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1、2010年 第 31 卷 第1 期中 北 大 学 学 报(自然科学版)Vol.31No.12010(总第129 期)JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA(NATURAL SCIENCE EDITION)(Sum No.129)文章编号:1673-3193(2010)01-0088-07燃烧参数对炉内温度场、流场和浓度场的影响X李健,邓学良,杨坤(西北工业大学 材料学院,陕西 西安 710072)摘要:对天然气在高温蓄热式加热炉中的燃烧技术,运用 Fluent 软件通过数值模拟进行了研究.主要分析了影响炉膛内气流流动和温度分布的因素.研究结果表明:气流的相对速
2、度对加热炉炉膛内的温度分布有很大的影响.天然气射流和空气射流的相对速度越小,加热炉内的高温区域越大,而且炉膛内的平均温度愈高,炉内的温度均匀性愈好;当空气的预热温度不变时,仅提高天然气的预热温度,炉内的最高温度和平均温度会随之提高;当空气的温度比较低时,随着天然气的预热温度的升高,燃烧产物中NO的浓度呈指数规律升高;当空气的预热温度升高时,NO 的浓度随天然气的预热温度的升高呈指数规律降低.关键词:天然气;蓄热式燃烧技术;流场;温度场;浓度场中图分类号:TG315.1文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-3193.2010.01.018Combustion Parame
3、ters Influence on Temperature Field,Flow Field and Concentration Field in FurnaceLI Jian,DENG Xue-liang,YANG Kun(School of Materials Science,Northwestern Polytechnical University,Xi an 710072,China)Abstract:Numerical simulation of temperature field in high temperature regenerative heating furnacewas
4、 studied by using Fluent software.T he gas parameters influencing temperature field,flow field andconcentration field in furnace were mainly analyzed.The research results are as follows:the relativespeed of the air flow plays a vital role in temperature distribution;the lower the relative speed of j
5、et flowbetween the natural gas and the air,the wider the high temperature zone is;moreover,the higher theaverage temperature in the furnace is,the better the homogeneity of average temperature is;when theair preheating temperature is constant,to improve the preheating temperature of nature gas,thema
6、ximum temperature in the furnace also can enhance along with it;when the temperature of air islower,the concentration of NO increases exponentially with the air preheating temperature increased;however,when the temperature of the air is higher,the concentration of NO decreases exponentiallywith the
7、air preheating temperature increased.Key words:natural gas;combustion technique with heat accumulation;flow field;temperature field;concentration field天然气是一种优质的气体燃料,因其具有热值高、燃烧稳定、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天然气改造,结果发现天然气不仅热值高,而且洁净,既有利于实现对燃烧的控制,还可以有效地解决环境污染问题 1-2.以天然气在高温蓄热式
