烟气回流率对蓄热室式炉单周期加热的影响.pdf

第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：河北省省级研发平台项目（）作者简介：李洪涛（），男，副教授，：通讯作者：纪运广（），男，副教授，：年 月 ：烟气回流率对蓄热室式炉单周期加热的影响李洪涛，马飞龙，马金凤，纪运广，赵亚珊，盛永钢（河北科技大学 机械工程学院，石家庄；沈阳工程学院 能源与动力学院，沈阳；河北省冶金燃气工业炉产业技术研究院，石家庄）摘 要：为了研究烟气再循环对蓄热室式炉内燃烧现象以及钢坯在炉内加热过程的影响，以国内某蓄热室式炉为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了不同烟气回流率下单周期炉内温度、钢坯表面温度以及烟气中体积分数和质量浓度的变化规律；并对炉温以及烟气中 体积分数进行了测试，模拟值和实测值吻合度较好 研究结果表明：随着烟气回流率的增大，火焰边界出现发散现象，炉内峰值温度降低，平均温度呈线性下降趋势，烟气中 体积分数呈指数下降趋势，但降低的幅度逐渐减小；当烟气回流率处于 时，钢坯表面温度呈现单峰分布，而当烟气回流率过低或过高时，钢坯表面温度则呈现多峰分布 综合考虑加热炉的经济性和环保性，最佳的烟气回流率应控制在 关键词：燃烧学；蓄热室式炉；烟气再循环；烟气回流率；加热特性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；钢铁工业中使用加热炉对钢坯进行加热，使钢坯温度高于其再结晶温度，以便在轧机中进行塑性变形蓄热式加热炉通过蓄热体将高温烟气的热量存储起来用于下一轮空气的预热，可降低排烟温度，显著提高热效率，在工业中得到广泛的应用但预热空气温度的提高必然导致炉内温度升高，使得蓄热式加热炉烟气中 含量较高因此，如何保证蓄热式加热炉的经济性和环保性成为亟待解决的问题烟气再循环技术是一种有效抑制 生成的技术国内外学者对此技术进行了大量研究：在实验研究方面，杨倩、陈伟鹏、刘国伟和 等发现烟气回流率控制在合适的范围内，不仅能降低燃料消耗量，还能降低烟气中的 含量；在数值模拟方面，、赵增武、郭宁等研究了加热炉中 的生成机理，并提出了加热炉中钢坯周期性加热稳态模拟的方法综上所述，烟气再循环技术可实现蓄热式加热炉经济性和环保性的统一，这已经在实验中得到了验证，而且对于加热炉内钢坯的加热特性也有不少学者进行了研究，但尚无再循环中烟气回流率对蓄热式加热炉加热过程的理论预测研究本文中针对蓄热式加热炉炉内燃烧后组分和温度分布的规律，提出一种中间换向计算的数值计算方法，具体如下：将一个换向周期分为上下两段，先以给定的初始条件和边界条件进行上半个周期的计算；上半个周期计算结束后，改变燃料入口和排烟出口的设置，以上半个周期的计算结果作为下半个周期的初始条件，再进行下半个周期的计算将这种算法应用于蓄热室式炉，研究烟气回流率对炉内燃烧及钢坯加热过程的影响利用数值计算方法开展的这一研究为烟气再循环对蓄热室式炉的影响进行理论预测，从而为相关的工程实践提供更多的参考 物理模型的建立 几何条件以某钢厂设计的生产能力为 的蓄热室式炉为研究对象，炉膛两侧对称布置 套结构相同的蓄热式烧嘴，如图 所示炉膛有效加热尺寸为 ，双排布置 根圆坯，钢坯规格为 ；为方便数值计算，将实际烧嘴去除蓄热体部分；空气入口直径为 ，燃气入口直径为 ，燃气与空气在烧嘴内边混合边燃烧，在烧嘴出口处喷出火焰，出口直径为 钢坯在炉内的布置方式如图（）所示测温点2测温点1分析NOx的特征截面炉膛钢坯烧嘴(a)(b)实际烧嘴烧嘴简化图空气入口燃气入口(c)分析NOx的特征截面650700700700700650350350图 加装钢坯的蓄热室式炉示意图 （）蓄热室式炉；（）烧嘴；（）钢坯布置方式 数值模拟以多个烧嘴、蓄热室式炉膛和钢坯为计算域，采用四面体与六面体混合的方式利用 进行网格划分，并对烧嘴与炉膛接触面以及钢坯与炉膛接触面的网格进行了局部加密考虑网格无关性后，确定最终网格数量约为 个，网格平均质量约为 ，网格平均纵横比约为 ，网格平均扭曲率约为 ，均能达标网格模型如图 所示 物理条件（）燃料：将天然气作为燃料，假设其甲烷体积 分 数 为，标 准 态 下 热 值 为 ，密度为 （）氧化剂：由空气和烟气混合而成其中，空气 由 和 组 成，标 准 态 下 密 度 为第 期 李洪涛等：烟气回流率对蓄热室式炉单周期加热的影响07501 5002 2503 000图 网格模型图（）（），和 