低負荷下蓄熱式加熱爐燃燒策略數值模擬

劉穎，劉義平，陶曙明，溫治

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低負荷下蓄熱式加熱爐燃燒策略數值模擬

劉穎1, 2，劉義平3，陶曙明4，溫治1, 5

(1. 北京科技大學機械工程學院，北京，100083；2. 重慶市計量質量檢測研究院，重慶，401123；3. 寶鋼工業爐工程技術有限公司，上海，201900；4. 寶鋼鋼管條鋼事業部設備能環部，上海，201900；5. 北京科技大學冶金工業節能減排北京市重點實驗室，北京，100083)

針對低負荷下蓄熱式加熱爐燃燒性能下降的問題，以某鋼廠蓄熱式加熱爐為研究對象，利用軟件Fluent建立爐內氣體流動、傳熱及燃燒過程數學模型。爐內氣體的流動采用標準?模型計算，燃燒過程的模擬采用混合分數/PDF模型，輻射換熱采用DO模型計算。通過所建立的數學模型計算低負荷時，比例控制和脈沖控制2種情況下，爐內氣體流動、氣體體積分數及溫度的分布。計算結果表明：在低負荷下，脈沖控制有利于加強煤氣與空氣的混合，提高煤氣燃燒速率，防止O2在鋼坯表面的聚集，有利于減小鋼坯的氧化燒損，提高鋼坯表面熱流沿爐寬方向分布的均勻性。

蓄熱式加熱爐；低負荷；數值模擬；燃燒策略；比例控制；脈沖控制

軋鋼加熱爐的作用是根據鋼坯加熱工藝，在保證鋼坯溫度均勻性滿足要求的前提下，將鋼坯加熱到一定溫度，便于軋機將其軋制成一定形狀和規格的產 品[1?2]。加熱爐是熱軋生產線上的重要設備，同時也是能耗最高的設備[3]，如何降低加熱爐的能源消耗一直是冶金行業研究的熱點問題。20世紀90年代，日本學者將高溫空氣燃燒技術[4?5]應用到加熱爐，開發出蓄熱式加熱爐，大幅度降低了加熱爐的能耗。蓄熱式加熱爐可將排煙溫度從600 ℃降低至煙氣露點溫度附近，將常溫空氣預熱至800~1 000 ℃。由于采用高溫預熱空氣助燃，蓄熱式加熱爐可使用低熱值燃料，爐內一般沒有局部高溫區域，NO排放大幅度降低[6?7]。正是由于這些優點，蓄熱式加熱爐在冶金行業得到了廣泛的應用[8]。蓄熱式加熱爐內的流動、燃燒、傳熱問題十分復雜，很難通過實驗的方法對其進行全面的研究。隨著數值求解技術的發展，數值模擬方法已經成為研究加熱爐內熱過程的主要研究方法之一[9?12]。近年來，不少學者對蓄熱式加熱爐的工作過程進行了數值模擬研究。宋小飛等[13]建立了空氣單蓄熱加熱爐內流動、傳熱及燃燒過程數學模型，并對噴口角度、空氣噴口長寬比進行了優化。楊湘等[14]利用流體力學計算軟件CFX對蓄熱式加熱爐內的流場進行了數值模擬，模擬結果表明與傳統加熱爐相比，蓄熱式加熱爐內的流場分布更有利于燃料和助燃空氣的混合，并且能提高鋼坯沿長度方向的溫度均勻性。OU等[15]通過建立蓄熱式加熱爐內流動與傳熱數學模型，并對蓄熱式加熱爐的燃燒控制方式進行了研究，研究結果表明，采用部分同側換向的燃燒方式，有利于提高鋼坯的加熱溫度及溫度均勻性。ISHII等[16]對蓄熱式加熱爐的燃燒特性進行了數值模擬，通過模擬研究了爐膛幾何結構和操作參數對爐內傳輸過程的影響。WANG等[17]建立了蓄熱室加熱爐內熱過程數學模型，在模型中考慮了NO的生成。以上學者主要研究了爐膛熱負荷為滿負荷時，爐內氣體的流動和傳熱過程。在滿負荷時，燒嘴的燃燒性能以及爐膛氣流組織都處于設計的最佳狀態，爐膛熱效率最高。在某些情況下，如爐內板坯數量減少、板坯熱送熱裝、待軋等，需要降低爐膛熱負荷，此時，爐膛壓力會發生波動，爐內氣體流速、溫度以及氣氛濃度的分布規律也會發生變化。根據國內某鋼廠的生產經驗，在低負荷下，如果燃燒策略選擇不當，會造成板坯氧化燒損增加，能耗增大等問題，因此，有必要開展低負荷下蓄熱式加熱爐內燃燒特性及燃燒策略的研究。本文作者以某公司蓄熱式加熱爐為研究對象，建立蓄熱式加熱爐內熱過程數學模型，通過模型計算結果分析熱負荷降低時，不同的燃燒控制策略下蓄熱室加熱爐內的燃燒特性。

