使用CFD提高效率和减少排放

美国休斯顿Tailwater技术咨询有限责任公司副总裁Duraivelan Dakshinamoorthy

图1:通过强制风机、空气预热器、空气静压箱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提高效率，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，热能由燃料(气体、油或两者都有)燃烧释放，然后通过辐射管和对流管转移到加工流体中。然而，燃烧所提供的能量并没有全部转移到管中;因此，在石油和天然气工业中，燃烧加热器是能源的主要消费者。提高加热器的效率可以降低能耗，从而降低运行成本。在当前低原油价格的环境下，省一分钱就是赚一分钱。

燃烧的加热器在燃烧过程中产生废气排放到大气中。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，烟气还可能含有少量污染物(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，并满足限制化石燃料排放的严格环境法规。

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。万博Ansys流利现在被石油和天然气行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，此时更改成本最小。下面的例子可以让我们一窥Fluent在提高加热器效率和减少排放方面的应用。

图2:建议修改设计后的分布不均改进

控制过量空气的燃烧风管设计

对于完全燃烧，需要超过化学计量量的空气。燃烧加热器通常设计接收10%至15%的多余空气。过多的多余空气会降低加热器的效率，增加能耗。工程师们采用各种方法向燃烧的加热器输送适量的多余空气。自然取暖器是最常见的。它们简单而可靠，因为空气被辐射部分的气流吸入燃烧器。强制通风加热器需要一个强制通风(FD)风扇以提供更高压力的空气。风扇提供了更好的混合，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到所有燃烧器。

在设计阶段，Fluent被广泛用于调查和消除不均衡问题。分布不均，如果未被发现，将迫使燃烧加热器以更高速率过量空气或较低效率运行。图1显示了一个这样的燃烧空气管道系统。该系统从FD风机的进气口到单个空气室进行建模。燃烧空气通过APH和文丘里流量计。使用Fluent识别并消除了分布不均(参见图2)。

图3:多单元、多燃烧器加热器的火焰形状，以及图4:喷射点烟气中含水氨分布

燃烧火焰剖面建模

燃烧器制造商致力于寻找不同的方法来限制燃烧器中的NOx，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-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，是正确安置燃烧器和辐射管所必需的。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ULNBs的燃烧加热器时，经常使用Fluent来模拟辐射段的燃烧过程。图3显示了一个具有四个辐射部分(单元)和多个燃烧器的复杂燃烧加热器。火焰模式被确定，并检查与相邻燃烧器的相互作用。建立了辐射传热模型，并对辐射管上的金属温度进行了预测。具有较高辐射热通量的热点通常会引起结焦问题。Fluent在设计中发现了这一点，并进行了更改以减少热点。

设计可控硅系统降低NO_x排放

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

在可控硅反应器中，含水氨(NH3)通过注入网格(AIG)利用载体流(空气)注入烟道气体。注入的氨在烟道中与含有NOx的烟气混合。然后，混合流被送到SCR单元，其中包含一个催化剂床。然后氨与催化剂床中的NOx反应生成氮和水。该技术需要一个有效的喷射系统和优化的管道设计，以更好地减排。混合通常具有挑战性，因为注入氨的量(ppm)与烟道气体积相比非常小。图5显示了含有AIG的上游管道的可控硅单元。采用Fluent软件对注水网格和上游风道进行了设计。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是如何与烟气混合的(见图4)。

适当设计的加热器安全有效地运行，并控制排放。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增加加热器的寿命，最大限度地减少意外停机的风险。SCR装置通过有效的注入网格和优化的上游管道设计，提高了减排效率。

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