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高溫蓄熱式加熱爐中的燃?xì)饬髁鲃臃治?李健1，趙博寧2（1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西西安，710072 ） ( 2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545007）【摘要】本文運用Fluent軟件對天然氣在高溫蓄熱式加熱爐中的燃燒過程進(jìn)行了模擬研究。比較分析了影響爐膛內(nèi)氣流溫度、流場以及煙氣濃度分布特征的主要因素。研究結(jié)果表明：當(dāng)天然氣和空氣的預(yù)熱溫度都不變時，改變天然氣和空氣射流間的夾角，同樣會改變爐膛內(nèi)的溫度分布情況，爐內(nèi)的最高溫度幾乎呈線性降低，爐內(nèi)平均溫度呈二次曲線變化先增大后減小。當(dāng)燒嘴夾角為35時，爐內(nèi)和鋼坯表面溫度比較均勻，并且NO生成量少，對鋼坯的加熱質(zhì)量和降低環(huán)境污染非常有利?！娟P(guān)鍵詞】天然氣；流場；溫度場；濃度場【收稿日期】2010-3-5【作者簡介】李?。?961-），男，陜西西安人，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械制造技術(shù)研究。趙博寧（1981-），女，陜西戶縣人，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師，碩士研究生，主要從事機(jī)械制造技術(shù)研究?！局袌D分類號】TG115 【文章標(biāo)識碼】 AFlow Analysis of Combustion Gas Flow in HighTemperature Regenerative Heating FurnaceLi Jian1 Zhao Bo Ning2 （1. Materials College of Northwestern Polytechnical University, XianShanxi,710072）（2.Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou Guangxi545007）Abstract: numerical simulation of temperature field in high temperature regenerative heating furnace by fluent software. This paper compares and analyzes main factors of the gas flow and characteristics of temperature distribution in the furnace. Temperature field and flow field were simulated in the furnace when changing the direction of the natural gas and air. The results show that when the preheating temperature of natural gas and the air is constant, to change the angle between natural gas and air jet , the temperature and flow field still were changed. The maximum temperature and the average temperature curves nearly assume the linearity to be reduced, the average temperature curve becomes the conic section change, and the high temperature area approaches the nozzle place. When the angle of burners is 35, temperature in furnace and surface on steel billet is relatively uniform. Moreover, amount of formation of NO is less, which is a favorable factor for heating quality and reducing environmental pollution of steel billet.Key words: natural gas；flow field；temperature field；concentration field引言天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。因其熱值高、質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備簡易、便于控制以及污染小等優(yōu)點，在世界能耗結(jié)構(gòu)中所占的比例越來越大。