蓄热式加热炉内流体流动、燃烧与传热的数值模拟

鄂钢清风

蓄热式加热炉内流体流动、燃烧与传热的数值模拟

摘  要本文简述了数值模拟手段对冶金炉热工设备的设计和优化的重要意义，并以某钢厂蓄热式加热炉为对象，按照1:1的比例建立三维物理模型，并利用k- ε湍流模型，耦合混合燃烧模型、辐射换热模型以及NOx生成模型对其进行非稳态非稳态数值模拟研究。结果表明：蓄热式加热炉能获得很好的流场、温度场和浓度场分布，满足高质量的钢坯加热需要。

关键词蓄热式加热炉 非稳态 数值模拟
ABSTRACT: The signification of CFD to the design and optimization of metallurgical furnaces and thermal facilities was introduced briefly. The fluid flow, combustion and heat transfer of a regenerative reheating furnace was numerically simulated in 3-D by using the - Model combined with Mixed is Burning Model, Radiation Model and NOx Model. The results indicate that the flow pattern and the distribution of temperature and concentration in the regenerative reheating furnace are favorable to satisfy the high quality requirements of reheating.

KEY WORDS: regenerative reheating furnace; unsteady state; numerical simulation
1前言

高温空气燃烧技术是最新发展起来的先进燃烧技术，具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术。该技术自问世起，立刻受到了西方发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取得了举世瞩目的节能环保效益[1-2]。最近几年，以北京神雾热能技术有限公司为代表的企业单位对该项技术作了创造性的应用和发展，取得了一系列具有独立知识产权的关于蓄热式高温空气燃烧技术的研发成果[3-4]。其中最具代表性的是蓄热式加热炉技术的应用和发展。

加热炉的工作空间较大，合理的烧嘴结构和布置是实现蓄热式高温空气燃烧、确保加热效果的关键。以往，燃烧室和工业炉的设计主要靠直观和经验以及大量实验。70年代以来，由于大型计算机以及CFD、计算传热学以及计算燃烧学的迅速发展，目前已能用数学模型和数值计算方法预测三维湍流两相有化学反应流动，可以预报燃烧室和工业炉中流场、壁面热流、燃烧及污染物排放等各种场的分布细节，有效地提供了进行最优化设计及放大设计的新方法[5]。数学模拟或计算机模拟可大大减少实验所用的人力、物力和财力。

本文通过对国内某钢厂蓄热式加热炉内的流体流动、燃烧与传热过程进行三维非稳态数值模拟研究，得到了一系列符合炉子实际的速度场、温度场和浓度场分布情况。这对进一步优化蓄热式加热炉设计具有十分重要的指导意义，对生产现场烧炉工艺操作参数优化也具有非常重要的意义。

2物理模型
以采用神雾蓄热式高温空气燃烧技术改造的国内某钢厂的空气-煤气双预热蓄热式加热炉为研究对象，炉膛尺寸为25490×8150×5000mm，该炉采用蓄热室的群合式布置方式，以高炉煤气为燃料。图1为工作原理示意图，喷口对称布置在炉子两侧，两侧的喷口交替进行喷气和排烟，喷口分布情况如图2所示。

   
图1 空气-煤气双预热蓄热式加热炉  图2 喷口分布
工作原理示意图

3数值模拟

3.1基本方程

3.1.1流动模型
对流动过程，采用标准 - 湍流模型，其模型由下述控制方程组（数学表达式）表示。

连续性方程：
  (1)

动量方程：
  (2)

Reynolds应力张量（πij）为：
   (3)
  

紊流动能 和紊流耗散速率 的传输方程为：
   (4)
   (5)

Gk为剪切产生项：
   (6)

Gb是体积力产生项。若忽略旋转与阻力产生项，则：
  (7)

3.1.2燃烧模型

燃烧过程采用混合燃烧模型，它假设燃料和氧化剂在瞬间不能并存，瞬时的质量分数以下列关系式由瞬时的混合分数  给出。
当 时  (8)
当  时    (9)
且：
产物的质量分数由下式给出：
  (10)

式中：f为瞬时质量分数，Yp为燃烧反应产物的质量分数，YF为燃料质量分数，YO为氧化剂质量分数，YPC是碳燃烧产生的含碳气体的质量分数，i为燃料与氧化剂混合比。
采用即混即燃模型时，需要求解平均混合分数与混合分数 的脉动值g的方程，即：
   (11)
  (12)

3.1.3 NOx模型

NOx产物模型可以和混合燃烧模型一起使用。NOx模型通过解传输方程求得体系内的NO质量分数。在采用HTAC燃烧技术时，应求解HCN的质量分数方程。采用热力NOx反应模型，考虑三个附加的反应机理[1][5]：一个反应缘于燃烧裂解产物HCN等；一个反应缘于HCN转化为NO；一个是NO和HCN相结合的NO消耗反应。

