常压加热炉是炼油常减压蒸馏装置的重要部分,在管式炉炉管内的被加热油品通过加热炉进行加热后,吸收足够的热量进入后续设备中进行传热、传质、分馏及化学反应等。加热炉属于高耗能设备,加热炉内燃烧过程的直接关系到生产能否稳定运行,也关系到其节能减排的效果,需要在保证其稳定运行的条件下做好加热炉的优化工作。通过研究加热炉辐射室内的燃烧及流动传热情况,对加热炉的燃烧器进行改进,有利于提高能源利用率,并减少污染物的排放,为企业产生较大的经济效益。本文以圆筒式加热炉为研究对象,运用计算流体力学方法,建立了加热炉辐射室燃烧和炉管内流体流动传热的三维有限元分析模型。采用数值计算方法模拟辐射室的燃烧流动传热过程,通过对不同燃烧模型和辐射模型模拟结果的比较,最终确定采用适合本模型的组分输运燃烧模型和P-1辐射模型,得到了加热炉炉膛内温度分布、速度分布以及烟气中氮氧化物生成情况,通过与实际标定数据进行对比分析,验证了加热炉模型的准确性。通过改变燃烧器喷孔直径和通入炉内空气过剩量的大小,研究了燃料燃烧后炉膛内流场、温度场和氮氧化物生成量的变化情况,计算结果表明:喷孔直径的减小会使燃料喷射速度增加,从而使燃料燃烧反应速率加快,导致燃烧的火焰呈现出较短的形状。从优化传热的角度来说,立式加热炉火焰长度应为炉管长度的2/5～1/2较为适合。同时,烟气中的NOx排放量也会随着喷孔直径的减小而明显降低;改变空气过剩系数时,随着空气过剩系数的增大,燃烧反应过快使得火焰高度较低,导致炉膛的平均温度降低,炉膛温度分布不均匀。烟气中的NOx排放量会随着空气过剩系数的增加而降低。综合考虑,空气过剩系数控制在1.15左右时,加热炉既能保证燃烧的工艺条件又能实现NOx的低排放。根据炉管的实际工作状态,采用多物理场耦合的方法,考虑界面力及温度传递,将得到的流场和温度场数据通过耦合面传递至结构分析中,并作为载荷施加在炉管管束模型上,实现了对加热炉炉管的热流固耦合数值模拟,并研究了管内流体的粘度对管束多场耦合效应的影响。结果表明:炉管中由温度引起的热应力远大于流场压力引起的应力,说明在热流固耦合分析中由温差引起的热应力对炉管管束的总应力分布起主导作用。在炉膛高度2/5靠近火焰位置的管束的应力较大,这是由于靠近火焰处管束的温差更大,产生了较大的热应力。介质流体的粘度对热流固耦合场应力的影响很小。