2.3 MW加氢精制加热炉富氧燃烧特性的CFD模拟

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.004

辽宁石油化工大学学报 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3): 25-32.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.004

2.3 MW加氢精制加热炉富氧燃烧特性的CFD模拟

赵德强¹(), 魏海龙², 王甲麟², 李刚², 王良成³()

^1.中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司，甘肃兰州 730060
^2.兰州交通大学化学化工学院，甘肃兰州 730070
^3.兰州交通大学铁道车辆热工教育部重点实验室，甘肃兰州 730070

收稿日期:2025-06-25 修回日期:2025-08-18 出版日期:2026-06-25 发布日期:2026-06-10
通讯作者: 王良成
作者简介:赵德强（1973—），男，硕士，高级工程师，从事加氢装置生产工艺及安全管理方面的研究；E⁃mail：zhaodq⁃1@petrochina.com.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52176074);兰州交通大学加热炉富氧燃烧技术开发项目(LZSH?2023?JS?210)

CFD Simulation of Oxygen⁃Enriched Combustion Characteristics of 2.3 MW Hydrofining Heating Furnace

Deqiang ZHAO¹(), Hailong WEI², Jialin WANG², gang LI², Liangcheng WANG³()

^1.PetroChina Lanzhou Petrochemical Company，Lanzhou Gansu 730060，China
^2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China
^3.Key Laboratory of Railway Vehicle Thermodynamics，Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China

Received:2025-06-25 Revised:2025-08-18 Published:2026-06-25 Online:2026-06-10
Contact: Liangcheng WANG

摘要/Abstract

摘要：

管式加热炉是炼油化工装置的关键供热单元和能耗大户。改善燃料的燃烧效果，提高加热炉的热效率，对炼油化工装置的节能减排具有一定的现实意义。以航空煤油加氢精制装置的管式加热炉为研究对象，采用计算流体动力学（CFD）模拟方法，基于标准k?ε湍流模型、组分输运燃烧模型以及P?1辐射模型，通过改变助燃空气中氧体积分数，分析了氧体积分数对现有加热炉的辐射室温度、炉管表面平均温度以及燃烧器炉嘴温度分布的影响。结果表明，当氧体积分数在18.55%～26.00%的范围内变化时，氧体积分数对炉内温度场和燃烧效率有显著影响，现有的加热炉辐射室、炉管和火嘴能完全满足富氧燃烧的需要。

关键词: 管式加热炉, 辐射室温度, 富氧燃烧, CFD模拟, 氧体积分数

Abstract:

The tubular heating furnace is a key heating unit and a major energy consumer in refinery and chemical plants.Improving fuel combustion efficiency and the thermal efficiency of the heating furnace is of practical significance for energy conservation and emission reduction in these facilities. In this paper, the tubular heating furnace of aviation kerosene hydrofining unit is studied. The computational fluid dynamics (CFD) simulation method is adopted, and the standard k?ε turbulence model, component transport combustion model and P?1 radiation model are used. The temperature of the furnace, the average temperature of the surface of the furnace tube and the temperature distribution of the burner were investigated by changing the oxygen content of the combustion air. The results indicate that when the oxygen volume fraction changes in the range of 18.55%-26.00%, the oxygen volume fraction change has a significant impact on the temperature field and combustion efficiency in the furnace, and the existing radiation chamber, furnace tube and burner fully meet the needs of oxygen?rich combustion..

Key words: Tubular heating furnace, Radiant chamber temperature, Oxygen?enriched combustion, CFD simulation, Oxygen volume fraction

中图分类号:

TE08

赵德强, 魏海龙, 王甲麟, 李刚, 王良成. 2.3 MW加氢精制加热炉富氧燃烧特性的CFD模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2026, 46(3): 25-32.

Deqiang ZHAO, Hailong WEI, Jialin WANG, gang LI, Liangcheng WANG. CFD Simulation of Oxygen⁃Enriched Combustion Characteristics of 2.3 MW Hydrofining Heating Furnace[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2026, 46(3): 25-32.

图/表 13

图1 辐射室及辐射室炉管的模型图（a）辐射室（b）辐射室炉管

Fig.1 Model diagram of the radiant chamber and radiant chamber furnace tube

表1 加热炉网格划分参数设置

Table 1 Parameters settings for grid division of the heating furnace

参数	数值
单元尺寸/m	0.2
增长率	1.2
质量目标偏度	0.9
膨胀过渡比	0.272
网格数量	4 681 729

图2 加热炉网格划分示意图

Fig.2 Schematic diagram of grid division for the heating furnace

表2 燃料气的组成

Table 2 Composition of fuel gas

组分	体积分数/%
H₂	42.32
N₂	13.33
CH₄	26.21
C₂H₆	7.38
C₃H₈	3.88
C₄H₁₀	6.04
CO₂	0.84

图3 加热炉物料进出口示意图

Fig.3 Schematic diagram of material in and out of the heating furnace

表3 不同氧体积分数下燃料气及空气的入口速度

Table 3 Inlet velocities of fuel gas and air at different oxygen volume fractions

氧体积分数/%	入口速度/（m·s^－1）
氧体积分数/%	燃料气	空气
18.55	0.700	1.832
20.00	0.732	1.836
21.00	0.733	1.838
22.00	0.734	1.840
23.00	0.735	1.841
24.00	0.734	1.843
25.00	0.736	1.845
26.00	0.737	1.846

图4 氧体积分数为18.55%的工况下辐射室出口烟气温度分布云图

Fig.4 Cloud map of flue gas temperature distribution at the outlet of the radiant section under the condition of oxygen volume fraction of 18.55%

图5 氧体积分数为18.55%工况下的辐射室炉管温度分布示意图

Fig.5 Temperature distribution diagram of the radiant chamber furnace tubes under the condition of oxygen volume fraction of 18.55%

图6 辐射室不同高度截面处的温度分布云图

Fig.6 Temperature distribution map at different heights of the radiation chamber

图7 不同氧体积分数下烟气离开辐射室的温度分布云图

Fig.7 Temperature distribution map of flue gas leaving the radiation chamber under different oxygen volume fractions

图8 不同氧体积分数下烟气离开辐射室的温度变化曲线

Fig.8 Temperature variation curve of flue gas leaving the radiation chamber under different oxygen volume fractions

图9 不同氧体积分数下炉管表面平均温度变化曲线

Fig.9 Curve showing the variation of the average surface temperature of the furnace tube under different oxygen volume fractions

图10 不同氧体积分数下的燃烧器炉嘴温度

Fig.10 Furnace nozzle temperatures of the burner under different oxygen volume fractions

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2.3 MW加氢精制加热炉富氧燃烧特性的CFD模拟

CFD Simulation of Oxygen⁃Enriched Combustion Characteristics of 2.3 MW Hydrofining Heating Furnace

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