基于正交实验的顶燃式加热炉结构参数敏感性分析及其热性能改进

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Orthogonal Experiment-Based Sensitivity Analysis of Structural Parameters for Thermal Performance Improvement of Top-Fired Heating Furnace

　　## 摘要顶燃式加热炉是油页岩精炼过程中的关键热工设备。常规顶燃式加热炉通常存在炉内温度均匀性不佳和过量的氮氧化物（NO?）排放问题，导致不可避免的环境污染。为了提高综合燃烧性能并减轻 NO? 污染，本研究提出了一种改进的顶燃式加热炉结构，将传统的侧置燃气和空气喷嘴重新布置为顶喷式布局。采用 L??(43) 正交实验方案，系统研究了三个关键结构参数——空气喷嘴数量（A）、燃气喷嘴数量（B）和空气喷嘴倾角（C）——对四个燃烧评价指标的影响水平：最高燃烧温度、平均燃烧温度、NO? 排放浓度和烟气热量输出。采用极差分析和方差分析量化每个参数的相对显著性。结果表明，空气喷嘴数量对最高截面温度和炉出口 NO? 浓度具有显著影响，而燃气喷嘴数量和空气喷嘴倾角的影响仅不显著。得益于改进的结构设计，新型顶燃式加热炉在所有 16 个测试案例中的 NO? 排放浓度均降低至 50 mg/Nm3 以下。识别出的参数趋势为所调查参数范围内的喷嘴结构改进提供了方向性指导；该方法论可轻易扩展到其他炉型配置，但对于差异较大的设计条件，定量结论应重新验证。## 引言页岩油是通过油页岩低温焙烧获得的，作为石油的补充能源之一 [1,2]。作为焙烧过程中的大型供热单元，加热炉为油页岩焙烧提供高温热载体 [3]。油页岩工业中顶燃式加热炉的结构原理与冶金工业中顶燃式热风炉相似，如图 1 所示。运行周期包括燃烧期和加热期。在燃烧期间，燃料气燃烧产生高温烟气，加热下腔室的蓄热器并储存热量。在加热期间，冷循环气体进入蓄热器，提取热量，并转化为热循环气体用于油页岩焙烧炉。先前的研究涉及加热炉和热风炉的各个方面。Shuo [4] 采用数值模拟方法研究了不同倾角的圆柱形炉。研究表明，随着倾角的减小，炉内回流减少，反应速率降低，温度升得更高，炉管吸热能力增加，出口 NO? 浓度降低。Zhang 等人 [5,6] 对顶燃式热风炉进行了数值模拟研究。研究发现，喷嘴的排列模式对顶燃式热风炉的性能有显著影响，热风炉颈部的优化能使燃烧室和蓄热器中的烟气分布更加合理。Zhao 等人 [7] 研究了顶燃式热风炉燃烧室内的流场、温度场和浓度场，得出了热风炉的最佳操作条件：在燃烧空气流量恒定为 65,000 Nm3 的情况下，当空燃比系数在 1.0 到 1.3 之间时，可以达到合适的操作条件。Qi 等人 [8] 关注钢铁工业中顶燃式热风炉的燃气和空气进气管的结构改进，特别是优化了进气管的排列。他们将进气管沿环形腔的圆周均匀排列；这种新型热风炉可以促进燃料气和空气更高效的混合，并进一步提高燃烧过程的性能。Zhao [9] 对顶燃式热风炉进行了数值模拟。通过对数值模拟结果和工业热风炉测量数据的回归分析，获得了燃烧期间拱顶温度与供风期间热风温度之间的大致线性关系。具体来说，拱顶温度每增加 10 °C，热气温度增加约 16 °C。Jia 等人 [10] 研究了再生加热炉不同出口压力条件对炉内速度场和压力场的影响。结果表明，一方面，增加出口负压可以显著增加出口外烟气的流速，但对炉腔其他部分烟气的流速影响较小；另一方面，它只能影响沿炉宽度方向的压力水平，而不能影响该方向的压力分布。除此之外，关于燃烧器对 NO? 排放影响的研究也至关重要。Su 等人 [11] 对工业低氮螺旋燃烧器进行了模拟研究，并设计了一种新的内二次风锥结构，以显著提高燃烧器的性能。