8、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.在研究中有两个关键问题需要解决:研究加热炉火焰空间温度场和速度场;对于获得的微分方X收稿日期:2009-03-15作者简介:李健(1961-),男,副教授,硕士.主要从事材料加工研究.程组,因为模型不能直接求解,还需要化学反应模型和辐射传热模型 3-4.本文探索直接利用 Fluent 软件的模型来求解.Fluent 求解的思路和步骤是:首先根据实际情况抽象出并且建立物理模型;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计算直至达到可接受的
9、结果 5.本文采用前处理软件 gambit 进行几何建模和网格的划分,数学模型的求解将借助于 Fluent 软件进行计算,计算结果的后处理将使用 T ecplot 软件,把数值模拟得到的结果用图像来拟合,直观地表示速度场的运动情况和温度分布,实现计算结果可视化.1天然气射流和空气射流的相对速度1.1炉膛燃烧参数的设定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4 200 mm,宽为 4 200 mm,高度为 3 600 mm.炉墙两侧分别布置两组烧嘴,两侧烧嘴交替地进行喷气表 1锻造加热炉主要参数Tab.1M ajor parameters of forg
10、ing heat furnace最高炉温 Tmax/1 300最大生产能力/kg.h-1300燃料种类天然气燃料低发热量/kJN m-335 000炉底热强度/kJ(m2h)-11.506106最大燃料消耗量/Nm3h-1760空气过剩系数A=1.02和排烟.烧嘴所用的天然气总量为 759.02 m3/h,理论所需的助燃空气量为 7 796.91 m3/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 35 000 kJ/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 3 个喷 口,中 间 喷 口 喷 天然 气,直 径 为240 m
11、m;两侧喷口喷空气,直径为 360 mm.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,空气、燃气烧嘴喷口水平安装,有利于空气、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 1.1.2研究对象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 3:连续性方程5Q5t+55xi(Q ui)=0;(
12、1)动量方程55 t(Q ui)+55xj(Q uiuj)=-5p5xi+55xj(Sij);(2)组分方程55t(Q ms)+55 xj(Q ujms)=55xj(LSc55xjms)-X-s;(3)能量方程5(Q CPT)5t+55xj(Q ujCPT)=55 xj(LPr5CPT5xj)+X-sQs.(4)式中:Sij为粘性应力,Sij=L(5ui5xj+5uj5xi)-23LDij.对上述控制方程取雷诺均值时,出现雷诺相关项,使得上述方程不再封闭.封闭雷诺方程组的最简单方法是采用 Boussinesq(1877)提出的涡流粘性假设,根据该假设雷诺应力可定义为-QLiLj=Lt(5ui5
13、xj+5uj5xi)-23L5uk5xkDij;(5)并根据此假设可得到其它类似的假设QLifs=LtSc(5fs5xj),(6)89(总第129期)燃烧参数对炉内温度场、流场和浓度场的影响(李健等)-Q CPLjT=LtPr55xj(CPT-).(7)将其代入经雷诺时均后的控制方程组可得到下列方程组55t(Qui)+55xj(Quiuj)=5p-5xi+55xj Le(5 ui5xj+5uj5xi)-2355xi(L5uj5xi),(8)55t(Qms)+55xj(Qujms)=55xj(LeSc5ms5xj)-Xs,(9)55t(Q CPT-)+55xi(QujCPT-)=55 xjLeP
14、r55xj(CPT-)+XsQs.(10)其中:Le=Lt+L;L 为层流动力粘性系数,而 Lt为湍流动力粘性系数,该值未知.因此处理雷诺方程组的问题转化为求解湍流粘性系数 Lt和湍流燃烧速率 Xs的问题.计算湍流粘性系数 Lt的方法就是所谓的湍流模型.目前,计算湍流模型的种类很多,如零方程模型、单方程模型、双方程k-E模型、雷诺应力模型和代数应力.由于 k-E模型形式简单,使用方便,多年来被广泛应用于工程问题,因此本文也采用双方程 k-E模型.在 k-E双方程模型中湍流粘性系数定义为 3Lt=CLk2/E,(11)式中:CL=0.09;k 为湍流动能;E为湍流耗散率.k 和 E的控制方程分别
