趙博寧

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545007；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072）

加熱爐工作的好壞與爐膛內(nèi)爐氣的流動(dòng)情況關(guān)系很大，只有當(dāng)爐氣在爐內(nèi)合理流動(dòng)，并形成均勻的氣體流動(dòng)和爐溫，才能保證良好的加熱質(zhì)量和較高的生產(chǎn)率。為了使?fàn)t氣在爐內(nèi)合理流動(dòng)，燃料良好地燃燒是非常重要的因素。為了獲得良好的燃燒條件，首先要使燃料和空氣充分混合，只有混合充分，才能燃燒得完全，從而可以向爐膛提供更多的熱量?；旌系暮脡倪€影響火焰的長(zhǎng)度，進(jìn)而影響爐膛溫度的分布。影響爐膛內(nèi)氣流的流動(dòng)有很多因素，如爐膛結(jié)構(gòu)、空氣過(guò)剩系數(shù)、燒嘴安裝位置、空氣和燃料的射流角度等[1]。本文以天然氣蓄熱式加熱爐為例，主要研究了燒嘴安裝高度對(duì)爐膛內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律，通過(guò)計(jì)算掌握了燒嘴安裝高度對(duì)溫度場(chǎng)的分布和煙氣濃度的影響規(guī)律，為蓄熱式加熱爐大修改造和熱工制度改進(jìn)提供了方案。

1 模型的建立

1.1 實(shí)體模型建立

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(duì)象，燃燒空間的有效長(zhǎng)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)燒嘴交替進(jìn)行噴氣和排煙，燒嘴所用天然氣總量為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35000kJ/m3。由于天然氣理論空氣耗量為9.4，為了避免空氣噴口過(guò)大，故設(shè)計(jì)燒嘴有三個(gè)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(gè)燃燒單元，依靠橫向動(dòng)量形成湍流，以便組織爐膛內(nèi)燃料燃燒。同時(shí)，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工件?/p>

1.2 模型的簡(jiǎn)化

根據(jù)物理模型，我們對(duì)數(shù)學(xué)模型作如下抽象和簡(jiǎn)化：

（1）對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的加熱爐，溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)不隨時(shí)間變化，模型間研究其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布；

（2）爐膛內(nèi)氣體流動(dòng)是粘性氣體的湍流流動(dòng)；（3）氣相在網(wǎng)格內(nèi)是均勻的；

（4）用于火焰空間相連的薄圓柱體模擬加熱爐兩側(cè)安裝的燒嘴；

（5）天然氣的主要成分是CH4，將天然氣與空氣的燃燒反應(yīng)簡(jiǎn)化為CH4與空氣的燃燒反應(yīng)，其方程式為：CH4+2O2=CO2+2H2O，CH4的熱值將由天然氣的熱值進(jìn)行修正；

（6）爐墻和爐頂作為固壁考慮，其與火焰空間的熱交換按照壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其向外部空間的散熱損失為1000W/m2；

（7）加熱工件表面也作為固壁考慮。

1.3 數(shù)學(xué)模型

加熱爐的熱工過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，數(shù)學(xué)模型由連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程等基本方程組成[3]。模擬過(guò)程中具體應(yīng)用到微分方程[4]為：

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

組分方程

能量方程

k方程

ε方程

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；xj為直角坐標(biāo)系i方向的坐標(biāo)；uj為直角坐標(biāo)系i方向速度，m/s。uj為直角坐標(biāo)系j方向速度矢量，m/s；xi為直角坐標(biāo)系 j方向的坐標(biāo)；μef為湍流有效粘性系數(shù)，Pa·s；ms為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Γs為組分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；Rs為擴(kuò)散項(xiàng)或源項(xiàng)的生成率，s-1；h為熱焓，kJ/kg；Γh為熱擴(kuò)散系數(shù)，W/（m·K）；Sh為熱焓源項(xiàng)，W/m3；k為湍動(dòng)能，ut為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·sut=ρcuk2/ε 其中cu為系數(shù)，cu=0.09；Cp為系數(shù)，Cp=0.08～0.38；ε 為湍流耗散率，ut為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·sμt=ρcuk2/ε，其中cu為系數(shù)，cu=0.09；C1為系數(shù)，C1=1.44；C2為系數(shù)，C2=1.92。

2 計(jì)算工況（表1）

表1 燒嘴安裝高度計(jì)算工況表

加熱爐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，燒嘴安裝高度對(duì)工件的加熱有非常重要的影響。若安裝高度過(guò)低，火焰主流就會(huì)直接與加熱件接觸，使加熱件過(guò)熱或燒損，甚至?xí)霈F(xiàn)“跑料”現(xiàn)象；若安裝高度過(guò)高?；鹧嬷髁骱芸赡軙?huì)沖擊爐頂，減小爐墻壽命。本文在保持天然氣、空氣噴口射流速度和噴口間距，以及預(yù)熱溫度不變得情況下，通過(guò)改變燒嘴的位置來(lái)考察爐內(nèi)溫度場(chǎng)、流速分布及燃燒產(chǎn)物情況。