最近10年，很多企業(yè)已經(jīng)對工業(yè)爐進(jìn)行了燃天然氣改造 12。本文以天然氣在高溫蓄熱式鍛造加熱爐上的應(yīng)用為背景，對其燃燒參數(shù)和爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了熱態(tài)模擬。在本研究中，列微分方程組是研究的一個難點。再者，對微分方程組離散化求解也相當(dāng)?shù)睦щy34。而這些數(shù)學(xué)上的困難可以直接借助于Fluent軟件模型來求解。Fluent求解的思路和步驟是首先根據(jù)實際情況抽象和建立物理模型，然后選擇求解模型，設(shè)置邊界條件和初始條件，設(shè)置迭代和控制參數(shù)并進(jìn)行計算，最后進(jìn)行后處理和分析得出結(jié)論，或者根據(jù)實驗結(jié)果重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行在計算直至達(dá)到可接受的結(jié)果56。1 物理模型和計算工況1.1 燃燒過程數(shù)值模擬的物理模型流體的流動，一般分為層流和湍流。由于爐膛的尺寸較大，燃料入口處流速較高，流動往往是湍流狀態(tài)，所有的物理量都是空間和時間的隨機(jī)變量，但是湍流流動仍遵循連續(xù)介質(zhì)一般運動，并具有一定規(guī)律的統(tǒng)計學(xué)特征，其瞬時流動仍滿足粘性流體流動方程，描述燃燒流場各瞬時的微分方程如下8：連續(xù)性方程: （1）動量方程： （2） 組分方程： （3）能量方程： （4）k方程: （5）方程: （6）式中，為流體密度,kg/m3；為時間，s；P為壓力,Pa;代表1，2，3，為直角坐標(biāo)系j方向速度矢量，m/s； 為直角坐標(biāo)系j方向的坐標(biāo)；為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；是擴(kuò)散項或源項的生成率，s-1；為熱焓源項，W/h3;分子粘性系數(shù)，,；為湍流動力粘性系數(shù)，,其中為系數(shù)，=0.09；為湍流有效粘性系數(shù)，；k為湍流動能，為湍流耗散率，=1.44， =1.92，1.2計算工況 本文共設(shè)計以下幾種氣流夾角，來考察氣流夾角對爐內(nèi)溫度場，流場分布及燃燒產(chǎn)物的影響。由于本文采用的是三噴口式燒嘴，中間噴口噴天然氣，兩邊噴口噴空氣，所以計算時天然氣射流采取直噴方式，只改變兩側(cè)空氣射流噴射方向，就可以實現(xiàn)改變兩者射流夾角的目的。計算工況：燒嘴安裝高度為650mm，燒嘴噴口間距為450mm，空氣預(yù)熱溫度為800mm，燃?xì)忸A(yù)熱溫度為800mm，空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角為0 o 50 o之間分布。2實體模型的建立以及簡化2.1 實體模型的建立以某鍛造廠采用高溫空氣燃燒技術(shù)改造后的蓄熱式加熱爐為研究對象，燃燒空間的有效長度為4200mm，寬為4200mm，高度為3600mm.，爐墻兩側(cè)分別布置兩組燒嘴，兩側(cè)燒嘴交替的進(jìn)行噴氣和排煙，燒嘴所用的天然氣總量為759.02m3/h，理論所需的助燃空氣量為7796.91m3/h。燒嘴有效流通面積為圓截面，燃料采用工業(yè)天然氣，主要成分為CH4，其平均熱值為35000J/m3。由于天然氣理論空氣耗量為9.4，為了避免空氣噴口過大，故設(shè)計燒嘴有三個噴口，中間噴口噴天然氣，直徑為240mm,兩側(cè)噴口噴空氣，直徑為360mm,空氣噴口與天然氣噴口可成一定夾角，相鄰噴口組成一個燃燒單元，依靠橫向動量形成湍流，以便組織爐膛內(nèi)燃料燃燒。同時，空、燃?xì)鉄靽娍谒桨惭b，有利于空、燃?xì)獾某浞只旌?，避免燒嘴火焰直燒加熱鋼坯。鍛造加熱爐運行參數(shù)見表1。表1鍛造加熱爐主要參數(shù)Table 1 The major of parameters of forge heating furnace名稱數(shù)據(jù)最高爐溫Tmax/1300最大生產(chǎn)能力/Kg/h300燃料種類天然氣燃料低發(fā)熱量/KJ/m335爐底熱強(qiáng)度/GJ/(m2h)1.506最大燃料消耗量/ Km3/h760空氣過剩系數(shù)1.02 2.2建立實體模型和劃分網(wǎng)格計算區(qū)域為三維區(qū)域，爐膛的結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，但燃?xì)馊肟谙鄬t子尺寸小，網(wǎng)格過大對入口空間內(nèi)部速度和溫度等計算不利，網(wǎng)格過小造成網(wǎng)格數(shù)目巨大，計算時間延長。本文采用固定正交的非均勻網(wǎng)格，在保證噴口出網(wǎng)格的墻體下，網(wǎng)格的大小又靠近爐墻和噴口出的30mm漸漸把大為100mm至300mm不等，共生成網(wǎng)格大約為117891個。網(wǎng)格生成后如圖2所示，輸出3D格式的mesh文件。