加热炉辐射室燃烧模型研究

Study on the Combustion Model of Radiation Chamber in Heating Furnace

摘要: 能耗水平是炼油综合经济和工艺技术水平的重要指标，而加热炉作为主要的能源转换设备，在炼油综合能耗中约有1/3是通过加热炉转化和消耗的。如何降低加热炉的能耗节能已成为当务之急。因此，本文根据管式加热炉的工作原理和构造，建立加热炉辐射室数学燃烧模型。模拟计算出解决能耗问题的炉膛温度和热效率，以提高加热炉热效率，最大程度地减少加热的能源消耗，将作为本文的核心方向，同时这也对加热炉炉膛温度控制方面的研究有很重要的意义。

Abstract: The energy consumption level is an important indicator of the comprehensive economy and technology level of refining, and the heating furnace is the main energy conversion equipment, about 1/3 of the comprehensive energy consumption of refining is converted and consumed through the heating furnace. How to reduce the energy consumption of the heating furnace has become a top priority. Therefore, according to the working principle and structure of tubular heating furnace, the mathematical combustion model of radiation chamber of heating furnace is established. Computing the furnace temperature and thermal efficiency to solve the energy consumption problem, in order to improve the thermal efficiency of the heating furnace and minimize the energy consumption of heating, will be the core direction of this paper, which is also of great significance to the temperature control of the heating furnace.

1. 引言

近年来，随着“双碳”战略的提出，人们对环境保护和能源节约问题的关注持续升温，炼油厂的能源消耗和“碳”排放显著，很有必要研究加热炉这一工业设备的燃烧和温度变化特性。辐射室作为燃烧场所，主要以热辐射方式向炉管内介质传递热量。目前加热炉在提高热效率方面的研究，主要集中在进料方向，包括煤粉全氧燃烧技术(Oxy-PC)、循环流化床全氧燃烧(Oxy-CFBC)和MILD富氧燃烧技术[1]。

本次研究利用炼油产品的提供的热量、燃料的燃烧热量和预热空气的热量，先采用能量平衡法对加热炉辐射室进行燃烧计算，然后对辐射室的传热过程建立数学模型，然后用Fortran语言进行编程。通过模拟的方法，计算出加热炉炉膛温度以及对燃烧过程进行富氧增温之后的炉膛温度，对加热炉热效率的研究有非常重要的作用。

2. 燃烧计算

2.1. 炼厂气基础数据

该热负荷4.35 MW加热炉燃烧用的炼厂气来源于某石化公司，加热炉燃用炼厂气的热力性质见表1。

练厂气的组分特性对加热炉效率和排放特性及未然物的组分含量均有显著影响，这里，给出了本文采用的练厂气的组分特性，如表1所示。表中，根据组分的体积分数统计了低发热值，也给出了理论空燃比，其中CO₂、H₂O及N₂的生成量均按理论空气计算。依据表中获得的基础数据进行配风，过剩空气系数取为1.19，这一数据基于传热所需烟气量(辐射室传热能力)综合确定，详细过程这里不予详细说明。

Table 1. Refinery gas fuel calculation tablet

表1. 炼厂气燃料计算表

燃料组成	体积分数/%	理论空气量(kg/kg)	CO2生成量(kg/kg)	H2O生成量(kg/kg)	N2生成量(kg/kg)		重度(kg/Nm^3)	低发热值QL (KJ/Kg)
H2	0.423	1.714	0.000	0.447		1.318	0.038	7144.970
N2	0.133	0.000	0.000	0.000		0.219	0.167	0
CO2	0.008	0.000	0.022	0.000		0.000	0.017	0
CH4	0.262	4.236	0.673	0.553		3.256	0.188	12289.701
C2H4	0.024	0.580	0.123	0.050		0.445	0.030	1848.041
C2H6	0.050	1.417	0.258	0.159		1.090	0.067	4183.381

