高温蓄热式加热炉中的然气流流动分析.doc

高温蓄热式加热炉中的然气流流动分析
李健1，赵博宁2
摘要：本文运用Fluent软件对天然气在高温蓄热式加热炉中的燃烧过程进行了模拟研究。比较分析了影响炉膛内气流温度、流场以及烟气浓度分布特征的主要因素。研究结果表明：当天然气和空气的预热温度都不变时，改变天然气和空气射流间的夹角，同样会改变炉膛内的温度分布情况，炉内的最高温度几乎呈线性降低，炉内平均温度呈二次曲线变化先增大后减小。当烧嘴夹角为35°时，炉内和钢坯表面温度比较均匀，并且NO生成量少，对钢坯的加热质量和降低环境污染非常有利。
关键词：天然气；流场；温度场；浓度场

引言
天然气是一种优质的气体燃料。因其热值高、质量稳定、设备简易、便于控制以及污染小等优点，在世界能耗结构中所占的比例越来越大。最近10年，很多企业已经对工业炉进行了燃天然气改造[ 1~2]。
本文以天然气在高温蓄热式锻造加热炉上的应用为背景，对其燃烧参数和炉膛结构参数进行了热态模拟。在本研究中，列微分方程组是研究的一个难点。再者，对微分方程组离散化求解也相当的困难[3~4]。而这些数学上的困难可以直接借助于Fluent软件模型来求解。
Fluent求解的思路和步骤是首先根据实际情况抽象和建立物理模型，然后选择求解模型，设置边界条件和初始条件，设置迭代和控制参数并进行计算，最后进行后处理和分析得出结论，或者根据实验结果重新调整参数进行在计算直至达到可接受的结果[5~6]。
1 物理模型和计算工况
1.1 燃烧过程数值模拟的物理模型
流体的流动，一般分为层流和湍流。由于炉膛的尺寸较大，燃料入口处流速较高，流动往往是湍流状态，所有的物理量都是空间和时间的随机变量，但是湍流流动仍遵循连续介质一般运动，并具有一定规律的统计学特征，其瞬时流动仍满足粘性流体流动方程，描述燃烧流场各瞬时的微分方程如下[8]：
连续性方程: （1）
动量方程： （2）
组分方程： （3）
能量方程： （4）
k方程: （5）
方程: （6）
式中，为流体密度,kg/m3；为时间，s；P为压力,Pa;代表1，2，3，为直角坐标系j方向速度矢量，m/s； 为直角坐标系j方向的坐标；为组分的质量分数，%；是扩散项或源项的生成率，s-1；为热焓源项，W/h3;分子粘性系数，,；为湍流动力粘性系数，,其中为系数，=0.09；为湍流有效粘性系数，，；k为湍流动能，为湍流耗散率，=1.44， =1.92，
1.2计算工况
本文共设计以下几种气流夹角，来考察气流夹角对炉内温度场，流场分布及燃烧产物的影响。由于本文采用的是三喷口式烧嘴，中间喷口喷天然气，两边喷口喷空气，所以计算时天然气射流采取直喷方式，只改变两侧空气射流喷射方向，就可以实现改变两者射流夹角的目的。计算工况：烧嘴安装高度为650mm，烧嘴喷口间距为450mm，空气预热温度为800mm，燃气预热温度为800mm，空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角为0 o ~50 o之间分布。
2实体模型的建立以及简化
2.1 实体模型的建立
以某锻造厂采用高温空气燃烧技术改造后的蓄热式加热炉为研究对象，燃烧空间的有效长度为4200mm，宽为4200mm，高度为3600mm.，炉墙两侧分别布置两组烧嘴，两侧烧嘴交替的进行喷气和排烟，烧嘴所用的天然气总量为759.02m3/h，理论所需的助燃空气量为7796.91m3/h。烧嘴有效流通面积为圆截面，燃料采用工业天然气，主要成分为CH4，其平均热值为35000J/m3。由于天然气理论空气耗量为9.4，为了避免空气喷口过大，故设计烧嘴有三个喷口，中间喷口喷天然气，直径为240mm,两侧喷口喷空气，直径为360mm,空气喷口与天然气喷口可成一定夹角，相邻喷口组成一个燃烧单元，依靠横向动量形成湍流，以便组织炉膛内燃料燃烧。同时，空、燃气烧嘴喷口水平安装，有利于空、燃气的充分混合，避免烧嘴火焰直烧加热钢坯。锻造加热炉运行参数见表1。
表1　锻造加热炉主要参数
Table 1 The major of parameters of forge heating furnace
名称
数据
最高炉温Tmax/℃
1300
最大生产能力/Kg/h
300
燃料种类
天然气
燃料低发热量/KJ/m3
35
炉底热强度/GJ/(m2·h)
1.506
最大燃料消耗量/ Km3/h
760
空气过剩系数
α＝1.02