2.34 邊界條件的設(shè)定設(shè)定邊界條件的類型，指定流動變量和熱量在邊界條件處的值，是Fluent使用過程中很關(guān)鍵的一部分，設(shè)定邊界條件必須小心謹(jǐn)慎燃料和助燃空氣入口定義設(shè)定為速度入口，各入口處射流的速度和方向依具體工況決定，表2給定射流入口的直徑和射流組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。煙氣出口定義為壓力出口，所以煙氣出口方向應(yīng)與入口方向一致。表2 射流入口邊界條件（物質(zhì)組分為質(zhì)量百分比）Table 2 The boundary condition of the inlets入口直徑（mm）物質(zhì)組分（%）CH4 O2 N2gasinlet_1240100gasinlet_2240100airinlet-136000.22010.7299airinlet-236000.22010.7299airinlet-336000.22010.7299airinlet-436000.22010.72993爐內(nèi)溫度分布的分析圖1至圖3為爐內(nèi)的平均溫度，最高溫度和平均溫度的差，以及出口處平均溫度隨空氣射流與天然氣射流之間的夾角的變化。由圖看到，當(dāng)夾角由5增加到50時，爐內(nèi)的最高溫度幾乎呈線性降低，爐內(nèi)平均溫度近似成二次曲線變化先增大后減小。當(dāng)夾角處于2035o時對應(yīng)的爐內(nèi)的平均溫度較高；處于2540時最高溫度與平均溫度差較小。這主要是因為天然氣和空氣是由不同的噴口進(jìn)入爐膛，在進(jìn)入爐膛前沒有混合，在進(jìn)入爐膛后邊擴(kuò)散混合邊燃燒。如果噴射角度過大，天然氣和空氣混合較早，燃燒太快，燃燒區(qū)靠近噴口附近，火焰高溫不能很快傳到爐膛中部或后區(qū)造成爐膛溫度分布不均勻。如果夾角過小，天然氣、空氣在還未進(jìn)行充分混合燃燒時亦被吸入對側(cè)的蓄熱室通道，所以夾角過小或過大都會造成爐內(nèi)溫度分布不均勻（注：Tmax代表最高溫度；Tave代表平均溫度）。圖1 爐內(nèi)最高溫度隨的變化Fig.1 the Tmax of the furnace in every 圖2 爐內(nèi)平均溫度隨的變化Fig.2 the Tave of the furnace in every 圖4天然氣噴口中心軸線上得的溫度分布圖 Figure 4 The temperature distribution along the fuel burners Geometry axis圖3 爐內(nèi)最高溫度和平均溫度的差隨的變化Figure 3 the Tmax - Tave of the furnace in every 圖4為各個工況下，沿天然氣噴口中心軸線方向上的溫度分布圖。由圖可看到，各工況均在距燒嘴噴口1m左右達(dá)到最高溫度，隨后溫度變化不大，比較平緩。當(dāng)采用蓄熱式燃燒技術(shù)時，在前后兩個換向周期，天然氣、空氣從相反方向的噴口噴入爐膛內(nèi)混合燃燒，若控制好的話，后半個換向周期爐膛內(nèi)的溫度分布應(yīng)與前半個換向周期的分布相反。即在后半個換向周期燃燒時，同樣在距噴口1m左右，爐內(nèi)的溫度達(dá)到最高，隨后變化不大，變得比較平穩(wěn)。所以若給鋼坯加熱時，鋼坯最好放置在距前后噴口1mm左右的位置。4爐內(nèi)煙氣的濃度分布特征天然氣燃燒過程中生成的NOx中，NO占90%左右，其余為NO27，因此本文中煙氣的含量中只考慮了NO，而沒有考慮NO2。圖6至圖11是煙氣的濃度（燃燒產(chǎn)物的質(zhì)縱量濃度）隨空氣射流與天然氣射流夾角的變化圖。從圖看出，顯然，在加熱爐的實際生產(chǎn)調(diào)試中，到屬于調(diào)試敏感區(qū)域。也就是說，控制如此小范圍的夾角，對于伴隨著環(huán)境的振動以及毛坯材料的碰撞的大尺寸加熱爐，將會使設(shè)備性能的穩(wěn)定性非常差。理論上，研究到這樣質(zhì)量濃度變化巨烈的區(qū)域是最有吸引力的，但是研究適于實際應(yīng)用的加熱爐空氣射流與天然氣射流的夾角對煙氣的濃度的影響是本此工作的重點。本實驗選擇從5到50。每10為一個間隔。從這幾個圖上可以看出，有噴射角度和沒有噴射角度時，除NO外，其余煙氣組份的濃度相差很大。當(dāng)噴射角度為5，CH4的濃度和O2的濃度是沒有噴射角度的1/12， CO2、H2O和N2的濃度分別為沒有噴射角度1.56、1.51、1.1倍。這說明有噴射角度比沒噴射角度時，天然氣和空氣混合充分，燃燒比較完全。并且有噴射角度時，隨著噴射角度的增加，CH4的濃度隨之增加，O2和N2的濃度反而減少，CO2和H2O的濃度呈先增大，后減小的變化趨勢，而NO的濃度出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這說明噴射角度并非越大，天然氣和空氣混合就愈充分，對燃燒越有利。