3 結(jié)果分析

3.1 爐內(nèi)溫度分布

表2是各個(gè)工況下爐膛內(nèi)溫度分布計(jì)算結(jié)果，從計(jì)算結(jié)果可知，高度為350時(shí)，爐內(nèi)最高溫度和平均溫度為最大，出口處的平均溫度最大，最高溫度與平均溫度之差最大；高度為550mm時(shí)，爐內(nèi)最高溫度和平均溫度為最小，出口處的平均溫度最小，最高溫度與平均溫度之差最小。為了保證加熱工件質(zhì)量，加熱爐必須具有良好的爐溫均勻性，即要求爐內(nèi)的鋼材具有相同的加熱經(jīng)歷，這樣才能使全部鋼料以及同一鋼料的不同部位達(dá)到相同的加熱溫度和金相組織，使鋼材具有均勻一致的物理性能、機(jī)械性能和力學(xué)性能[2]。因此這幾種高度中，550mm時(shí)，爐內(nèi)溫差最小，對(duì)工件加熱質(zhì)量最有用。

表2 各個(gè)工況下爐膛內(nèi)溫度分布計(jì)算結(jié)果

為了更清楚地看到爐內(nèi)溫度分布圖，截取各個(gè)高度的燒嘴噴口橫截面和縱截面溫度分布圖，如圖1、圖2所示。從橫截面分布看到，高度為350mm時(shí)，最高溫度為2450K左右，但是占到的區(qū)域比較小；高度為550時(shí)，最高溫度為2400K，占據(jù)的區(qū)域較大。再觀察縱截面的溫度分布，可以看到工件表面的溫度分布，高度為350mm時(shí)，工件表面最低溫度2150K，最高2400K，溫差為250K；而高度為550mm時(shí)，工件表面最低溫度2250K，最高2400K，溫差為150K。這說(shuō)明高度為550mm時(shí)，工件表面的溫差最小，對(duì)工件加熱越有利。同時(shí)說(shuō)明高溫區(qū)隨燒嘴位置的升高跟著上移，工件上表面的溫度不僅在不斷的減小，側(cè)表面的最低溫度也跟著降低。燒嘴距工件上表面越遠(yuǎn)，工件側(cè)表面的溫度分布越均勻。從上面的溫度分布圖和表2還可看到，當(dāng)工件處于工況4的條件下加熱時(shí)，加熱件的表面溫度較別的工況下要均勻。因?yàn)檫@時(shí)加熱件表面的溫度范圍最小，溫差最小。

3.2 爐內(nèi)煙氣的濃度分布

爐內(nèi)氣體濃度分布情況是判斷燒嘴的工作性能和加熱爐熱工特性的重要依據(jù)。由于加熱爐工作過(guò)程是一個(gè)高溫條件下近乎封閉的過(guò)程，很難對(duì)爐內(nèi)的氣體取樣分析。通常的方法是在煙道取樣分析，來(lái)了解污染物的排放以及燃?xì)馊紵欠裢耆?，但是這樣難以確切把握爐內(nèi)氣體的燃燒狀況，因此本文通過(guò)模擬的方法，分析了各個(gè)工況下爐內(nèi)氣體濃度的分布情況。

圖1 噴口截面溫度分布圖

圖2 天然氣噴口截面溫度分布圖

天然氣的主要成分是甲烷，燃燒產(chǎn)物主要由水、二氧化碳、氧氣、氮?dú)庖约拔慈急M的甲烷組成。NO主要是氮?dú)庠诟邷叵屡c氧氣氧化而成的，對(duì)環(huán)境危害較大，屬于大氣污染物的一種，因此本文還采用FLUENT軟件的NOx模型，計(jì)算了各個(gè)工況下NO的濃度。

由表3看到，隨著高度的增加，出口處CH4，CO2和NO的平均濃度隨之減少，O2平均濃度先減小再增大，當(dāng)高度為550mm時(shí)，O2的平均濃度最小。出口處CH4的平均濃度越少，說(shuō)明燃燒越充分，出口處O2越小，以避免燃料進(jìn)入蓄熱體而引起燃料的二次燃燒和浪費(fèi)。

與上面的溫度分布圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高度為350mm時(shí)，爐內(nèi)溫度最高，NO的生成量最多，這就證明了NO的生成量與溫度有很大的關(guān)系。但是高濃度NO區(qū)域并非與溫度分布一一對(duì)應(yīng)，這是因?yàn)镹O的生成不僅與溫度有關(guān)，還與當(dāng)?shù)豊、O的組分濃度有關(guān)。溫度越高，則N、O之間的化學(xué)反應(yīng)速率越高，但并不表明溫度高的地方NO的濃度就越高，當(dāng)?shù)豊O的濃度還應(yīng)該取決于在形成NO之前當(dāng)?shù)氐难鹾俊?/p>

表3 出口處各組分的摩爾濃度的比較

4 結(jié)論

（1）在燒嘴噴口間距，空氣、天然氣射流流速、噴射方向和溫度不變的前提下，改變燒嘴的安裝高度，對(duì)爐膛內(nèi)和加熱工件表面的溫度分布影響很大。

（2）根據(jù)上面的分析，燒嘴安裝高度距工件550mm時(shí)，加熱工件表面的溫度基本上處于2100K左右，同時(shí)較別的高度時(shí)溫度均勻。

（3）隨著高度的升高，出口處CH4，CO2和NO的平均濃度隨之減少，O2平均濃度先減小再增大，當(dāng)高度為550mm時(shí)，O2的平均濃度最小。

（4）根據(jù)上面的分析，燒嘴安裝高度距工件550mm時(shí)，燃燒最充分，爐內(nèi)溫差最小，加熱工件表面的溫度最均勻。