的体积比为 ；因天然气燃烧过量空气系数小，本文中忽略烟气中的含量，和 的体积比为 烟气回流率 为（）式中：为单位时间（每秒，下同）回流烟气的质量，；为单位时间燃烧所用空气的质量，不同烟气回流率下，氧化剂中，和 的体积分数可根据公式（）计算出：（）式中：为氧化剂中 的体积分数，；为空气中 的 体 积 分 数，；为 烟 气 中 的 体 积分数，表 中由上至下依次表示烟气回流率 为，和 时氧化剂的成分表 不同烟气回流率下氧化剂成分（体积分数）（）（）钢坯：选择密度为 的锰钢，导热系数 和比热容 为温度 的函数，函数关系如表 所列表 钢坯的热物性与温度的函数关系 的适用范围 （）（）（，（，）数学模型的建立 控制方程选择 方程作为流场计算的主控方程，采用标准 模型（方程中各系数取值取默认值），辐射传热过程采用 模型，燃烧采用非预混燃烧模型，钢坯内部导热采用固体导热方程计算，烟气与钢坯的换热采用耦合换热方式（）质量守恒方程质量守恒方程也叫连续性方程，任何流动问题都符合质量守恒定律质量守恒方程如下：（）（）式中：为流体密度；为流体流动的时间；为直角坐标系 方向上的坐标；为直角坐标系 方向上的速度本文中针对研究对象采用稳态不可压缩流体模型，其中 （）动量守恒方程又称 方程：（）（）（）式中：表示压力；是流体产生阻力引起的动力项；为应力矢量，表示如下：（）式中：是动力黏度（）能量守恒方程根据能量守恒和转换定律建立守恒方程如下：（）（）（）（）式中：为导热系数；为热力学温度；为热焓；为包括化学反应热和其他体积热的源项（）组分质量守恒方程在燃烧系统中，燃烧反应存在着多种化学成分，都符合组分质量守恒材 料 与 冶 金 学 报 第 卷定律由此建立组分 质量守恒方程为（）（）（）（）式中：为组分 的体积浓度；为组分 的交换系数；为通过化学反应生成组分 的生产率或消耗率 边界条件（）入口边界条件根据蓄热室式炉的实际运行工 况，加 热 炉 天 然 气 耗 量（标 准 态 下）为 ，按照过量空气系数为 计算，实际空气耗量应为 本文中天然气入口温度为，压力为 ；氧化剂入口温度为 ，压力为 文中采用速度入口，考虑到温度和压力对气体体积的影响，采用文献中的方法对速度进行了修正，修正后的燃料入口速度为 ，按照烟气回流率 为，和，计算出氧化剂入口速度分别为，和 （）出口边界条件出口处进行排烟，通常配有引风机，出口处常为负压本文中将出口设为压力出口，出口压力为（）壁面边界条件燃烧器和炉膛的壁面都设置为绝热壁面，钢坯表面与烟气接触面作为耦合面进行耦合换热，钢坯的入炉温度为 ，表面黑度取 求解方法蓄热室式炉中对于多个蓄热式烧嘴的换向方式有多种，如同侧换向方式、交错换向方式和分级换向方式等因实际的蓄热室式炉采用了同侧换向方式进行钢坯加热，为保证数值模拟及实验数据的一致性，本文中采用同侧换向方式进行研究，如图（）所示本模拟中，方程组使用 软件进行求解，压力和速度耦合采用 算法能量方程和辐射方程的收敛残差标准为，其他方程的收敛残差标准为 整个模拟采用非稳态燃烧方式，设定蓄热室式炉一个周期为 ，计算时间的步长为 因天然气中不含氮，本文中仅考虑热力型 和快速型，其中热力型的生成采用 机理，快速型 的生成采用 机理（a）（b）（c）图 烧嘴换向方式示意图 （）同侧换向方式；（）交错换向方式；（）分级换向方式 计算过程如下：首先，在给定的初始条件模拟 内蓄热室式炉内的变化，得到上半个周期炉内的流场、烟气温度场、烟气组分的体积分数场和钢坯表面温度场分布；其次，改变空气入口和烟气排出的方向；最后，将上半个周期计算的结果作为下半个周期计算的初始条件，对加热炉内钢坯加热过程进行非稳态计算 计算结果与分析 烟气回流率对炉内温度的影响选取燃烧器中心的横截面作为特征截面分析了烟气回流率对炉内温度的影响图 为加热一个周期后，不同烟气回流率下加热炉中心横截面温度场分布图从图 中可以看出：下边界值为 左右，位于燃气入口位置，该数值与天然气入口温度近似相等；上边界值随着烟气回流率的增大而减小，换言之，当 由 增至 时，炉内峰值温度由 降至 ，降温幅度约为，这说明相对低温的惰性烟气升温同样要吸收热量，炉内峰值温度因此降低；当 时，炉内大部分区域温度颜色未有明显区别，而对应颜色的坐标值减小，表明炉内平均温度随烟气回流率增大而降低；当 时，炉内峰值温度均出现在烧嘴出口处，且火焰有明显的边界，说明当烟气回流率增大至 时仍能实现稳定燃烧，但值得注意的是，随着烟气回流率的增大，火焰边界出现发散现象，这与文献中实验得出的结论一致经计算，可得到炉内温度的平均值第 