冶金爐蓄熱式加熱爐數(shù)值模擬研究

冶金爐蓄熱式加熱爐數(shù)值模擬研究

1蓄熱式加熱爐簡介高溫空氣燃燒技術(shù)是最新開發(fā)的先進燃燒技術(shù)。它具有多種優(yōu)點，如高效節(jié)能和低nox排放。此外，它還被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)燃燒技術(shù)。該技術(shù)自問世起,立刻受到了西方發(fā)達國家的高度重視,其在加熱工業(yè)中的應(yīng)用得到迅速推廣,取得了舉世矚目的節(jié)能環(huán)保效益。最近幾年,我國科研院所,有關(guān)院校及公司企業(yè)對該項技術(shù)作了創(chuàng)造性的應(yīng)用和發(fā)展,取得了一系列具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)于蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的研發(fā)成果。其中最具代表性的是蓄熱式加熱爐技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。加熱爐的工作空間較大,合理的燒嘴結(jié)構(gòu)和布置是實現(xiàn)蓄熱式高溫空氣燃燒,確保加熱效果的關(guān)鍵。以往,燃燒室和工業(yè)爐的設(shè)計主要靠直觀和經(jīng)驗以及大量實驗。上世紀70年代以來,由于大型計算機以及CFD、計算傳熱學(xué)以及計算燃燒學(xué)的迅速發(fā)展,目前已能用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算方法預(yù)測三維湍流兩相有化學(xué)反應(yīng)流動,可以預(yù)報燃燒室和工業(yè)爐中流場、壁面熱流、燃燒及污染物排放等各種場的分布細節(jié),有效地提供了進行最優(yōu)化設(shè)計及放大設(shè)計的新方法。數(shù)學(xué)模擬或計算機模擬可大大減少實驗所用的人力、物力和財力。本文通過對國內(nèi)某鋼廠蓄熱式加熱爐內(nèi)的流體流動、燃燒與傳熱過程進行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究,得到了一系列符合爐子實際的速度場、溫度場和濃度場分布情況。這對進一步優(yōu)化蓄熱式加熱爐設(shè)計具有十分重要的指導(dǎo)意義,對生產(chǎn)現(xiàn)場加熱爐工藝操作參數(shù)優(yōu)化也具有非常重要的意義。2爐爐的簡介以采用神霧蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)改造的國內(nèi)某鋼廠的空氣-煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐為研究對象,爐膛尺寸為25490mm×8150mm×5000mm,該爐采用蓄熱室的群合式布置方式,以高爐煤氣為燃料。圖1為工作原理示意圖,噴口對稱布置在爐子兩側(cè),兩側(cè)的噴口交替進行噴氣和排煙,噴口分布情況如圖2所示。3數(shù)值模擬3.1基本公式3.1.1nolds應(yīng)力張量及紊流功能和紊流耗散速度的計算對流動過程,采用標(biāo)準κ-ε湍流模型,其模型由下述控制方程組(數(shù)學(xué)表達式)表示。連續(xù)性方程?ρ?t+??(ρU)=Spm(1)?ρ?t+??(ρU)=Spm(1)動量方程?ρU?t+??(ρUU)=-??p+Fs+??πij+?ρg+SρU(2)?ρU?t+??(ρUU)=???p+Fs+??πij+?ρg+SρU(2)Reynolds應(yīng)力張量(πij)為πij=μeff[(?U+(?U)Τ)-23(??U)Ι]-23ρΚΙ(3)πij=μeff[(?U+(?U)T)?23(??U)I]?23ρKI(3)μeff=μ+μΤ?μΤ=Cμρk2εμeff=μ+μT?μT=Cμρk2ε紊流功能κ和紊流耗散速度ε的傳輸方程為:?ρk?t+??(ρUk)-?((μ+μΤσk)?k)=Gk+Gb-ρε(4)?ρk?t+??(ρUk)??((μ+μTσk)?k)=Gk+Gb?ρε(4)?ρε?t+??(ρUε)-?((μ+μΤσε)?ε)=C1εk(Gk=C3max(Gb?0))-C2ρε2k(5)?ρε?t+??(ρUε)??((μ+μTσε)?ε)=C1εk(Gk=C3max(Gb?0))?C2ρε2k(5)Gk為剪切產(chǎn)生項Gk=μeff?U?(?U+(?U)Τ)-23??U(μeff??U+ρk)(6)Gk=μeff?U?(?U+(?U)T)?23??U(μeff??U+ρk)(6)Gb是體積力產(chǎn)生項。若忽略旋轉(zhuǎn)與阻力產(chǎn)生項,則Gb=-μeffρσρg??ρ(7)Gb=?μeffρσρg??ρ(7)3.1.2yf及yf質(zhì)量分數(shù)燃燒過程采用混合燃燒模型,它假設(shè)燃料和氧化劑在瞬間不能并存,瞬時的質(zhì)量分數(shù)以下列關(guān)系式由瞬時的混合分數(shù)f給出。