摘 要：介绍了影响加热炉热效率的影响因素，以计算流体力学、燃烧规律和能量守恒方程为基础，建立了天然气加热炉燃烧器的数值模型。使用Fluent软件对天然气加热炉燃烧器进行数值模拟，研究了燃料喷孔直径、喷孔角度、空气入口速度和甲烷入口温度与加热炉燃烧效果的联系。揭示了燃烧器燃烧效率低、冒黑烟问题的机理。研究结果明确了影响因素与加热炉热效率的关系。为进一步改进加热炉燃烧器的设计有指导意义。
关 键 词：加热炉燃烧器；数值模拟；Fluent软件
中图分类号：TE 963 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1889-03
Abstract： The influence factors of heat efficiency of the heating furnace were introduced， and the numerical model of the natural gas heating furnace was established based on the calculation of the fluid mechanics， combustion rule and the energy conservation equation. Fluent software was used in numerical simulation of natural gas heating furnace burner， the relationship between fuel spray hole diameter， nozzle angle， air inlet velocity， methane inlet temperature and the effect of heating furnace was studied. Mechanisms of low combustion efficiency and black smoke problem of the burner were revealed. The research results clarified the relationship between the influence factors and the heating efficiency of the heating furnace. This paper has good guiding significance for further improvement of design of the heating furnace burner.
Key words： heating furnace burner； numerical simulation； Fluent software
加熱炉是油气生产和输送中的重要设备，而燃烧器是加热炉的核心部分，加热炉燃烧器热效率的高低对燃料的能耗和环境的污染起着决定性的作用[1]。目前国内加热炉燃烧器的技术相较国外先进的燃烧器技术还有很大的差距，国内对燃烧器技术的研究相对较少，国外的加热炉燃烧器的燃烧效率要比国内的高出15%左右[2]。此外国内加热炉燃烧器还存在着许多的问题比如：喷嘴燃烧不均匀、炉膛温度分布不均匀和冒黑烟[3]等问题。针对这些问题，本文对天然气加热炉燃烧器建立了物理模型并进行了数值模拟。通过分析加热炉燃烧器的数值模拟结果，揭示了燃料喷孔直径、燃料喷孔角度和空气入口速度与加热炉燃烧效果的联系。
1 建立加热炉燃烧器的物理模型
本文所选天然气加热炉的燃烧器安放在炉膛的底部，炉膛的直径为1 m，高度为3 m，加热炉炉体宽为1 m，空气的入口直径为0.15 m。燃气喷头上有4个沿圆周方向平均分布的燃料喷嘴，喷射角度为β，喷孔直径为d[4]，如图1所示。
2.3 边界条件
（1）加热炉燃料用平均温度为900 K的天然气，氧化剂选用温度约300 K的空气。
（2）将尾端燃烧器的圆柱腔的入口面定义为Air-inlet，燃烧器上四个小型喷孔处的入口面定义为Gas-inlet[7]，定义加热炉顶端出口面为Outlet，边界条件采用压力出口，允许回流存在，其余边界定义为Wall。
3 数值模拟结果与分析
本文用Fluent软件对燃气流体[8]在加热炉中燃烧情况进行数值模拟[9]，主要研究了燃料喷孔直径、喷孔角度和空气入口速度与炉内燃烧[10]情况之间的关系。
3.1 燃料喷孔角度改变时，加热炉燃烧器周围的速度的分布情况
喷孔角度从40°增大至55°时，燃烧器周边流体的速度分布情况如图3所示。
由图3可看出流体在燃料喷口的上方有回流情况的发生，并且回流的范围是随着燃料喷孔角度的增大而增大。
从图5可看出，当燃料的喷孔直径为小直径时，在加热炉的下半部分位置处温度上升快，但到了加热炉的中上部分位置时出现了交叉点，此时随着燃料喷孔直径的增加，大直径喷嘴的温度升高速率要比小直径喷嘴的温度升高速率要快。
3.4 空气入口的速度的变化与加热炉膛中轴线上温度的分布规律
空气入口的速度从4 m/s增加到10 m/s时，炉膛中轴线的温度变化分布如图6所示。
由图6可以看出，当空气入口速度较小时，氧气与燃料气混合均匀，在燃烧炉中间位置处燃料转化效率最高，但随着高度增加转化效率开始降低；随着空气入口速度逐渐增大，刚开始燃料转化情况随着高度增加呈同步增加趋势，但到了加热炉的中间位置处出现了不同的增长趋势，空气入口的速度小的时候燃烧效率高于空气入口速度大时的燃烧效率。可适当降低空气入口的速度来提高燃烧效率应。
3.5 甲烷入口温度对燃烧转化率的影响不同的甲烷入口温度对加热炉热效率的影响
图7 表明了在甲烷入口温度不同的情况下，加热炉轴燃烧情况和轴向截面上氧气的质量分数变化曲线。由此可知，随着甲烷入口温度的升高，加热炉内轴向的氧气质量分数逐渐减小，这是因为甲烷温度越高，气体的分子越活跃，与氧气接触的概率也就越小，从而反应不充分，导致转化率将低低。
4 结 论
（1）燃料喷孔的直径变化对天然气在燃烧器中燃烧过程的影响明显。速度的峰值和射流的影响区域随着喷孔的直径逐渐减小而逐渐增大，温度分布也随之越来越均匀。
（2）燃料喷射角度对燃烧过程有一定的影响，随着燃料喷射角度的逐渐增大，加热炉中的温度分布的分布越来越均匀，燃烧效果更好，可减少有黑烟产生。
（3）随着空气入口流速的逐漸增加，天然气与空气的非预混燃烧过程不充分，燃料的转化率低，因此在燃烧过程中应适当地降低空气入口速度。
（4）甲烷入口温度为600 K时，燃烧器内氧气轴向平均体积分数最高，反应充分，转化率高。
参考文献：
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