2010年第31卷第1期中北大学学报(自然科学版)V ol.31　N o.1　2010 (总第129期)JOURNAL O F NORTH UNIVERSIT Y O F CHINA(NATURAL S CIENCE 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F luent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N O的浓度呈指数规律升高;当空气的预热温度升高时,N O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:　T G315.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2010.01.018Combustion Parameters Influence on Temperature Field, Flow Field and Concentration Field in FurnaceLI Jian,DENG Xue-liang,YA NG Kun(Scho ol of M at eria ls Science,N or thw est ern Po ly technical U niver sity,Xi’an710072,China)Abstract:Numerical simulation of tem perature field in hig h tem peratur e regenerative heating furnace w as studied by using Fluent so ftw are.T he gas param eters influencing temper ature field,flow field and co ncentratio n field in furnace w ere m ainly analy zed.The research results are as follo ws:the relative speed of the air flow plays a vital role in temperature distribution;the low er the relative speed of jet flo w betw een the natural gas and the air,the wider the high temper ature zone is;m oreover,the higher the average temper ature in the furnace is,the better the hom ogeneity of aver ag e temperature is;w hen the air preheating temper ature is constant,to im prov e the preheating temperature o f nature gas,the max imum temper ature in the furnace also can enhance alo ng w ith it;w hen the temperature o f air is low er,the concentration of N O increases ex ponentially w ith the air preheating tem perature increased; how ev er,w hen the temper ature of the air is higher,the concentr ation of NO decreases ex po nentially w ith the air preheating temperature increased.Key words:natural g as;combustion technique w ith heat accum ulation;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:¹研究加热炉火焰空间温度场和速度场;º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,两侧烧嘴交替地进行喷气表1　锻造加热炉主要参数Tab .1　M ajor param eter s of for ging h eat furnace 最高炉温T m a x /℃1300最大生产能力/kg.h -1300燃料种类天然气燃料低发热量/kJ ・N m -335000炉底热强度/k J ・(m 2・h )-1 1.506×106最大燃料消耗量/Nm 3・h -1760空气过剩系数A =1.02和排烟.烧嘴所用的天然气总量为759.02m 3/h ,理论所需的助燃空气量为7796.91m 3/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CH 4,其平均热值为35000kJ/m 3.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5Q 5t +55x i (Q u i )=0;(1) 动量方程55t (Q u i )+55x j (Q u i u j )=-5p 5x i +55x j (S ij );(2) 组分方程55t (Q m s )+55x j (Q u j m s )=55x j (L S c 55x j m s )-X -s ;(3) 能量方程5(Q C P T )5t +55x j (Q u j C P T )=55x j (L P r 5C P T 5x j )+X -s Q s .(4)式中:S ij 为粘性应力,S ij =L (5u i 5x j +5u j 5x i )-23LD ij .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-QL ′i L ′j =L t (5u i 5x j +5u j 5x i )-23L 5u k 5x k D ij ;(5)并根据此假设可得到其它类似的假设QL ′i f ′s =f (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 C P L ′j T ′=L t P r 55x j (C P T -).(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 (Q u i )+55x j (Q u i u j )=5p -5x i +55x j [L e (5u i 5x j +5u j 5x i )-2355x i (L 5u j 5x i)],(8)55t (Q m s )+55x j (Q u j m s )=55x j (L e S c 5m s 5x j)-X s ,(9)55t (Q C P T -)+55x i (Q u j C P T -)=55x j [L e P r 55x j (C P T -)]+X s Q s .(10)其中:L e =L t +L ;L 为层流动力粘性系数,而L t 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L t 和湍流燃烧速率X s 的问题.计算湍流粘性系数L t 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[3]L t =C L k 2/E ,(11)式中:C L =0.09;k 为湍流动能;E 为湍流耗散率.k 和E 的控制方程分别表示为5(Q k )5t +u i 5(Q k )5x j =Q p -Q E +55x j [(L +L t R k )5k 5x j],(12)55t (Q E )+u j 55x j (Q E )=C E 1Q E k p -C E 2Q E 2k +55x j [(L +L t R E )5E 5x j ].