2.2建立实体模型和划分网格
计算区域为三维区域，炉膛的结构如图1所示，结构不算复杂，但燃气入口相对炉子尺寸小，网格过大对入口空间内部速度和温度等计算不利，网格过小造成网格数目巨大，计算时间延长。本文采用固定正交的非均匀网格，在保证喷口出网格的墙体下，网格的大小又靠近炉墙和喷口出的30mm渐渐把大为100mm至300mm不等，共生成网格大约为117891个。网格生成后如图2所示，输出3D格式的mesh文件。

2.34 边界条件的设定
设定边界条件的类型，指定流动变量和热量在边界条件处的值，是Fluent使用过程中很关键的一部分，设定边界条件必须小心谨慎燃料和助燃空气入口定义设定为速度入口，各入口处射流的速度和方向依具体工况决定，表2给定射流入口的直径和射流组分的质量百分数。烟气出口定义为压力出口，所以烟气出口方向应与入口方向一致。
表2 射流入口边界条件（物质组分为质量百分比）
Table 2 The boundary condition of the inlets
入口
直径（mm）
物质组分（%）
CH4 O2 N2
gasinlet_1
240
1
0
0
gasinlet_2
240
1
0
0
airinlet-1
360
0
0.2201
0.7299
airinlet-2
360
0
0.2201
0.7299
airinlet-3
360
0
0.2201
0.7299
airinlet-4
360
0
0.2201
0.7299

3．炉内温度分布的分析
图1至图3为炉内的平均温度，最高温度和平均温度的差，以及出口处平均温度随空气射流与天然气射流之间的夹角的变化。由图看到，当夹角由5°增加到50°时，炉内的最高温度几乎呈线性降低，炉内平均温度近似成二次曲线变化先增大后减小。当夹角处于20~35o时对应的炉内的平均温度较高；处于25~40°时最高温度与平均温度差较小。这主要是因为天然气和空气是由不同的喷口进入炉膛，在进入炉膛前没有混合，在进入炉膛后边扩散混合边燃烧。如果喷射角度过大，天然气和空气混合较早，燃烧太快，燃烧区靠近喷口附近，火焰高温不能很快传到炉膛中部或后区造成炉膛温度分布不均匀。如果夹角过小，天然气、空气在还未进行充分混合燃烧时亦被吸入对侧的蓄热室通道，所以夹角过小或过大都会造成炉内温度分布不均匀（注：Tmax代表最高温度；Tave代表平均温度）。

图1 炉内最高温度随α的变化
Fig.1 the Tmax of the furnace in everyα

图2 炉内平均温度随α的变化
Fig.2 the Tave of the furnace in everyα

图4天然气喷口中心轴线上得的温度分布图
Figure 4 The temperature distribution along the
fuel burners’ Geometry axis
图3 炉内最高温度和平均温度的差随α的变化
Figure 3 the Tmax - Tave of the furnace in everyα

图4为各个工况下，沿天然气喷口中心轴线方向上的温度分布图。由图可看到，各工况均在距烧嘴喷口1m左右达到最高温度，随后温度变化不大，比较平缓。当采用蓄热式燃烧技术时，在前后两个换向周期，天然气、空气从相反方向的喷口喷入炉膛内混合燃烧，若控制好的话，后半个换向周期炉膛内的温度分布应与前半个换向周期的分布相反。即在后半个换向周期燃烧时，同样在距喷口1m左右，炉内的温度达到最高，随后变化不大，变得比较平稳。所以若给钢坯加热时，钢坯最好放置在距前后喷口1mm左右的位置。
4炉内烟气的浓度分布特征
天然气燃烧过程中生成的NOx中，NO占90%左右，其余为NO2[7]，因此本文中烟气的含量中只考虑了NO，而没有考虑NO2。]图6至图11是烟气的浓度（燃烧产物的质纵量浓度）随空气射流与天然气射流夹角的变化图。从图看出，显然，在加热炉的实际生产调试中，０°到５°属于调试敏感区域。也就是说，控制如此小范围的夹角，对于伴随着环境的振动以及毛坯材料的碰撞的大尺寸加热炉，将会使设备性能的稳定性非常差。理论上，研究０°到５°这样质量浓度变化巨烈的区域是最有吸引力的，但是研究适于实际应用的加热炉空气射流与天然气射流的夹角对烟气的浓度的影响是本此工作的重点。本实验选择α从5°到50°。每10°为一个间隔。从这几个图上可以看出，有喷射角度和没有喷射角度时，除NO外，其余烟气组份的浓度相差很大。当喷射角度为5°，CH4的浓度和O2的浓度是没有喷射角度的1/12， CO2、H2O和N2的浓度分别为没有喷射角度1.56、1.51、1.1倍。这说明有喷射角度比没喷射角度时，天然气和空气混合充分，燃烧比较完全。并且有喷射角度时，随着喷射角度的增加，CH4的浓度随之增加，O2和N2的浓度反而减少，CO2和H2O的浓度呈先增大，后减小的变化趋势，而NO的浓度出现先减小后增大的趋势。这说明喷射角度并非越大，天然气和空气混合就愈充分，对燃烧越有利。
图5 出口处CH4的质量浓度 图6 出口处O2的质量浓度
Fig.5 The average mass fraction Fig.6 The average mass fraction of CH4 in the burners ’ outlet of O2 in the burners ’ outlet
空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
CH4的质量浓度/%
O2的质量浓度/%