15、表示为5(Q k)5t+ui5(Q k)5xj=Q p-Q E+55xj(L+LtRk)5k5xj,(12)55t(Q E)+uj55xj(Q E)=CE 1QEkp-CE2QE2k+55xj(L+LtRE)5E5xj.(13)湍流动能产生项p=2LtQSijSij,Sij=12(5uj5xi+5 ui5xi),(14)式中:Q为流体密度,kg/m3;t 为时间,s;p 为压力,Pa;i,j 代表 1,2,3;uj为直角坐标系 j 方向的速度矢量,m/s;xj为直角坐标系 j 方向的坐标;Lt为湍流粘性系数,Pas;ut=Qcuk2/E,cu为系数,cu=0.09;L 为层流粘性系数,Pas;
16、Rk,RE分别为 k 和 E的湍流 Prandtl 数,CE 1=1.44,CE 2=1.92,RE=1.0,Rk=1.3;k 为湍流脉动动能,k=12uiuj;E为湍流脉动动能耗散系数,E=CDk3/2l,CD为系数,CD=0.080.09;l 为湍流脉动普朗特混合长度.1.3计算工况文献 6 介绍到,射流的混合一般与气流绝对速度无关,只和两射流的相对速度有关,相对速度愈大,混合强度愈高.但是影响射流的混合强度的因素有很多,上述结论是在气流的其余参数不变的前提下.本文主要考察在空气过剩系数一定的条件下,也就是燃气和空气的质量流量一定的条件下,对于不同的气流相对速度、炉膛内温度及流速分布的情况
17、.表 2 为计算的操作条件参数.表 2计算的操作条件参数Tab.2Calculated parameters of operation condition工况天然气射流速度u10/ms-1空气射流速度u20/ms-1射流速度比u20/u1017.1720.793.028.9920.792.3313.6720.791.5由表 3 可知,工况 3 的最高温度和平均温度最高.这主要是因为最高温度是由燃料的燃烧情况所决定的,而平均温度则是由炉膛内的整体温度而决定的.各个工况是在质量、流量相同的条件下计算的,当天然气射流的流速增加时,相应地其温度也随之升高,也就是说其预热温度随之升高.燃料的预热温度越高
18、,越有利于燃料的燃烧,燃料的燃烧温度也越高,因此工况 3 温度最高.结合图 1 和图 2 可看出,工况 3 的高温区域面积最大,因而炉膛内平均温度也最高.1.4炉内温度分布由于位于炉子两端的烧嘴不仅相同,而且成对称布置,通过换向开关实现气流转换,因此在本研究中,截取 1/2 喷口截面来观察炉膛内温度、流速以及浓度分布情况.图 1 和图 2 为各个工况在相同天然90中 北 大 学 学 报(自然科学版)2010 年第1 期气和空气射流的质量流量下,射流相对速度的大小对炉膛内的温度分布云图.当射流的速度比减小时,炉膛内高温区域的面积反而增大.这表明射流的速度比越小,扩散燃烧区越大,相应的火焰也扩大.
19、图 1工况1,2,3 天然气喷口截面的温度分布云图Fig.1T emperature field on the fuel burners section图 2工况 1,2,3 喷口横截面的 CH4浓度分布云图Fig.2Mass fraction of CH4on the burnerscross section表 3各个工况下炉内温度分布计算温度Tab.3Calculated result of temperature distribution in the inner heating furnace工况炉内最高温度/K炉内平均温度/K出口平均温度/K12 447.4182 207.3832
20、314.62422 479.0332 226.3932 336.47632 539.3862 249.4842 368.956由表 3 可知,工况 3 的最高温度和平均温度最高.这主要是因为最高温度是由燃料的燃烧情况所决定的,而平均温度则是由炉膛内的整体温度而决定的.各个工况是在质量、流量相同的条件下计算的,当天然气射流的流速增加时,相应地其温度也随之升高,也就是说其预热温度随之升高.1.5炉内烟气的浓度分布炉内气体浓度的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,故很难对炉内的气体取样分析.通常的方法是在烟道取样分析,来了解污染物
21、的排放以及燃气燃烧是否完全,但是这样难以确切把握炉内气体的燃烧状况,因此本文通过模拟的方法,分析了各个工况下炉内气体浓度的分布情况.天然气的主要成分是甲烷,燃烧产物主要由水、二氧化碳、氧气、氮气以及未燃尽的甲烷组成.NO主要是氮气在高温下与氧气氧化而成的,对环境危害较大,属于大气污染物的一种,因此本文还采用FLUENT 软件的 NOx模型,计算了各个工况下 NO 的浓度.表 4各组分的质量浓度Tab.4Average mass fraction of the component工况炉内O2的平均浓度出口处NO 的质量浓度出口处CH4的质量浓度出口处O2的质量浓度10.004 439 2920.