期 李洪涛等：烟气回流率对蓄热室式炉单周期加热的影响2265213420031872174116101479134812171086955824693562431300T/K2003200320032003200320032003200320031741213418721872134810861217824（c）200321341348187269310862003187214792134200317411872223220941956181816801542140412661128990852714575438300T/K1956195619561956195619561956195619561956195620942094576（d）154216801818154218181404195614041542195612661818215620401924180816921460134412281112996880764648532416300T/K19241924192419241924192419242040192419241808180814601228146011121112996（e）1924204053419241924122816921692180819241692192418089961924188419831983198319831983198319831983188420822082208220822181218120821983119111911191300498T/K22802181208219831884168613891191993894795696597498399300（a）188420821884198316862082188413891983T/K23702232209419561818168015421404126611289908527145764383002094209420942094209420942094181812662232168015428527141680（b）2094112820941956209411281818816801956图 不同烟气回流率下加热炉内温度场（）（）（）；（）；（）；（）；（）烟气回流率对钢坯表面温度的影响加热炉的作用是加热钢坯，因此，研究钢坯的温度场分布至关重要文献中给出了不同换向方式对钢坯表面温度的影响，该文献中以单根钢坯顶部的中心线作为测量基准本文中采用类似的方法分析烟气回流率对钢坯表面温度的影响，具体做法如下：将炉膛的中心线定义为原点，将钢坯分为左右两列，起止点横坐标分别为（，）和（，），并以相同横坐标的 根钢坯顶部中心线温度的平均值作为研究对象，分析烟气回流率对钢坯表面温度的影响，模拟结果如图 所示 从图 中可以看出：当 ，和 时，钢坯表面温度呈现单峰分布，最大值出现在炉膛中心线位置；而当 和 时，钢坯表面温度呈现多峰分布结合烟气回流率对火焰的影响，此现象可能是炉膛温度和加热时间共同影响的结果：当 较小时，前半个周期一列钢坯处于高温区，而后半个周期另外一列钢坯处于高温区，加热周期内高温区的交替使得钢坯表面温度呈现多峰分布；当 较大时，由于火焰边界发散，炉内高温区面积大，钢坯表面温度的变化并不大；当，和 时，火焰长度较长，无论烧嘴换向与否，炉膛中心线区域一直处于高温区，这使得钢坯表面温度呈现单峰分布R=5%R=10%R=15%R=20%R=25%炉膛中心线-1.5-1.0-0.50.51.01.5钢坯测温点位置/m122012101200119011801170钢坯顶部中心温度/K图 不同烟气回流率下钢坯表面温度分布 从图 中还可以看出，当 和 时，钢坯表面温度不仅呈现相似的分布趋势，而且与，和 时的钢坯表面温度相比更低这说明当 时，钢坯的加热得到了强化值得注意的是，当 时，炉膛中心线两侧的钢坯表面温度分布规律不同，具体表现为一侧钢坯表面温度低于 和 时钢坯的表面温度，而另一侧与之相反 烟气回流率对 排放特性的影响图 给出了不同烟气回流率下燃烧器中心横截面作为特征截面的 体积分数的分布情况材 料 与 冶 金 学 报 第 卷当 时，炉内特征截面的 体积分数约为（质量浓度约为 ）；当 和 时，炉内特征截面的 体积分数分别约为 和 （质量浓度分别约为 和 ）；当 和 时，炉内特征截面的 体积分数大幅降低，分别降至约 和 （质量浓度分别约为 和 ）由此可见，随着烟气回流率的增大，的体积分数和质量浓度均降低，原因主要有两点：一是炉内平均温度的降低抑制了热力型的生成；二是烟气总量的增加使得非 