Guo 等人 [12] 研究了钢铁工业热风炉中不同数量的燃烧器喷嘴对燃烧室内流场和温度分布的影响。结果表明，19 或 21 个燃烧器喷嘴是实现最佳流场和温度分布的优选方案。Xu 等人 [13] 通过调整燃烧器每个喷嘴的喷射角，改善了燃料和空气在燃烧器内部的扩散效果，从而实现低氧燃烧，避免局部高温，最终减少热 NO? 的排放。尽管上述研究涉及加热炉的各个方面，包括热效率、压力场、速度场和温度场，但通过结构改造实现燃烧室内温度均匀分布——从而实现分散燃烧并减少 NO? 排放——的研究仍然相对有限。常规顶燃式加热炉的燃料气和空气喷嘴布置在侧壁上，这容易导致温度分布不均匀和高 NO? 排放，难以满足日益严格的排放标准。我们之前的工作 [14] 提出了一种将喷嘴从侧壁移至顶部的新型结构，并初步验证了该配置在提高温度均匀性和减少 NO? 排放方面的可行性。在此基础上，本研究进一步研究了三个关键结构参数——空气喷嘴数量、燃气喷嘴数量和空气喷嘴倾角——对燃烧和排放性能的耦合作用。与参考文献 [14] 侧重于验证顶喷配置的可行性不同，本研究采用正交实验设计 [[15], [16], [17]] 结合 CFD 模拟，系统地量化了每个参数的敏感性。需要注意的是，本研究进行的是敏感性分析，而不是正式优化，推导出的参数规律严格受预设参数范围的限制。本工作对过程强化的贡献有三点：(1) 将喷嘴移至顶部，通过射流冲击和回流增强混合；(2) 提供一种系统敏感性分析方法，以识别主导结构参数；(3) 在所有测试案例中实现 NO? 排放低于 50 mg/m3。## 章节片段### 几何模型和计算域油页岩焙烧过程中使用的顶燃式加热炉如图 2 所示。炉体为圆柱形，带有半球形穹顶，由预燃室、燃烧室和蓄热器组成。炉的总高度为 29.70 m。预燃室高度为 6.40 m，内径为 4.484 m；燃烧室高度为 7.247 m，内径为 6.640 m；蓄热器高度为 13.680 m 以及### 数学模型数值模拟使用商业 CFD 软件 ANSYS Fluent 进行。本研究采用的数学模型与我们之前的工作 [14] 中经过验证并报告过的相同，在该工作中研究了相同的顶燃式加热炉配置。本研究不涉及开发新的 CFD 模型或修改现有的传热和燃烧模拟模型；而是采用已建立的模型来执行### 结果与讨论16 个正交测试案例的模拟结果总结在表 4 中。为了比较和分析不同运行条件下的特性，选择 Z=0 平面作为参考平面。在该平面上，比较和分析了不同运行条件下的流线分布图、温度分布和混合分数分布轮廓图。这里，X 和 Y 代表 Z=0 平面上的位置坐标，单位为米，### 结论本研究结合了正交实验设计和 CFD 模拟进行敏感性分析，量化了顶喷喷嘴布局的顶燃式加热炉的三个核心喷嘴结构参数与四个燃烧评价指标之间的相关性。主要成果总结如下：* (1) 重新设计的顶喷结构大幅降低了 NO? 排放。所有十六个正交测试案例的 NO? 浓度均保持在 50 mg/Nm3 以下，这证明了卓越的### 作者贡献声明**Chunhua Wang:** 撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。**Xiaoxue Li:** 撰写 – 原稿，验证，软件，调查。**Yue Yue:** 撰写 – 审阅与编辑，项目管理，方法论。**Lina Liu:** 可视化。**Ying Su:** 数据整理。**Mingqi Zhang:** 形式分析。**Yongzhao Wang:** 软件。**Zhiyong Hu:** 资源，项目管理。**Yulin Yan:** 方法论。Chunhua Wang|Xiaoxue Li|Yue Yue|Lina Liu|Ying Su|Mingqi Zhang|Yongzhao Wang|Zhiyong Hu|Yulin Yan辽宁石油化工大学机械工程学院，中国抚顺 113001