1 模型的建立

1.1 物理模型

圖1所示為某鋼廠蓄熱式加熱爐，爐膛長×寬×高為10 600 mm×9 700 mm×2 030 mm，沿爐長方向分為4個段，分別是預熱段、加熱1段、加熱2段和均熱段。在爐膛兩側的側墻上對稱布置有28對蓄熱燒嘴，燒嘴噴口截面如圖2所示。煤氣噴口傾斜向上，與水平面成5°夾角，一次風噴口傾斜向下，與水平面成10°夾角。燃料采用混合煤氣，煤氣成分如表1所示。燒嘴燃燒產生的煙氣一部分用于加熱蓄熱體，經蓄熱燒嘴排出，另一部分經煙道排出。加熱爐內的板坯將爐子分為上、下2個部分，上、下爐膛空間的燃燒控制是相互獨立的。為了減少計算量，本文以加熱2段上部分的爐膛空間作為研究對象，并假設氣體為不可壓縮流體，流動與燃燒過程均為穩態過程。

圖1 蓄熱式加熱爐結構示意圖

圖2 蓄熱燒嘴噴口結構示意圖

表1 混合煤氣成分(質量分數)

Table 1 Fuel gas composition %

1.2 網格劃分

網格劃分采用Fluent前處理軟件Gambit實現。由于燒嘴噴口直徑小，結構復雜，采用分區結構化網格對計算區域進行網格劃，并對燒嘴附近網格進行局部加密，計算區域網格數量為2 090 802，網格系統圖如圖3所示。為了驗證網格的獨立性，同時對網格數量為3 039 003的情況進行數值計算，計算結果表明：在2種情況下得到的煙氣出口溫度、速度的相對誤差均小于1%，可認為在該條件下獲得的解為網格無關解。

圖3 計算區域網格系統圖

1.3 數學模型

1.3.1 流動模型

為了考察湍流脈動的影響，一般采用Reynolds平均法，爐內煙氣的湍流流動采用標準?模型計算，近壁區的流動采用壁面函數法計算。湍流時均流動控制方程以及能量時均輸運方程如下。

連續性方程為

動量方程為

方程為

(3)

方程為

能量方程為

(5)

式中：為氣體密度，kg/m3；u為，和方向上的速度分量，m/s；為壓力，Pa；和t分別為氣體黏性系數和湍流黏性系數，Pa·s；eff為等效黏性系數，表達式為eff=+t，Pa·s；為湍動能，m2/s2；為湍動耗散率，m2/s3；k為由于平均速度梯度產生的湍動能，Pa/s；1ε，2ε，k和ε為經驗常數，分別為1.44，1.92，1.0和1.3；為流體內能，J/kg；c為定壓比熱容，J/(kg·K)；為流體熱導率，W/(m·K)；Pr為湍動Prandtl數；為源項，W/m3。

1.3.2 燃燒模型

煤氣與空氣的燃燒屬于非預混燃燒，采用混合分數/PDF模型[18]計算。該模型不單獨求解每個組分的輸運方程，而是求解平均混合分數以及混合分數均方值的守恒方程。湍流對化學反應的影響通過概率密度函數(PDF)來描述。混合分數的定義為

