺序为：氧含量过剩空气系数反应器体积，它们三者间存在耦合作用，当空气中的氧含量增大到一定程度时，这种耦合作用变弱以至于消失，表现为烟气中乙烷的浓度受反应器的体积和过剩空气系数的影响变弱，此时烟气中乙烷的浓度只取决于空气中的氧含量。3 辐射室温度随氧气浓度变化 图 3 是辐射室温度在不同过剩空气系数下，随氧气浓度和辐射室体积变化而变化的数据图。影响辐射室温度变化主要与氧气浓度、辐射室内部混合气体组分构成、进入辐射室时各物质的初始温度和烟气温度等因素有关11。其中氧气浓度越高，燃料组分燃烧的更充分，即燃料能释放更多的热量；并且本课题所采用的富氧燃烧技术是提高助燃空气中氧气浓度，即助燃空气中氧气浓度越大，助燃空气中氮气的质量分数相应的会降低，进而减少用来加热氮气的热量损耗；进入辐射室时，助燃空气经过换热塔后一般温度在 200左右，本课题选用 200作为助燃空气的初始温度，炼厂气为 25.图 3 不同氧气浓度下辐射室温度随体积变化曲线 在过剩空气系数为 1.2 的环境里，辐射室体积为800m3 时，提高氧含量从 21%到 22%，辐射室温度从1028K 增长到 1067K,当氧含量从 24%提高到 25%时，辐射室温度从 1121K 增长到 1138K。这说明氧含量每提高1%，都能进一步促进辐射室内部燃料的完全燃烧，这与胡周海团队研究的纯氧燃烧甲烷对于辐射室温度的提高，以及李全亮团队对于回转窑内部使用富氧燃烧技术后窑内温度增加的实际情况相同，即适当增加氧含量，可以提高辐射室内部温度。4 加热炉热效率随氧气浓度变化 是在不同过剩空气系数条件下，助燃空气中氧气浓度对于炉子热效率的影响。图 4 不同过剩空气系数下加热炉热效率随氧气浓度变化曲线 选择过剩空气系数 1.1 和 1.2 是因为当过剩空气系数在较小范围内变化时，在氧气浓度不变的情况下，过剩空气系数对炉子热效率的影响较小，但是当过剩80010001200140016000.04.1x10-88.2x10-81.2x10-71.6x10-780010001200140016000.01.5x10-73.0 x10-74.5x10-76.0 x10-780010001200140016000.02.6x10-75.2x10-77.8x10-71.0 x10-680010001200140016000.06.1x10-71.2x10-61.8x10-62.4x10-6y(C2H6)(a)a=1.2a=1.2V(m3)21%22%23%24%25%21%22%23%24%25%(b)a=1.15a=1.15y(C2H6)V(m3)21%22%23%24%25%y(C2H6)(c)a=1.10a=1.10V(m3)21%22%23%24%25%y(C2H6)(d)a=1.05a=1.05V(m3)800100012001400160010001040108011201160800100012001400160010361064109211201148800100012001400160010641092112011481176800100012001400160010501085112011551190(a)a=1.2a=1.2T(K)V(m3)25%24%23%22%21%25%24%23%22%21%(b)a=1.15a=1.15T(K)V(m3)25%24%23%22%21%(c)a=1.10a=1.10T(K)V(m3)25%24%23%22%21%(d)a=1.05a=1.05T(K)V(m3)212223242590.3591.0091.6592.3092.95加热炉热效率(%)助燃空气中氧气浓度(%)1.1 1.2 1.5中国科技期刊数据库 工业 A-182-空气系数增加到 1.5 时，可以很明显的看到炉子热效率的急剧降低12。在辐射室体积 800m3 和过剩空气系数 1.2 情况下，氧气浓度从 21%增加到 25%，炉子热效率由 91.2%增加到 93.01%。5 结论 柴油加氢加热炉作为柴油加氢装置中主要能耗单元，其能耗主要取决于燃料的消耗量以及燃烧程度，运用富氧燃烧技术可以有效地降低燃料气的使用量和烟气质量，并增加加热炉的热效率，是一项值得研究的节能减排技术。本课题以 140104 吨/年轻质柴油加氢装置加热炉为研究对象，建立加热炉辐射室的燃烧模型，利用 Fortran 语言进行编程并计算，探究在不同的助燃空气中氧气浓度（21%25%）和辐射室容积等参数的情况下，富氧燃烧技术对于燃料气的燃烧情况、烟气中主要组分变化以及经济性分析。燃料燃烧情况受氧气浓度影响最大，氧气浓度的增加使燃料燃烧更充分；受过剩空气系数影响次之，过剩空气系数的增加使燃料燃烧更充分；受辐射室体积影响最弱，辐射室体积的增加使燃料燃烧更充分，且在较高氧气浓度下，会削弱辐射室体积影响。在辐射室体积 800m3 和过剩空气系数 1.2 情况下，氧气浓度从 21%增加到 25%，加热炉热效率由 91.2%增加到 93.01%。本文通过上述研究，建立起相关加热炉模拟燃烧模型，为现有产业提供优化改造可行性方案。参考文献 1汤军勤.浅谈如何提高加热炉效率J.资源节约与环保,2021(01):1-2.2郑志伟,杨朝合,赵辉,胡仁波.常 压加热炉辐射段耦 合传热的数值模拟 J.石油学报(石油加工),2011,27(04):649-656.3王国良,朱豫飞,张忠和.我国轻柴油产品质量现状及升级方向J.炼油设计,2001(12):39-42.4宋加瑞.催化重整加热炉富氧燃烧模拟计算D.甘肃:兰州交通大学,2022.5柳鸿斌.炼油厂 32MW 常压炉富氧燃烧模拟研究D.甘肃:兰州交通大学,2020.6Zhang Y,Wang J,Liu Y,et al.Numerical simulation of the influence of fuel allocation method on regional NOx production in a single sector combustorJ.Energy,2023(270):12-23.7Guo H,Zhang Z,Chen X,et al.Study on multi-objective decision-making operation strategy of heat supply tower J.Science of The Total Environment,2023(859):160-188.8姚彦伊,王业峰,杨卫娟,等.烷烃燃料微小平板催化燃烧的火焰特性J.新能源进展,2018,6(05):353-358.9 张 佳 贺,罗 敏,殷 文 佳,等.富 氧 燃 烧 对 烟 气 组 分 影 响 的 数 值 模 拟 研 究 J.数 学 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