Study of fuel composition influence on the radiative heat transfer in radiant tube furnace chamber

Full Text

В последнее время в трубчатых печах нефтеперерабатывающих заводов во многих случаях используется газообразное топливо, состав которого существенно отличается от состава природного газа. Это связано с необходимостью использования отходящих горючих газов от различных установок. Эти газы могут содержать большое количество тяжёлых алканов, непредельные углеводороды, азот. Кроме того, в некоторых случаях топливный газ трубчатых печей может содержать очень высокую концентрацию водорода (иногда – выше 90 %). В этой связи представляет интерес исследовать влияние изменения состава топлива на характеристики печей, спроектированных для работы на природном газе. В настоящей работе представлены результаты исследований воздействия состава топлива, метода его сжигания, наружной температуры труб и размеров радиантной камеры на свойства продуктов горения и радиационный теплообмен в печах разного размера. Численное исследование проводилось как для сжигания топлив, состоящих лишь из одного компонента (СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, Н2), так и для их смесей, а также смесей, включающих непредельные углеводороды (С2Н4, С3Н6) и азот. На некоторых заводах концентрация непредельных углеводородов может доходить до 40%, а концентрация азота – до 10%. Изменение состава топлива влияет на его теплотворную способность, температуру горения, на концентрацию излучающих газов в продуктах горения (водяного пара, диоксида углерода, оксидов серы), а также на излучательные характеристики факела, который может содержать также сажевые частицы. В настоящее время всё большее применение находят горелки, позволяющие осуществлять ступенчатое сжигание топлива, включающее зоны диффузионного горения с высокой концентрацией сажевых частиц, оказывающих существенное влияние на теплообмен излучением в радиантной камере трубчатых печей. Использование таких горелок позволяет снизить концентрацию оксидов азота в продуктах горения. Влияние факела, содержащего сажевые частицы, на радиационный теплообмен в камере сгорания определяется размером факела и концентрацией этих частиц. При численном исследовании теплопереноса в камерах сгорания это влияние учитывается специальным коэффициентом m. Представляет также интерес оценить влияние различных составов топлива, имеющих одно и то же соотношение СН= NС/NН чисел атомов углерода (NС) и водорода (NН). При одинаковых СН для одних и тех же коэффициентов избытка воздуха состав продуктов горения один и тот же, но теплотворная способность топлива разного состава и, соответственно, теоретическая температура горения различны, что, в свою очередь, влияет как на степень черноты продуктов, так и на теплоперенос в целом. При исследовании соотношение СН в топливе варьировалось в диапазоне от 0,25 до 0,4, что отвечает составам топлив, использующихся в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах. Численное исследование проводилось для коэффициента избытка воздуха α, равного 1,15, что соответствует требованиям стандартов, регламентирующих работу трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов. Температура продуктов горения в радиантной части печи неравномерна. Наибольшее возможное значение этой температуры соответствует адиабатической температуре (Тm), рассчитываемой в предположении отсутствия теплообмена и диссоциации продуктов горения. Эта величина обычно используется при определении некоторой эффективной температуры (), рассчитываемой с учётом температуры на выходе камеры сгорания (Тp). Температура Тp является функцией различных параметров и должна определяться с учётом теплообмена в печи, т.е. зависит от величины тепловоспринимающей поверхности. Нами выполнены численные исследования для различных величин с использованием разных значений Тp, а также с учётом процессов диссоциации продуктов горения. В настоящей работе приведены результаты исследований, полученные при использовании в качестве эффективной температуры продуктов горения адиабатической температуры Тm, что позволяет быстро оценить влияние состава газообразного топлива, характеристик горелочных устройств и размеров радиантной камеры трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов на радиационный теплоперенос в камере сгорания при переводе печи с природного газа на газообразное топливо другого состава. Оценка влияния состава топлива на теплопередачу в радиантной части печи проводилась с использованием следующего критерия: , где – удельный (на единицу поверхности) радиационный теплоперенос при сжигании топлива с соотношением чисел атомов углерода и водорода в горючих компонентах, равным СН; – удельный (на единицу поверхности) радиационный теплоперенос при сжигании метана (СН=0,25); S – средняя длина пути луча в радиантной камере печи; – температура наружных стенок труб печи; m – коэффициент, учитывающий относительное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем. Средняя длина пути луча в камере сгорания печи S варьировалась в процессе исследований в диапазоне 2 – 5 м. Температура наружных стенок труб печи варьировалась в диапазоне 250 – 500 ºС. Коэффициент m изменялся от 0 до 0,3. При m=0 предполагается беспламенное сжигание топлива, когда отсутствуют сажевые частицы. Значения m, отличные от 0, учитывают частичное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем, что характерно для горелок c частично диффузионным горением, позволяющим снизить концентрацию оксидов азота. Радиантная камера печи предполагается полностью экранированной тепловоспринимающими трубами. Удельный радиационный теплоперенос от продуктов горения к стенкам камеры сгорания может быть определён следующим образом [1]: , где – степень черноты поверхности труб, σ – постоянная Стефана – Больцмана, и – интегральные значения степени черноты и поглощательной способности газа при соответствующих абсолютных температурах газа и поверхности. Следует отметить, что адиабатическая температура Тm является функцией . Для определения интегральных значений степени черноты продуктов горения с учётом излучения сажевых частиц использовалась нижеследующая методика, рекомендованная в нормативном методе теплового расчёта котельных агрегатов [2]. Степень черноты дымовых газов: , где: – степень черноты светящейся части пламени: , – коэффициент ослабления лучей светящейся части пламени : , – степень черноты несветящейся части пламени: , – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами: – коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами: , где α – коэффициент избытка воздуха, и – доля водяных паров и суммарная доля трёхатомных газов в продуктах сгорания, – давление в радиантной части печи, которое принималось равным 0,1 МПа. На основании численных исследований для величины получены следующие зависимости: – для беспламенного сжигания топлива (m=0; отсутствуют сажевые частицы): Kr = [(1,139 + 2,034·10-6·tст) – (7,847·10-4 – 1,186·10-6·tст) ·S] – [(0,522 + 1,356·10-6·tст) – (9,658·10-3 – 4,407·10-6·tст) ·S] ·CH – для сжигания топлива, учитывающего частичное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем (m≠0): Kr = [(1,004 – 2,255·m) – (3,322·10-5 + 1,118·10-4·m) ·tст] + [(3,333·10-4 + 0,155·m) + (6,78·10-6 – 1,017·10-5·m) ·tст]·S + [((–0,033 + 8,11·m) + (1,209·10-4 + 4,135·10-4·m) ·tст) – (0,47·m + (1,164·10-5 + 1,015·10-5·m) ·tст) ·S] ·CH Эти зависимости позволяют оценить влияние состава газообразного топлива (), характеристик горелочных устройств (m=0÷0.3), наружной температуры труб ( ºС) и размеров радиантной камеры трубчатых печей (S=2÷5 м) нефтеперерабатывающих заводов на радиационный теплоперенос в камере сгорания при переводе печи с природного газа на газообразное топливо другого состава. Они могут также использоваться и для других камер сгорания, работающих в том же диапазоне исследованных параметров .

About the authors

A. V. Vetkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avetkin@mail.ru

A. L. Suris

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.; +7(499) 267-12-10

References

Supplementary files