圖5 出口處CH4的質(zhì)量濃度 圖6 出口處O2的質(zhì)量濃度Fig.5 The average mass fraction Fig.6 The average mass fraction of CH4 in the burners outlet of O2 in the burners outlet空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/o空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/oCH4的質(zhì)量濃度/%O2的質(zhì)量濃度/%空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/oCO2的質(zhì)量濃度/%NO2的質(zhì)量濃度/%空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/o 圖7 出口處CO2的質(zhì)量濃度 圖8 出口處H2O的質(zhì)量濃度 Fig.7 The average mass fraction Fig.8 The average mass fraction of CO2 in the burners outlet of H2O in the burners outlet圖9 出口處N2的質(zhì)量濃度 圖10 出口處NO的質(zhì)量濃度Fig.9 The average mass fraction Fig.10 The average mass fraction of N2 in the burners outlet of NO in the burners outlet空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/o空氣噴射方向與燒嘴軸線的夾角/oNO的質(zhì)量濃度/%N2的質(zhì)量濃度/%觀察圖10，NO的濃度隨噴射角度變化，當(dāng)噴射角度增加到35之前，NO的濃度在逐漸減少。當(dāng)由35增加到50時，濃度又開始增加。NO的生成量和溫度有很大關(guān)系5，當(dāng)爐內(nèi)溫度在1500附近變化時，溫度每增加100，NO的反應(yīng)速度將增大67倍。當(dāng)溫度為2000時，NO的生成量就極為迅速。結(jié)合爐內(nèi)最高溫度隨噴射角度的變化，看到爐內(nèi)最高溫度在角度增大到35之前，一直在降低，但是過了35后，開始緩慢增加，所以NO的濃度也開始增加。4 爐內(nèi)流速的分布 圖11 5時，噴口橫截面速度向量圖 Figure 11 The velocity distribution of flow in the burners sectional surface when=5o 圖12 20時，噴口橫截面速度向量圖 Figure12 The velocity distribution of flow in the burners sectional surface when=20o 圖14 43時，噴口橫截面速度向量圖Figure 14 The velocity distribution of flowin the burners sectional surface when =43o 圖13 35時，噴口橫截面速度向量圖 Figure 13 The velocity distribution of flowin the burners sectional surface when=35o 圖11-14為噴口橫截面的煙氣速度分布圖，對比這幾種工況下的流速圖，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾角為2035時，在爐中心形成很大的漩渦，流速分布比較均勻的，因此溫度比較均勻。而角度大于35湍流太大，形成了漩渦太大，不能使高溫燃?xì)馀c高溫空氣達(dá)到良好細(xì)化混合，結(jié)果致使燃料燃燒不充分，所以當(dāng)角度增大時，出口處的天然氣的濃度也隨之增加，而出口溫度隨之減小。角度小于35時，主要以小漩渦為主，雖然有利于燃料和空氣的混合，但是小漩渦又是主要的能量耗散區(qū)，所以爐內(nèi)最高溫度比較高，平均溫度比較低。5結(jié)論本文運用Fluent對天然氣在高溫蓄熱式加熱爐中的燃燒過程進(jìn)行研究?？疾炝颂烊粴夂涂諝獾牧魉俨蛔儠r，考察了改變射流間的夾角，爐膛內(nèi)溫度、流速以及煙氣的濃度分布情況。本節(jié)得出以下結(jié)論： （1）空氣射流噴射方向與天然氣射流方向成一定的角度噴射時，不僅可以使天然氣和空氣射流劇烈混合，而且可以避免高溫氣流沖涮對面的爐墻，提高加熱爐的壽命。（2）當(dāng)夾角有5增加到50時，爐內(nèi)的最高溫度和出口處的平均溫度幾乎呈線性降低，爐內(nèi)平均溫度成二次曲線變化先增大后減小，并且爐膛內(nèi)的高溫區(qū)越靠近噴口處。（3）各工況均在距燒嘴噴口1m左右達(dá)到最高溫度，隨后溫度變化不大，比較平緩。所以若給鋼坯加熱時，鋼坯最好放置在距前后噴口1mm左右的位置。（4）綜合各方面的因素，當(dāng)燒嘴夾角為35時，爐內(nèi)和鋼坯表面溫度比較均勻，并且NO生成量少，對鋼坯的加熱質(zhì)量和降低環(huán)境污染非常有利。參考文獻(xiàn)：1唐煉.世界能源供需現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.國際石油經(jīng)濟(jì)J.2005（1）:3033.Tang Lian. 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