ＣＦＤ技術在工業爐設計研究中的應用

摘要：本文對當前國內工業爐設計中計算流體力學方法(CFD)的應用情況進行的匯總分析，認為將CFD技術引入工業爐設計，可以大大提高設計效率和設計質量，優化供熱，降低排放。目前CFD技術在工業爐開發中應用尚處于起步階段，需要國家相關政策積極推進。

關鍵詞：CFD；工業爐；設計；研究

一、引言

在最近三十年間，計算流體力學(CFD)技術得到了飛速發展。工業爐是工業生產特別是鋼鐵行業中的耗能和排放大戶。降低工業爐燃耗，提高加熱質量，減少NOx等有害物質排放是研究人員孜孜以求的目標。在工業爐設計中引入CFD技術，可以減少設計失誤和實驗研究所消耗的費用和時間，預測爐內氣流、溫度、污染物等分布，結合相應的優化技術對各項指標進行最優化計算，以達到高效低排放的目標。

目前，國內已經有一些科研機構和企業公司在工業爐研究設計中運用了CFD技術，獲得了良好的效果。目前的應用范圍主要在以下幾個方面：爐內流場的仿真和優化；爐內傳熱的仿真和優化；爐內化學反應過程的研究；新型燃燒技術研究；全爐仿真模擬。

二、CFD技術在工業爐設計中的應用

1、爐內流場的仿真和優化

利用CFD技術模擬了層流水冷系統中層流冷卻裝置內部流場和冷卻水自由下落后的外部流場，并通過對仿真流場的分析，優化設計了冷卻裝置內部結構，精確地確定了控制冷卻數學模型中強迫對流寬度值，為提高控冷系統的控制精度奠定了基礎。

利用大型計算軟件建立輥底式熱處理爐均熱段流場的數學模型，采用k-ξ紊流模型數值模擬爐內的湍流流動，獲得爐內冷態條件下的氣體流動，流速的分布規律，并根據不同的爐子結構尺寸以及邊界條件下得出的流場分布圖，對該類爐型進行結構優化及操作改良，調整了爐內的氣流分布，使爐內流場分布更加均勻，同時大大減小了能耗，降低了機械磨損。

2、爐內傳熱的仿真和優化

闡述了管式裂解爐輻射室管外傳熱模型在管式工業裂解爐設計中的重要意義，對管式裂解爐管外傳熱模型的發展歷程和現狀進行了綜述，對目前應用的管式裂解爐輻射室管外傳熱模型進行了詳細的介紹(如區域法、蒙特卡洛法、熱通量法和流體力學計算法)，總結了各類模型的優缺點，對各類模型的計算精度進行了比較，指出多維模型與流體力學計算法相結合用于工業裂解爐的設計，是管式裂解爐輻射室管外傳熱模型的重要發展方向。

借助CFD商業軟件CFX，考慮流動、輻射、燃燒等，對寶鋼環形加熱爐的熱工過程進行了數值模擬，得到了爐膛內的溫度、速度矢量等熱工參數的分布圖。通過簡化處理，對環形加熱爐各控制段內的加熱過程進行了模擬分析，并根據所得到的管坯表面輻射熱流、熱電偶溫度及管坯表面溫度研究了各個段總括熱吸收率的分布情況，主要分析了總括熱吸收率在管坯圓周方向、長度方向以及各個段之間的變化規律。

3、爐內化學反應過程的研究

基于計算燃燒學的原理和CFD軟件對燃燒重油的焙燒爐爐內的流動和燃燒過程進行了數值模擬計算，討論了爐內溫度場、流場的分布規律，分析了結構因素對焙燒爐內流動和燃燒分布的影響。從爐子結構的設計角度提出了解決爐內溫度場、流場的分布不均勻的方案。研究表明，在設計焙燒爐時合理地布置拉磚的位置有利于改善爐內流動和燃燒的分布。

應用商業CFD軟件Fluent建立氣化過程熱態模型，對某化肥廠Texaco水煤漿氣化爐進行了三維數值模擬。計算中采用簡化PDF模型描述爐內的化學反應，將水煤漿看作燃料流，氧氣看作氧化劑流，根據對冷態流場的計算，采用六面體結構網格為主的網格劃分；Realizable K2 δ湍流模型封閉湍流方程；dpm模型考察氣體和顆粒相耦合，隨機軌道模型對顆粒相進行追蹤，P21輻射模型計算爐內輻射特性；同時編制UDF函數模擬焦炭和O₂、H2₀、以及H₂的顆粒異相反應。通過與工業數據的對比，證明該模型能夠真實反應氣化爐內的物理特性，同時表明工業爐內的同相反應基本達至0化學平衡。

4、新型燃燒技術研究

基于商業軟件CFX4.3和自編程序，建立了三維非穩態HTAC加熱爐內熱過程的CFD仿真系統，并以國內某HTAC加熱爐為對象，分析了不同的換向燃燒組織方式對HTAC加熱爐內多燒嘴噴射射流的卷吸、燃燒現象以及鋼坯在爐內的加熱過程的影響。結果表明：采用分段同側換向控制的HTAC加熱爐能獲得很好的流場和溫度場分布，基本滿足高質量的鋼坯加熱需要，但該爐在生產條件下的溫度制度存在不合理之處，在今后設計和操作中應進一步優化和改進；全同側換向控制的火焰布置方式不利于鋼坯的均勻、快速加熱；而采用交叉換向控制的火焰布置方式可以改善加熱爐內的流場和溫度分布，更有利于滿足鋼坯的加熱工藝要求。

以某公司的高溫蓄熱式均熱爐為研究對象，對該爐內的流動和傳熱過程進行模擬，得到了各工藝參數對鋼錠與爐氣間對流換熱系數的影響規律。研究發現：換向操作對均熱爐內的對流換熱系數影響很小，實際計算時可忽略其影響；爐溫對蓄熱爐內鋼錠與爐氣間的對流換熱系數影響很小，熱負荷是影響鋼錠與爐氣間對流換熱的重要因素；對于不同錠型，煤氣熱值與對流換熱系數之間的變化規律不盡相同，不同錠型在不同熱值條件下，對流換熱系數和熱負荷之間的關系應分別求解。

5、全爐仿真模擬

利用鋼管在爐膛內的加熱歷史與其自身非穩態導熱過程相一致的特點，建立了鋼管淬火爐。在數值求解中，改進了STAR-CD處理耦合方程求解互為邊界條件的非連續邊界的手段。 研究實踐表明，CFD計算軟件應用于工業爐的熱過程分析有助于提高工作效率，計算結果一般可以滿足熱工工程分析的要求。

三、結論

通過以上文獻介紹的研究成果，本文認為將CFD技術引入工業爐設計，可以大大提高設計效率和設計質量，優化供熱，降低排放。目前CFD技術在工業爐開發中應用尚處于起步階段，多集中在幾個參數可以確定的部分設備的仿真研究上，對于全爐整體考慮，多物理場耦合的研究尚未見報道，該方面需要國家相關政策積極推進。