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本课题是中石化总公司重点攻关项目"加热炉能级分析方法研究及节能新技术开发"及与中石化总公司金陵分公司合作项目"新型焦化炉专用油气联合燃烧器的研制"的部分研究内容.目的是深入研究燃烧器燃烧火焰的控制方法,探索火焰形态与辐射传热效率的规律,综合掌握管式加热炉内湍流流动、燃烧和传热过程特性,开发管式加热炉相关的节能降耗技术.为此,本文采用了实验与数值模拟相结合的方法,对气相燃烧器火焰控制,燃油燃烧器开发,燃烧火焰的辐射传热能力,管式炉内湍流流动、燃烧、传热,炉管内多相流动与传热等方面,以燃烧器—炉膛—炉管为研究路线,进行了较为细致完整的研究.
验证了模拟旋流燃烧过程的数学模型,考察了不同旋流数和不同热负荷工况下空气旋流燃烧特性,获得了计算区域内速度、温度、组分浓度分布以及火焰形态特性的详细信息.计算结果表明随旋流数增大,燃烧火焰高温区域变短变宽,火焰形态变化明显,可见调节旋流数是控制火焰形态的有效方式之一;同时热负荷的变化对旋流燃烧火焰形态变化有较大影响,随热负荷增大,燃烧火焰高温区域变长,宽度略有增大,因此对实际运行的工业炉特别是管式加热炉,在考虑火焰与炉型匹配方式方面,也需考虑热负荷变化的影响.
针对液雾燃烧特点,对燃油燃烧器喷嘴进行了流量特性和雾化特性实验,获得了相对最优的喷嘴结构数据.
根据火焰辐射传热的基本规律,利用离散坐标辐射传热数学模型,采用自定义火焰辐射体形状的方法,考察了多种工况下火焰的辐射传热能力,结果表明:随火焰辐射体高度增大,辐射传热效率先增大后有所降低,通过对火焰高度与辐射传热效率关系的关联,认为火焰高度为炉管高度2/3是一较理想的高度.
在研究了燃烧器单火焰气相燃烧的基础上,进一步考察了管式加热炉内多火焰燃烧及传热过程特性.采用k-ε湍流模型、非预混燃烧模型和离散坐标辐射传热模型,建立了模拟延迟焦化炉内湍流流动、燃烧和传热过程的综合数值模拟计算模型,利用数值模拟的方法对焦化炉辐射室进行了多火焰燃烧及传热的三维耦合计算,对炉膛内燃烧过程、火焰辐射传热及烟气对流传热过程、管壁固体的热传导过程、管内介质的吸热过程进行了完整的数值计算,并对炉内不同的燃烧器排布方式工况进行了计算和分析;研究结果表明:通过采用合理的炉膛内燃烧器排布方式改善了炉膛内流场结构,一方面增强了炉管表面热流和温度分布的均匀性,防止局部过热,另一方面辐射室热效率有所提高,大致提高2-3个百分点. 建立并且验证了管内气液两相泡状流流动模拟的计算模型,进而研究了多种参数工况下,气液两相泡状流流动传热特性,在此基础上,建立了管内液体水相变过程模拟的数学模型,对液体水蒸发相变过程进行了探索性研究.