22、001 910 362 10.015 931 3345.662 702e-0620.004 511 0170.001 834 465 40.015 914 845.504 871e-0630.004 562 1330.001 663 4750.015 966 5085.374 563e-06由表 4 可以看出,当空气和天然气的射流的相对速度比越小时,出口处 O2和 NO 的浓度最低,炉内91(总第129期)燃烧参数对炉内温度场、流场和浓度场的影响(李健等)O2的平均浓度反而最高.O2的浓度低,可以避免燃料进入蓄热体而引起燃料的二次燃烧和浪费.炉内 O2的平均浓度最高,出口处最低,说明相对速度比
23、越小,烟气在炉内停留的时间越长,这对实现高温低氧燃烧非常有利.图 2 至图 4 为加热炉烧嘴喷口截面的 CH4以及 O2的浓度和 NO 浓度分布云图.由图可以看到,每个工况下都是进口处燃料和氧浓度很高,炉内其余区域燃料和氧浓度较低,出口附近的燃料浓度和氧浓度比较低.图 3工况 1,2,3 喷口横截面O2的浓度分布云图Fig.3M ass fraction of O2on the burners cross section图 4工况 1,2,3 喷口截面 NO 的浓度分布云图Fig.4Mass fraction of NO on the burners section图 5工况 1,2,3 天然
24、气喷口截面的速度等值线图Fig.5Flow field on the fuel burners section将 NO 的浓度分布图与温度分布图对比,发现 NO 的最大值均出现在高温区域,这就证明了 NO 的生成量与温度有很大的关系.但是高浓度 NO 区域并非与温度分布一一对应,这是因为 NO 的生成不仅与温度有关,还与当地 N,O 的组分浓度有关.温度越高,则 N,O 之间的化学反应速率越高,但并不表明温度高的地方 NO 的浓度就越高,当地 NO 的浓度还应该取决于在形成 NO 之前当地的氧含量.同样,将这 3 个 NO 的浓度分布图进行对比,发现工况 3 在出口处 NO 的浓度最低,这再一
25、次证明了温度对 NO 的生成有明显的促进作用.1.6炉内流速的分布流体的流动,可分为层流运动和湍流运动.层流运动的分析是以分子运动论为基础;湍流运动,单个分子的行为已缺乏代表性,研究着眼点转移到分子微团(漩涡)的形成、运动、破碎及相互作用.从物理图像来看,所有的湍流是由无数大小的漩涡构成的,通常是大漩涡位于流体中心,是主要的载能区和储能区;小漩涡位于壁面附近,是主要的能量耗散区.小漩涡的能量由大漩涡补充,大漩涡变形、撞击后破碎生成新的小漩涡,很多小漩涡的耗散导致新的大漩涡形成.大漩涡具有很强的方向性,破碎成小漩涡后逐渐变得均匀而各向异性.速度场中等值线的分布可以反映燃烧物质的均匀程度.对于炉内
26、中心部分,对应高速喷射口,均匀92中 北 大 学 学 报(自然科学版)2010 年第1 期的速度分布说明燃烧物质的混合更为充分.也就是说,在有效的空向内,较大的喷射速度能尽快进入较为均匀的速度场,对于燃烧是有利的.由图 5 可知,由于两侧射流有较强的引射作用以及入口界面的突扩和出口截面的的突缩作用的影响,沿加热炉内壁形成了一个较大的回流区.中心射流和两侧射流由入口进入炉膛,发生了混合作用.当射流间距一定时,射流间相互作用区域沿射流方向延伸,混合后的射流向下偏移,在炉中心形成很大的漩涡.对比上面 3 个流速图,发现工况 3 中,射流的偏转角度比其余工况下都大,在炉内形成的漩涡面积也最大,这对炉内
27、温度的均匀性很有利.因此工况 3 的炉内平均温度最高.这说明当两射流的质量流量不变时,射流的速度比越小,天然气射流受空气射流的影响越大.同时天然气射流偏转角度越大,射流间的混合程度越剧烈,天然气和空气燃烧就愈强烈,因此最高温度和平均温度也越高.图中的小圆圈代表了小漩涡.显然,123 越来越多,说明小漩涡在增加.从工况 123,天然气喷射速度越来越大,X 方向上的等值线密度越来越大,说明炉内气氛的混合比更高;而在 Y 方向上,从每根 X 等值线上的分布点就可以看出,排列越来越整齐,说明混合比高.因此,工况 3 优于工况 2,工况 2 优于工况 1.右侧大漩涡是有区别的:工况 3 漩涡的内孔尺寸更
28、大,说明该漩涡的能量更大,其破碎后能形成的小漩涡将更多、更小,这有利于燃烧.2天然气的预热温度对炉内温度场和浓度场的影响2.1计算工况在前一节模拟的基础上,选取天然气的流速为 20.78 m/s,空气的流速为 9.95 m/s,将它们的温度分别预热到 700,800,900,1 000,1 100,1 200,1 300 和 1 400,研究预热温度对炉内温度场和组分的影响.由于预热的热源来自燃烧的烟气,有着相当高的温度.设定较高的预热温度就是为了检验在高出常规预热温度的情况下,判断预热温度对炉内温度场分布特征及燃烧组分的影响.计算时其余参数见表 5.表 5计算的操作参数Tab.5Calcul