空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
CO2的质量浓度/%
NO2的质量浓度/%
空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
图7 出口处CO2的质量浓度 图8 出口处H2O的质量浓度
Fig.7 The average mass fraction Fig.8 The average mass fraction
of CO2 in the burners ’ outlet of H2O in the burners ’ outlet

图9 出口处N2的质量浓度 图10 出口处NO的质量浓度
Fig.9 The average mass fraction Fig.10 The average mass fraction
of N2 in the burners ’ outlet of NO in the burners ’ outlet

空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
空气喷射方向与烧嘴轴线的夹角α/o
NO的质量浓度/%
N2的质量浓度/%

观察图10，NO的浓度随喷射角度变化，当喷射角度增加到35°之前，NO的浓度在逐渐减少。当由35°增加到50°时，浓度又开始增加。NO的生成量和温度有很大关系[5]，当炉内温度在1500℃附近变化时，温度每增加100℃，NO的反应速度将增大6～7倍。当温度为2000℃时，NO的生成量就极为迅速。结合炉内最高温度随喷射角度的变化，看到炉内最高温度在角度增大到35°之前，一直在降低，但是过了35°后，开始缓慢增加，所以NO的浓度也开始增加。
4 炉内流速的分布

图11 5°时，喷口横截面速度向量图
Figure 11 The velocity distribution of flow
in the burners’ sectional surface whenα=5o

图12 20°时，喷口横截面速度向量图
Figure12 The velocity distribution of flow
in the burners’ sectional surface whenα=20o

图14 43°时，喷口横截面速度向量图
Figure 14 The velocity distribution of flow
in the burners’ sectional surface when α=43o

图13 35°时，喷口横截面速度向量图
Figure 13 The velocity distribution of flow
in the burners’ sectional surface whenα=35o

图11-14为喷口横截面的烟气速度分布图，对比这几种工况下的流速图，发现，当夹角为20°~35°时，在炉中心形成很大的漩涡，流速分布比较均匀的，因此温度比较均匀。而角度大于

35°湍流太大，形成了漩涡太大，不能使高温燃气与高温空气达到良好细化混合，结果致使燃料燃烧不充分，所以当角度增大时，出口处的天然气的浓度也随之增加，而出口温度随之减小。角度小于35°时，主要以小漩涡为主，虽然有利于燃料和空气的混合，但是小漩涡又是主要的能量耗散区，所以炉内最高温度比较高，平均温度比较低。
5结论
本文运用Fluent对天然气在高温蓄热式加热炉中的燃烧过程进行研究。考察了天然气和空气的流速不变时，考察了改变射流间的夹角，炉膛内温度、流速以及烟气的浓度分布情况。本节得出以下结论：
（1）空气射流喷射方向与天然气射流方向成一定的角度喷射时，不仅可以使天然气和空气射流剧烈混合，而且可以避免高温气流冲涮对面的炉墙，提高加热炉的寿命。
（2）当夹角有5°增加到50°时，炉内的最高温度和出口处的平均温度几乎呈线性降低，炉内平均温度成二次曲线变化先增大后减小，并且炉膛内的高温区越靠近喷口处。
（3）各工况均在距烧嘴喷口1m左右达到最高温度，随后温度变化不大，比较平缓。所以若给钢坯加热时，钢坯最好放置在距前后喷口1mm左右的位置。
（4）综合各方面的因素，当烧嘴夹角为35°时，炉内和钢坯表面温度比较均匀，并且NO生成量少，对钢坯的加热质量和降低环境污染非常有利。

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（原刊于《北京工业大学学报》2009年8月）