使用CFD来提高效率和减少排放

美国休斯敦尾水技术咨询有限公司副总裁

图1:通过强制风机、空气预热器、空气静压室和燃烧器的燃烧空气压力分布图

能源效率对于将原油和天然气转化为为全世界提供能源的燃料至关重要。模拟使石油和天然气行业能够提高效率并减少燃烧加热器的排放。

燃烧加热器是石油和天然气行业的能源主力。在燃烧的加热器中，热能通过燃料(气体、油或两者)的燃烧释放出来，然后通过辐射管和对流管转移到工艺流体中。然而，燃烧提供的所有能量并没有转移到管道中;因此，燃烧加热器是石油和天然气工业中主要的能源消费者。提高加热器的效率可以降低能耗，从而降低运行成本。在目前低油价的环境下，省一分钱就是赚一分钱。

燃烧的加热器从燃烧过程中产生排放到大气中的废烟道气。烟气主要是氮气(N2)、二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)和氧气(O2)。除此之外，烟道气还可能含有小浓度的污染物(排放物)，包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、微粒和金属。排放对环境有害，必须努力减少燃烧加热器产生的污染物，并符合严格的环境法规，限制化石燃料的排放。

为了提高效率和减少排放，正确理解燃烧加热器的设计是必不可少的。Ansys流利现在被石油和天然气工业广泛应用于设计燃烧加热器。Fluent允许工程师在项目的前端工程设计(FEED)/详细工程阶段可视化设计细节，在此阶段更改成本最小。下面的案例可以让我们一窥Fluent在提高加热器效率和减少排放方面的应用。

图2:改进后设计的不均匀分布

控制多余空气的燃烧风道设计

为了完全燃烧，需要超过化学计量量的空气。燃烧式加热器通常设计为接收10%到15%的多余空气。过多的多余空气会降低加热器的效率，增加能源消耗。工程师采用各种方法将适量的多余空气输送到燃烧的加热器中。自然通风加热器是最常见的。它们简单可靠，因为空气是由辐射部分的气流吸入燃烧器的。强制通风加热器需要一个强制通风(FD)风扇来提供更高压力的空气。风扇提供更好的混合，所以一个可以有多个较小的燃烧器。在某些情况下，强制通风加热器配备空气预热器(APH)，以提高加热器效率。由于空气是通过歧管和空气静压室供应的，设计工程师必须确保空气均匀地供应给所有燃烧器。

在设计阶段，Fluent被广泛用于调查和消除不均匀分布问题。不均匀分布，如果未被检测到，将迫使燃烧的加热器以更高的速率过量空气或更低的效率运行。图1显示了一个这样的燃烧风道系统。该系统从FD风扇的进气口到单个气腔进行了建模。燃烧气流沿途通过APH和文丘里流量计。使用Fluent识别并消除了不均匀分布(参见图2)。

图3:多电池、多燃烧器加热器的火焰形状，以及图4:从喷射点进入烟气中的氨水剖面

燃烧火焰廓形建模

燃烧器制造商致力于寻找不同的方法来限制燃烧器的NOx排放，计算流体动力学(CFD)在开发和设计下一代超低NOx燃烧器(ulnb)中发挥了重要作用。在大多数情况下，燃料/空气分级方法用于限制NOx的燃烧，这通常会导致更冷但更长的火焰。

在具有多个ulnb的大型炉中，存在火焰与火焰相互作用和火焰撞击管的可能性。火焰长度通常是一个关键的燃烧器参数，需要适当放置燃烧器和辐射管。辐射箱内的烟气再循环也会影响火焰形态。

在设计具有多个ulnb的燃烧加热器时，通常使用Fluent对辐射段的燃烧过程进行建模。图3显示了一个这样的复杂燃烧加热器，有四个辐射部分(单元)和多个燃烧器。识别火焰模式并检查与邻近燃烧器的相互作用。建立了辐射传热模型，并对辐射管内金属温度进行了预测。具有较高辐射热通量的热点常常引起焦化问题。Fluent在设计中发现了这一点，并进行了更改以减少热点。

设计可控硅系统以减少NO_x排放

没有_x可通过两种方法控制排放:燃烧前技术(利用超低碳垃圾、烟气再循环等)和燃烧后技术。选择性催化还原(SCR)是一种燃烧后NOx还原技术。

使用SCR，含水氨(NH3)通过注入网格(AIG)使用载体流(空气)注入烟气中。注入的氨与烟道中含有氮氧化物的烟气混合。然后将混合流送入SCR装置，该装置包含一个催化剂床。然后氨与催化剂床上的氮氧化物反应生成氮和水。这项技术需要一个有效的喷射系统和优化的管道设计，以更好地减少排放。混合通常具有挑战性，因为注入的氨量(ppm)与烟气量相比非常小。图5显示了一个SCR装置，其上游管道包含AIG。射流网格和上游风管的设计采用Fluent软件。Fluent中的后处理工具使工程师能够了解注入的氨在到达催化剂床层时与烟气的混合情况(见图4)。

适当设计的加热器在控制排放的情况下安全有效地运行。控制过量空气可以减少燃料消耗，提高效率。了解火焰模式和由此产生的管金属温度可以延长加热器的使用寿命，并将意外停机的风险降至最低。有效的注入网格和优化的上游管道设计提高了SCR装置的减排效率。

在所有讨论的案例中，Fluent在加热器设计中发挥了关键作用，并增加了实际的工程价值。