29、ated parameters of operation condition参数喷射角度A/()射流之间的距离s/mm天然气的流速/ms-1空气的流速/ms-1各个喷口距炉底的距离/mm数据354509.9520.781 6502.2炉内温度场的分布从图 6 可以看出,天然气、空气的预热温度越高,炉内最高温度也越高;但是,当天然气预热温度达到一定值后,炉内平均温度呈下降趋势,显然炉内的温度场分布发生了重大改变.也就是说,温度更加不均匀.可见,并非天然气预热的温度越高越好,而是在某个值时才能有更加均匀的炉温.图 7 给出了炉内平均温度随进口处天然气预热温度的变化.随着天然气预热温度的升高,炉内的
30、平均温度呈先升高后降低的变化趋势,并且降低的速度远大于升高的速度.空气预热温度越高,曲线的转折点出现得越晚.由上面的图还可看到,若天然气的温度一定时,升高空气的预热温度,炉内的平均温度也随之上升.这说明,天然气和空气的预热温度同时决定着炉内的平均温度.2.3炉内烟气的浓度分布图 8 和图 9 分别为出口处 CH4,O2的浓度随天然气的预热温度的变化.由图中可以看到,当空气预热温度不变时,CH4的浓度随温度的升高呈近似线性下降,而 O2的浓度成近似指数性升高.同时看到空气的温度越高,CH4的浓度越高,O2的浓度越低,说明提高天然气和空气的预热温度,可以使燃料充分燃烧,同时炉内 O2浓度较低,这也
31、为实现炉内温度场及浓度场等参数的优化奠定了基础,对实现低氧燃烧和减少钢坯氧化烧损量非常有利.93(总第129期)燃烧参数对炉内温度场、流场和浓度场的影响(李健等)图 6炉内最高温度随天然气的预热温度的变化Fig.6Tmaxchanging with the Tfuel图 7炉内平均温度随天然气的预热温度的变化Fig.7Tavechanging with the Tfuel图 8出口处 CH4的浓度随天然气的预热温度的变化Fig.8Average mass fraction of CH4changing with the Tfuel图 9出口处氧浓度随天然气的预热温度的变化Fig.9Averag
32、e mass fraction of O2changing with the Tfuel3结论本文采用前处理软件 gambit 进行了几何建模和网格的划分,数学模型的求解将借助于Fluent 软件进行计算,计算结果的后处理将使用 Tecplot 软件,把数值模拟得到的结果用图像来拟合,直观地表示了速度场的运动情况和温度分布,实现了计算结果可视化.1)气流的相对速度对加热炉炉膛内的温度分布有很大的影响.天然气射流和空气射流的相对速度越小,加热炉内的高温区域越大;而且炉膛内的平均温度愈高,炉内的温度均匀性愈好.2)当空气的预热温度不变时,仅提高天然气的预热温度,炉内的最高温度和平均温度会随之提高;
33、当空气的温度比较低时,随着天然气的预热温度的升高,燃烧产物中 NO 的浓度呈指数规律升高.3)当空气的预热温度升高时,NO 的浓度随天然气的预热温度的升高呈指数规律降低.参考文献:1唐炼.世界能源供需现状与发展趋势J.国际石油经济,2005(1):30-33.T ang Lian.Global energy supply versus demand:current status and growth curveJ.International PetroleumEconomics,2005(1):30-33.(in Chinese)2 Nabil Rafidi,Wlod Zimierz Blas
34、iak.Heat transfer characteristics of HTAC heating furnace using regenerativeburnersJ.Applied T hermal Engineering,2006,26:2027-2034.3 Hasegawa T,Tanaka R,Niioka T.High temperature air combustion contributing to energy saving and pollutantreduction in industrial furnace J.T he Federation of Engineeri
35、ng Societies of China Association for Science andTechnology,1999,35(2):102-114.4Gupta A K,Bolz S.Effect of air preheat temperature and oxygen concentration on the flame structhre and emissionJ.Journal of Energy Resources Technology,1999,121:209-216.5 Yuan J,Naruse I.Modeling of combustion characteristics and NOxemission in highly preheated and diluted aircombustionJ.International Journal of Energy Research,1998,22:1217-1234.6曹诗倬.锻造加热设备M.北京:机械工业出版社,1989:5-25,51-59.94中 北 大 学 学 报(自然科学版)2010 年第1 期