(13)湍流动能产生项p =2L t Q S ij S ij ,S ij =12(5u j 5x i +5u i 5x i ),(14)式中:Q 为流体密度,kg /m 3;t 为时间,s;p 为压力,Pa;i ,j 代表1,2,3;u j 为直角坐标系j 方向的速度矢量,m/s;x j 为直角坐标系j 方向的坐标;L t 为湍流粘性系数,Pa ・s;u t =Q c u k 2/E ,c u 为系数,c u =0.09;L 为层流粘性系数,Pa ・s ;R k ,R E 分别为k 和E 的湍流Prandtl 数,C E 1=1.44,C E 2=1.92,R E =1.0,R k =1.3;k 为湍流脉动动能,k =12u ′i u ′j ;E 为湍流脉动动能耗散系数,E =C D k 3/2l ,CD 为系数,C D =0.08～0.09;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.表2为计算的操作条件参数.表2　计算的操作条件参数Tab .2　Calculated par ameters of operation con dition 工况天然气射流速度u 10/m ・s -1空气射流速度u 20/m ・s -1射流速度比u 20/u 1017.1720.79 3.028.9920.79 2.3313.6720.79 1.5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,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.图1　工况1,2,3天然气喷口截面的温度分布云图Fig .1　T emperatur e field on th e fuel bu rners ′section图2　工况1,2,3喷口横截面的CH 4浓度分布云图Fig .2　M ass fraction of CH 4on the burners ′cross s ection表3　各个工况下炉内温度分布计算温度Tab .3　Calculated result of temperature distribution in th e inner h eating furn ace 工况炉内最高温度/K 炉内平均温度/K 出口平均温度/K 12447.4182207.3832314.62422479.0332226.3932336.47632539.3862249.4842368.956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FLU ENT 软件的NO x 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 .4　Average mass fraction of the comp on ent 工况炉内O 2的平均浓度出口处NO 的质量浓度出口处CH 4的质量浓度出口处O 2的质量浓度10.0044392920.00191036210.015931334 5.662702e-0620.0045110170.00183446540.01591484 5.504871e-0630.0045621330.0016634750.015966508 5.374563e -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O 2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)O 2的平均浓度反而最高.O 2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O 2的平均浓度最高,出口处最低,说明相对速度比越小,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CH 4以及O 2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O 2的浓度分布云图Fig .3　M as s fraction of O 2on th e burners ′cross section图4　工况1,2,3喷口截面NO 的浓度分布云图Fig .4　M ass fraction of NO on the bur ners ′section图5　工况1,2,3天然气喷口截面的速度等值线图Fig .5　Flow field on the fuel bu rner s ′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,1→2→3越来越多,说明小漩涡在增加.从工况1→2→3,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20.78m/s,空气的流速为9.95m /s,将它们的温度分别预热到700℃,800℃,900℃,1000℃,1100℃,1200℃,1300℃和1400℃,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 .5　Calculated parameters of oper ation condition 参数喷射角度A /(°)射流之间的距离s /mm 天然气的流速/m ・s -1空气的流速/m ・s -1各个喷口距炉底的距离/m m 数据354509.9520.7816502.2　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CH 4,O 2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,CH 4的浓度随温度的升高呈近似线性下降,而O 2的浓度成近似指数性升高.同时看到空气的温度越高,CH 4的浓度越高,O 2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O 2浓度较低,这也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.6　T max chan ging with the Tfuel 图7　炉内平均温度随天然气的预热温度的变化Fig.7　T a ve changing w ith the Tfuel图8　出口处CH4的浓度随天然气的预热温度的变化Fig.8　Aver age m as s fraction of CH4chan ging with the Tfuel图9　出口处氧浓度随天然气的预热温度的变化Fig.9　Average mas s fr action of O2ch an ging w ith the T fue l3　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;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 L ian.Global energ y supply v ersus demand:curr ent stat us and g r ow th curv e[J].Inter nat ional P etr oleum Econo mics,2005(1):30-33.(in Chinese)[2]　Nabil Rafidi,W lod Zimier z Blasiak.Heat tr ansfer char acterist ics o f HT A C heat ing furnace using r egenera tiv ebur ner s[J].A pplied T hermal Engineer ing,2006,26:2027-2034.[3]　Ha seg aw a T,T anaka R,N iio ka T.High tempera tur e air com bustio n contr ibuting to ener gy 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