续表

C3H8	0.023	0.924	0.176	0.096	0.710	0.045	2730.830
C3H6	0.016	0.583	0.124	0.050	0.448	0.030	1806.154
C4H10	0.022	1.153	0.226	0.116	0.886	0.057	3410.207
C4H10	0.009	0.495	0.097	0.050	0.380	0.024	1450.206
C4H8	0.005	0.253	0.054	0.022	0.194	0.013	774.722
C5H12	0.006	0.395	0.079	0.039	0.304	0.019	1169.598
C6H14	0.018	1.354	0.272	0.130	1.041	0.068	4327.556
合计			2.103	1.710	10.289	0.762	41135.366

2.2. 辐射室传热计算分析

根据表1以及加热炉设计的固定参数值，最终通过热力学计算出的结果如表2所示。输入辐射室的热量有：燃料的放热量Q_L、燃烧空气的显热Q_a、燃料的显热Q_f。输出辐射室的热量：辐射室有效利用热量Q_er、出辐射室烟气带走的热量Q_1p、炉壁散热损失热量Q₂，辐射室热平衡为：

$Q_{\text{R}1}=Q_{\text{er}}B$ (1)

式中Q_er——单位燃料在辐射室的有效利用热量，kW/kg或kW/Nm³；

B——燃料用量，kg/h或Nm³/h；

Q_R1——辐射室热负荷，kW。

Table 2. Radiation chamber heat transfer calculation table

表2. 辐射室传热计算表

各种参数	QL (kJ/kg)	Qa (kJ/kg)	Qf (kJ/kg)	Qer (kJ/kg)	Q1p (kJ/kg)	Q2 (kJ/kg)	B (kg/h)
结果	41135.37	4480.00	3150.19	33801.63	14553.00	411.35	386.35

再根据公式(2)进行吸热的传热计算，介质在辐射段吸热，取h_Rc = 8.3 [2]，

$Q_{\text{R}}=5.73\times {10}^{-3}\alpha A_{\text{CP}}F\left[{\left(\frac{T_{\text{g}}}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_{\text{W}}}{100}\right)}^4\right]+h_{\text{Rc}}{A}_{\text{R}}\left(T_{\text{g}}-T_{\text{W}}\right)\times {10}^{-3}$ (2)

式中αA_CP——当量冷平面，m²；

F——交换因数；

T_g——炉膛温度，K；

T_w——辐射室炉管外壁表面温度，K；

h_Rc——辐射室对流传热系数，W/(m²∙℃)；

A_R——辐射室炉管的外表面积，m²

计算出Q_R < Q_R1，说明假定的烟气温度较低，重新假定为t_g = 775℃，通过计算得到辐射段吸热为3567 kW。而辐射段的烟气放有效热3569 kW二者数值相近，基本达到了平衡，可认为775℃为辐射室炉膛温度。

3. 加热炉反应模型

加热炉热负荷为4.35 MW，炼油厂加热炉内的燃烧模型可视为充分混合的理想反应器模型，质量交换和能量交换过程示意图如下图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of the combustion model of the heating furnace

图1. 加热炉燃烧模型示意图

炼厂气的主要成分包括氢气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，在辐射室中进行的反应有：

$C{H}_4+2O_2\to C{O}_2+2H_{2}O$ (3)

$C{}_{2}H{}_6+3.5O_2\to 2C{O}_2+3H_{2}O$ (4)

$C_3{H}_8+5O_2\to 3C{O}_2+4H_{2}O$ (5)

${\text{C}}_{\text{4}}{\text{H}}_{\text{10}}\text{+6}{\text{.5O}}_{\text{2}}\to {\text{4CO}}_{\text{2}}{\text{+5H}}_{\text{2}}\text{O}$ (6)

${\text{H}}_{\text{2}}\text{+0}{\text{.5O}}_{\text{2}}\to {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$ (7)

质量守恒方程有：

${\dot{m}}_{\text{in}}+{\dot{m}}_{\text{air}}={\dot{m}}_{\text{gas}}$ (8)

${\dot{m}}_{\text{i}}={\dot{m}}_{\text{gas}}{y}_{\text{i}}$ (9)

i组分方程(以甲烷为例)：

${\dot{m}}_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}={\dot{m}}_{\text{gas}}{y}_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}$ (10)