當(dāng)f≥fST(1-YPC)時YF=f-fSΤ(1-YΡC)1-fSΤ?Y0=0(8)YF=f?fST(1?YPC)1?fST?Y0=0(8)當(dāng)f<fST(1-YPC)時YF=0?Yo=1-YΡC-fYSΤ(9)YF=0?Yo=1?YPC?fYST(9)且:fSΤ=11+ifST=11+i產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)由下式給出YP=1-YF-Yo-YPC(10)式中:f為瞬時質(zhì)量分數(shù);YP為燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù);YF為燃料質(zhì)量分數(shù);Yo為氧化劑質(zhì)量分數(shù);YPC是碳燃燒產(chǎn)生的含碳氣體的質(zhì)量分數(shù);i為燃料與氧化劑混合比。采用即混即燃模型時,需要求解平均混合分數(shù)與混合分數(shù)f的脈動值g的方程,即?ρf?t+??(ρUˉf)-?((μΤσΤ+μσL)?ˉf)=0(11)?ρf?t+??(ρUg)-?((μΤσΤ+μσL)?g)=Cg1μΤ(?ˉf)2-Cg2ρεkg(12)3.1.3溫度和質(zhì)量分數(shù)方程的基本思想NOx產(chǎn)物模型可以和混合燃燒模型一起使用。NOx模型通過解傳輸方程求得體系內(nèi)的NO質(zhì)量分數(shù)。在采用HTAC燃燒技術(shù)時,應(yīng)求解HCN的質(zhì)量分數(shù)方程。采用熱力NOx反應(yīng)模型,考慮三個附加的反應(yīng)機理:一個反應(yīng)緣于燃燒裂解產(chǎn)物HCN等;一個反應(yīng)緣于HCN轉(zhuǎn)化為NO;另一個是NO和HCN相結(jié)合的NO消耗反應(yīng)。NO和HCN的傳輸方程為?ρmi?t+??(ρUmi)-??((μσL+μΤσΤ)?mi)=ρRi(13)瞬間的反應(yīng)速度RNO和RHCN在各個物種的溫度和質(zhì)量分數(shù)的脈動值的基礎(chǔ)上計算。平均反應(yīng)速率通過對假設(shè)的概率密度函數(shù)的積分建立。3.1.4傳熱循步系統(tǒng)的輻射傳遞方程在燃燒過程中,輻射換熱是基本的傳熱方式之一。考慮燃燒氣體為灰體介質(zhì),按照吸收和散射介質(zhì)輻射換熱的基本原理,傳熱遵遁以下輻射傳遞方程dΙλds=-(ka?λ+ks?λ)Ιλ+Κα?λΙb?λ=ks?λ4π4π0P(θ)IλdΩ(14)方程右邊第一項為介質(zhì)吸收和散射引起的輻射強度Iλ的減弱;第二項為介質(zhì)自身的容積輻射強度;第三項為各方向進入微元體的熱輻射在s方向上的散射。本文采用蒙特卡洛法求解,光子數(shù)10萬個。3.2邊境條件3.2.1進口截面假設(shè)進口采用Dirichlet條件,直接設(shè)定進口速度(或流量)。進口湍功能κ和動能耗散系數(shù)ε的值對于進口截面可以作如下假設(shè):κint=cp1u2int(15)εint=Cμκ1.5intcp2Dh(16)這里,uint為進口平均速度;cp1和cp2為經(jīng)驗數(shù)據(jù),根據(jù)速度而有所不同;Dh為水力直徑,Dh=4A/L,A為進口截面面積,L為進口截面周長。具體進口條件根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場生產(chǎn)實際確定。3.2.2出口條件由于蓄熱式燃燒采用引風(fēng)機抽引煙氣,因此本計算采用出口壓力邊界條件。3.2.3壁面條件紊流傳輸方程只能在全紊流區(qū)適用,對于近壁面,為了使用高雷諾數(shù)湍流模型,沿流動方向采用壁面函數(shù)。4計算結(jié)果和分析4.1熱段和均熱段閥換向動作不同步圖3、圖4分別給出了某工況下加熱爐內(nèi)A-A截面的速度場分布的矢量圖和云圖。該工況條件下,加熱爐的預(yù)熱段、加熱段和均熱段的四通換向閥的換向時間設(shè)為相同,但由于各段四通閥的換向動作設(shè)置為不同步(時間間隔可根據(jù)需要調(diào)節(jié)),使得爐內(nèi)氣體的流動狀況復(fù)雜多變。由圖可以看出,由于高速空氣射流的抽引,煤氣射流向空氣射流快速擴散,相互間發(fā)生強烈混合并逐漸形成旋渦,卷吸爐內(nèi)的煙氣,使煙氣在爐內(nèi)的停留時間延長,有利于形成低氧氣氛,實現(xiàn)高溫低氧燃燒。4.2煤氣使用的改造由于采用煤氣-空氣雙預(yù)熱的蓄熱式高溫空氣燃燒方式,一方面解決了單一的低熱值高爐煤氣的直接使用問題;更重要的是,采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)以后,加熱爐內(nèi)的氣體的溫度整體升高且更趨均勻,不存在局部高溫區(qū),如圖5所示。這樣一來,既增強了爐子的加熱能力,又保證了鋼坯長度方向上溫度的均勻性,提高了鋼坯的加熱質(zhì)量。4.3煙氣濃度分布爐內(nèi)氣體的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)。由于加熱爐工作過程是一個高溫條件下近乎封閉的過程,很難對爐內(nèi)的氣體進行取樣分析。通常是在煙道取樣分析,以期了解污染物的排放以及煤氣燃燒是否完全,難以確切把握爐內(nèi)氣體的燃燒狀況。本文計算了某工況下爐內(nèi)氣體的濃度分布。圖6、圖7分別為加熱爐內(nèi)A-A截面的氧氣濃度和煙氣濃度分布云圖。從圖可以看出,由于高速空氣射流的抽引,煤氣射流(圖中深色流股)迅速向空氣射流擴散;同時由于高溫?zé)煔獾木砘?空氣射流的氧氣濃度迅速降低,在整個爐內(nèi)形成了低氧氣氛。而在加熱爐寬度方向(鋼坯長度方向),煙氣主流可到對面爐墻,高溫?zé)煔馀c鋼坯之間的熱交換能力加強