的惰性气体体积分数增加，从而降低了烟气中 的体积分数和质量浓度（a）（b）（c）（d）（e）7.50E-047.50E-047.30E-046.87E-047.30E-047.73E-047.73E-041.70E-041.70E-041.75E-041.70E-041.75E-041.65E-041.61E-041.50E-043.91E-043.91E-043.59E-043.82E-049.36E-059.36E-059.36E-058.36E-058.36E-054.68E-054.68E-054.35E-055.00E-054.80E-054.80E-05图 不同烟气回流率下 分布云图 （）；（）；（）；（）；（）在数值计算软件 中，可通过 部分中的 计算出整个炉膛内 的平均体积分数，再将其换算成质量浓度不同烟气回流率下炉膛内的 平均体积分数和质量浓度如表 所列从表 中可看出，随着烟气回流率的增大，加热炉内 的平均体积分数和质量浓度均减小，这与特征截面 的平均体积分数和质量浓度变化具有相似的规律，但炉内 的平均体积分数略低于特征截面 的平均体积分数，原因是特征截面位于加热炉中心，而炉内其他区域的高温区面积较小，生成的 较少表 不同烟气回流率下炉膛内的 平均体积分数和质量浓度 平均（）（）（）实验验证为验证数值模拟结果的准确性，在蓄热室式炉上对炉内温度以及烟气中的 体积分数进行了实际测量其中，测温点的位置如图（）所示，分别在燃气烧嘴炉墙上开有检测孔，用以安放光电亮度温度传感器进行测温，传感器型号为，测温范围为 ，测温精度可达 加热炉上的 体积分数测点布置在与蓄热体连接的管道上，当管道排烟时进行数据采集，为了消除误差，采用 个出口测得的平均值进行分析，测量仪器为 烟气分析仪，数值为 及 体积分数之和从图 中可以看出，随着烟气回流率的变化，炉内温度和排烟中 体积分数的实测值与模拟值呈现相似的变化趋势炉内温度随着烟气回流率的增大，实测值和模拟值均呈线性下降趋势：当 时，模拟值为 ，实测值为 ；当 时，模拟值为 ，实测值为 虽然二者呈现相似的下降趋势，但实测值均低于模拟值，原因为数值计算时没有考虑加热炉的散热，且炉内的钢坯温度也存在差异烟气中的 体积分数随着烟气回流率的增大，实测值和模拟值均呈指数下降趋势，原因为氮的化学平衡常数与炉内温度的指数相关，而实测值高于模拟值的原因可能是局部燃料混合不均及温度过高第 期 李洪涛等：烟气回流率对蓄热室式炉单周期加热的影响525201510R/%210020001900180017001600T/K10008006004002000(NOx)/10-6炉内温度模拟值炉内温度实测值体积分数实测值体积分数模拟值图 不同烟气回流率下炉内温度及烟气中 体积分数对比 结论（）采用烟气再循环技术时，随着烟气回流率的增大，炉内峰值温度和平均温度均降低（）烟气回流率不超过 时，能够实现稳定燃烧，且随着烟气回流率的增大，火焰边界会出现发散现象（）当烟气回流率过低或过高时，钢坯表面温度呈现多峰分布；而当烟气回流率处于 时，钢坯表面温度呈现单峰分布，此时峰值出现在炉膛中心线附近，同时，钢坯的加热得到了强化（）随着烟气回流率的增大，炉内温度呈线性下降趋势，烟气中 的体积分数呈指数下降趋势，但降低的趋势减缓；当烟气回流率大于时，随着烟气回流率的继续增大，体积分数和质量浓度降低的幅度并不明显（）综合考虑加热炉的经济性和环保性，最佳的烟气回流率应控制在 参考文献 朱苗勇，娄文涛 炼钢过程多相流及其反应动力学数值模拟研究 材料与冶金学报，（）：，：欧俭平，马爱纯，詹树华，等 换向方式对蓄热式加热炉热过程影响数值模拟武汉理工大学学报，（）：杨倩 烟气再循环对加热炉热工过程影响的讨论 中国金属协会能源与热工分会 第七届全国能源与热工学术年会论文集 重庆：中国金属学会，：陈伟鹏，张欢，谢智辉，等 烟气再循环对蓄热式平焰燃气炉内燃烧特性的影响 重庆大学学报，（）：刘国伟，谭凯中，董芃 高温低氧燃烧技术应用于火筒式油田加热炉的热工特性实验研究科学技术与工程，（）：，：，（），：赵增武，苍大强，李保卫，等 烟气再循环对高温空气平焰燃烧及其 排放特性的影响 中国机械工程学会 年中国机械工程学会年会论文集 北京：机械工业出版社，：，：，：郭宁，何非，周玉龙 基于气体相对射速比的加热炉温度场仿真锻压技术，（）：崔家林，朱彤 实验炉内钢坯传热过程及其氧化烧损的数值模拟研究 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