式中，${\dot{m}}_{\text{in}}$为炼厂气的质量，${\dot{m}}_{\text{air}}$为助燃空气的质量，${\dot{m}}_{\text{gas}}$为烟气的质量，${\dot{m}}_{\text{i}}$为炼厂气i组分的生成量，$y_{\text{i}}$ 为炼厂气i组分的质量分数。

能量守恒方程为：

$Q_{\text{total}}=Q_{\text{air}}+Q_{\text{[fuel]}}$ (11)

炼厂气燃烧所释放的能量为：

$Q_{\text{[fuel]}}={\dot{m}}_{\text{[fuel]}}{h}_{\text{[fuel]}}$ (12)

预热空气的显热为：

$Q_{\text{air}}={\dot{m}}_{\text{air}}\left[{\overline{h}}_{\text{air}}\left(T_{\text{air}}\right)-{\overline{h}}_{\text{air}}\left(\text{298}\right)\right]$ (13)

加热炉能量守恒方程为：

$Q_{\text{out}}/\dot{m}+{\displaystyle \sum y_{\text{[i]}}{h}_{\text{[i]}}\left(T\right)-{\displaystyle \sum y_{\text{[i]in}}{h}_{\text{[i]in}}}}=\text{0}$ (14)

式中

$h_{\text{i}}\left(T\right)=h_{\text{f,i}}^{\text{0}}\text{+}{\displaystyle {\int }_{{\text{T}}_{\text{re}}{}_{\text{f}}}^{\text{T}}{c}_{\text{p,i}}\text{d}T}$ (15)

通过质量守恒和能量守恒方程，在上述假设的稳态条件下(以甲烷为例)：

$\text{16}{\dot{\omega }}_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}V+\dot{m}\left(y_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]\text{,in}}-y_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}\right)=0$ (16)

${\dot{\omega }}_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}=-k_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}{\left(\frac{pM{W}_{\text{mix}}}{R_{\text{u}}T}\right)}^{1.5}{\left(\frac{y_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}}{16}\right)}^{0.7}{\left(\frac{y_{\left[{\text{O}}_{\text{2}}\right]}}{32}\right)}^{0.8}$ (17)

$k_{\left[{\text{CH}}_{\text{4}}\right]}=\text{6}\text{.77}\times {\text{10}}^{\text{12}}\text{exp}\left(\frac{-36914.67}{T}\right)$ (18)

${\text{MW}}_{\text{mix}}\text{=}\frac{\text{1}}{\frac{y_{{\text{[CH}}_{\text{4}}\text{]}}}{\text{16}}\text{+}\frac{y_{{\text{[C}}_{\text{2}}{\text{H}}_{\text{6}}\text{]}}}{\text{30}}\text{+}\frac{y_{{\text{[C}}_{\text{3}}{\text{H}}_{\text{8}}\text{]}}}{\text{44}}\text{+}\frac{y_{{\text{[C}}_{\text{4}}{\text{H}}_{\text{10}}\text{]}}}{\text{58}}\text{+}\frac{y_{{\text{[H}}_{\text{2}}\text{]}}}{\text{2}}\text{+}\frac{y_{{\text{[O}}_{\text{2}}\text{]}}}{\text{32}}\text{+}\frac{y_{\left[{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\right]}}{\text{18}}\text{+}\frac{y_{{\text{[CO}}_{\text{2}}\text{]}}}{\text{44}}\text{+}\frac{y_{{\text{[N}}_{\text{2}}\text{]}}}{\text{28}}}$ (19)

式中：C_P,i——为炼厂气i组分的定压比热容，J/(kg∙K)；

${\dot{\omega }}_{{\text{[CH}}_{\text{4}}\text{]}}$——为甲烷的生成率；

MW_mix——为燃料气混合组分的摩尔质量[3]。

加热炉的体积V为106.46 m³，热负荷Q为4.35 MW。上述模型中共有9个方程，有9个参数T、

$y_{{\text{[CH}}_{\text{4}}\text{]}}$ 、$y_{{\text{[C}}_{\text{2}}{\text{H}}_{\text{6}}\text{]}}$ 、$y_{{\text{[C}}_{\text{3}}{\text{H}}_{\text{8}}\text{]}}$ 、$y_{{\text{[C}}_{\text{4}}{\text{H}}_{\text{10}}\text{]}}$ 、$y_{{\text{[CO}}_{\text{2}}\text{]}}$ 、$y_{{\text{[H}}_{\text{2}}\text{]}}$ 、$y_{\left[{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\right]}$ 和$y_{{\text{[N}}_{\text{2}}\text{]}}$ 要确定。