NO和HCN的传输方程为：
   （13）

瞬间的反应速率  和  在各个物种的温度和质量分数的脉动值的基础上计算。平均反应速率通过对假设的概率密度函数的积分而建立。

3.1.4辐射模型

在燃烧过程中，辐射换热是基本的传热方式之一。考虑燃烧气体为灰体介质 ,按照吸收和散射介质辐射换热的基本原理，传热遵循以下辐射传递方程：
  （14）

方程右边第一项为介质吸收和散射引起的辐射强度 的减弱，第二项为介质自身的容积辐射强度，第三项为各方向进入微元体的热辐射在 方向的散射。

本文采用蒙特卡洛法求解，光子数 10万个。

3.2边界条件

3.2.1进口条件

进口采用Dirichlet条件，直接设定进口速度（或流量）。进口湍动能κ和动能耗散系数ε的值对于进口截面可以作如下假设：
  （15）
  （16）

这里，uint为进口平均速度，cp1和cp2为经验数据，根据速度不同而有所不同，Dh为水力直径，Dh=4A/L，A为进口截面面积，L为进口截面周长。

具体进口条件根据设计和现场生产实际确定。

3.2.2出口条件

由于蓄热式燃烧采用引风机抽引烟气，因此本计算采用出口压力边界条件。

3.2.3 壁面条件

紊流传输方程只能在全紊流区适用，对于近壁面，为了使用高雷诺数湍流模型，沿流动方向采用壁面函数。

4计算结果及分析

4.1炉内气体流动情况

图3、图4分别给出了某工况下加热炉内A-A截面的速度场分布的矢量图和云图。该工况条件下，加热炉的预热段、加热段和均热段的四通换向阀的换向时间设为相同，但由于各段四通阀的换向动作设置为不同步（时间间隔可根据需要调节），使得炉内气体的流动状况复杂多变。由图可以看出，由于高速空气射流的抽引，煤气射流向空气射流快速扩散，相互间发生强烈混合并逐渐形成旋涡，卷吸炉内的烟气，使烟气在炉内的停留时间延长，有利于形成低氧气氛，实现高温低氧燃烧。
  
图3 某工况下加热炉内A-A截面的速度场分布的矢量图
  
图4 某工况下加热炉内A-A截面的速度场分布云图
  
图5 某工况下加热炉内A-A截面的温度场分布云图
  
图6 某工况下加热炉内A-A截面的氧气浓度场分布云图
  
图7 某工况下加热炉内A-A截面的烟气浓度场分布云图

4.2炉内温度分布情况

由于采用煤气-空气双预热的蓄热式高温空气燃烧方式，一方面解决了单一的低热值高炉煤气的直接使用问题；更重要的是，采用蓄热式高温空气燃烧技术以后，加热炉内的气体的温度整体升高且更趋均匀，不存在局部高温区，如图5所示。这样一来，既增强了炉子的加热能力，又保证了钢坯长度方向上温度的均匀性，提高了钢坯的加热质量。

4.3炉内气体浓度分布情况

炉内气体的浓度分布情况是判断烧嘴的工作性能和加热炉热工特性的重要依据。由于加热炉工作过程是一个高温条件下近乎封闭的过程，很难对炉内的气体进行取样分析。通常是在烟道取样分析，以期了解污染物的排放以及煤气燃烧是否完全，难以确切把握炉内气体的燃烧状况。本文计算了某工况下炉内气体的浓度分布。

图6、图7分别为加热炉内A-A截面的氧气浓度和烟气浓度分布云图。从图可以看出，由于高速空气射流的抽引，煤气射流（图中褐色流股）迅速向空气射流扩散；同时由于高温烟气的卷混，空气射流的氧气浓度迅速降低，在整个炉内形成了低氧气氛。而在加热炉宽度方向（钢坯长度方向）烟气主流可到对面炉墙，高温烟气与钢坯之间的热交换能力加强，同时也说明蓄热式烧嘴产生的火焰刚劲有力。与传统的加热炉相比，蓄热式加热炉的处理能力增强，钢坯的加热质量得到了改善。

5结论

（1）蓄热式加热炉能获得很好的流场、温度场和浓度场分布，能满足高效、优质、低耗和环保的加热工作需要。
（2）数值模拟是指导冶金炉热工设备的设计和优化的重要手段，对生产现场的工艺操作参数的优化也具有非常重要的意义。
  
参考文献
1 萧泽强,吉川邦夫.高温空气燃烧新技术讲座.北京:中国科学技术协会工程学会,1999,10
2 萧泽强.高风温无焰燃烧（HTAC）技术在日、欧几国的开发应用近况.研究报告.中南工业大学应用物理与热能工程系, 1999. 7
3 Ou Jianping, Hsiao Techiang. Investigation and Application of HTAC in China. HTACG5: Fifth International Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification，Yokohama, 28-30, Oct., 2002
4 吴道洪,谢善清,杨泽耒等.蓄热式高温空气燃烧技术在我国的应用及发展.神雾高温空气燃烧技术论文集(2002年版)
5 E.E.卡里尔 著,陈熙,周晓青 译.燃烧室与工业炉的模拟. 北京:科学出版社 1987