4. 结果分析与讨论

富氧燃烧技术是指利用比普通空气含氧量更高(21%)的空气作为助燃剂进行燃烧。通过提高助燃剂中的氧含量，助燃剂中的氮含量相应降低，从而有效地解决了许多与氮有关的问题。富氧环境增强了燃料–氧气的接触，提高了火焰温度，加强了炉内的辐射传热，减少了燃烧室内的气体体积；因此发达国家将富氧燃烧技术称为“资源创造技术”。富氧燃烧在钢铁和有色金属冶炼、玻璃制造工艺、垃圾焚烧和其他各种工业中有着广泛的应用。此外，在发动机[4]-[6]、水泥分解窑[7]、流化床[8]、锅炉[9]等设备上也进行了研究。

4.1. 结果验证

以兰州地区氧浓度为研究基础，练厂气的组分复杂，各组分及产物的低位热值根据表1和表2中的参数。采用集中参数法进行计算，预测加热炉内的平衡温度和平衡产物，程序计算结果准确性按照三个参数进行验证，分别是加热炉内的平衡温度及组分中CO₂和H₂O的含量。其中加热炉内的平衡温度传热计算的结果为775℃，程序计算结果炉膛温度为1042 K = 769℃，误差为0.77%。平衡产物中二氧化碳和水的质量分数，以及氧含量从18.55%增加到26%的计算结果如下图2所示。

由图2(a)和图2(b)可以发现，对产物中二氧化碳和水的含量而言，程序的计算结果略小于理论值，以理论值为基准，两者的计算结果产物中二氧化碳的最大误差为6.71%，最小为5.04%，产物中水的最大误差为8.56%，最小为6.44%。究其原因，理论值是练厂气完全燃烧的结果，与工程实际本身具有一定差距，另外，程序计算中引起的截断误差的迭代步长可能会带来一定误差。分析发现本文采用的程序合理，计算结果误差较小，可用于后续的分析研究。

(a) 二氧化碳的质量分数 (b) 水的质量分数

Figure 2. Equilibrium the mass content of carbon dioxide and water in the product

图2. 平衡产物中二氧化碳和水的质量分数

4.2. 不同氧含量情形下的炉膛温度结果

进入辐射室的预热空气中氧含量从18.55%增至26%时，根据模拟计算结果辐射室温度随氧含量变化规律见图3所示。图3可以看出随着氧含量的增加，炉膛温度逐渐增大[10]，结合模拟计算的炉膛温度结果可以得出炉膛中三原子气体的质量分数增大导致传热效果更好。炉膛温度从1042 K增加到1067 K，辐射室在设备能够承受的温度范围内燃料的燃烧也更加充分，进一步说明该模型的模拟计算结果与加热炉的辐射室内的燃烧反应相一致。

Figure 3. Changes in furnace temperature under oxygen-rich conditions

图3. 富氧条件下炉膛温度的变化情况

4.3. 结论

本文以加热炉为研究对象，应用练厂气为燃料，加热炉热负荷4.35 MW，采用集总参数法对加热炉辐射室建立燃烧模型，研究了加热炉内的炉膛温度和富氧燃烧工艺中平衡反应产物组分的变化特性，现将得出的结论总结如下：

a) 以单位体积炼厂气为基准，按完全燃烧统计排烟损失进行计算，通过传热计算得到加热炉内的平衡温度为775℃，建模之后模拟计算结果炉膛温度为769℃，误差为0.77%；

b) 以兰州地区氧含量18.85%为基础提高到26%，炉膛温度升高了25℃，加热炉效率可提升1.57%。