式中：Z為元素的質量分數，下標ox表示氧化劑，fuel表示燃料。

平均混合分數守恒方程為

平均混合分數均方值守恒方程為

1.3.3 輻射模型

在不考慮散射的情況下，在位置，沿傳播方向輻射傳播方程(RTE)為

式中：為位置向量；為輻射傳播方向向量；為吸收系數；為輻射強度。輻射換熱的計算采用DO模型，吸收系數采用灰氣體加權和模型(WSGGM)[19]計算。

1.4 定解條件

空氣、煤氣入口采用速度入口邊界條件，空氣預熱溫度為1 273 K，煤氣進口溫度為573 K。煙氣出口采用壓力出口邊界條件。鋼坯表面采用無滑移邊界條件，表面溫度給定，并且沿爐長變化，表面黑度設為0.8。爐墻采用無滑移壁面邊界條件，給定熱流。

1.5 數值求解方法

本文采用流體力學計算軟件Fluent對模型進行數值求解，控制方程的離散采用有限容積法，離散方程的格式采用隱式差分格式，對流項采用一階迎風格式，壓力與速度的耦合求解采用SIMPLE算法。

2 數值模擬結果分析

本文通過對比爐膛溫度的計算值和測試值來驗證模型的正確性。在測試過程中，將熱電偶從爐膛加熱2段爐頂的測量孔中插入爐膛內部來測量爐膛煙氣溫度。在爐膛實際熱負荷為滿負荷50%的情況下，熱電偶的測量溫度為1 170 ℃，相同工況下模型的計算值為1 177 ℃，兩者吻合較好，說明本文建立的數學模型可以用于模擬加熱爐內的熱過程。

加熱爐熱負荷的控制方式通常有比例控制和脈沖控制。比例控制是通過調節每個燒嘴的煤氣供應量來滿足爐膛熱負荷的需求。比例控制簡單易操作，應用廣泛，但當爐膛熱負荷遠離額定熱負荷時，燒嘴的工作狀態遠離額定狀態，導致燒嘴燃燒性能降低。脈沖控制是通過控制燒嘴的開啟個數和燃燒時間來控制爐膛的煤氣供應量。燒嘴一旦開啟，就處于額定狀態下工作，因此燒嘴的燃燒性能處于設計的最佳狀態。脈沖控制加熱均勻性好，能耗低，是一種前沿控制技術。本文模擬了爐膛熱負荷為額定熱負荷的25%時，2種控制方式下爐膛內的傳熱，流動以及燃燒過程。比例控制通過同時降低所有燒嘴的空、煤氣流量至額定流量的25%來實現熱負荷的降低，脈沖控制通過關閉3對燒嘴來實現熱負荷的調節。

2.1 速度分布

圖4所示為比例控制和脈沖控制2種情況下經過燒嘴中心水平截面上的速度分布。從圖4可以看出：從燒嘴噴口噴出的氣體沿流動方向速度逐漸降低，最終趨于均勻。由于噴口噴出的氣流速度高，會形成低壓區，卷吸周圍的氣體，形成漩渦。漩渦區的出現有利于煙氣循環擾動。在比例控制下，由于氣體噴入爐膛速度較小，在氣體還未到達對面側墻便開始回流，形成的漩渦區域較小，不利于沿爐膛寬度方向上氣體混合均勻。在脈沖控制下，氣體噴入爐膛動量大，形成的漩渦區的影響范圍也較大，使得爐膛的氣體整體混合較為均勻。

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制

2.2 氣氛濃度分布

圖5和圖6所示分別為比例控制和脈沖控制2種情況下，加熱爐內經過燒嘴中心豎直截面上H2和CO體積分數分布。從圖5和圖6可以看出：H2和CO體積分數沿著爐寬方向逐漸降低，脈沖控制下，CO體積分數降低得更加迅速。這是因為噴進爐膛的煤氣和空氣的燃燒屬于非預混燃燒，燃燒速率受混合速率的控制，脈沖控制條件下，氣體噴出速度大，對流體造成的擾流更強烈，有利于煤氣與空氣的混合。圖7所示為鋼坯表面O2體積分數分布。從圖7可以看出：在比例控制下，在鋼坯表面左上方區域內存在O2的聚集，氧氣體積分數高達20%，容易造成這部分區域鋼坯氧化燒損嚴重。在脈沖控制條件下，鋼坯表面O2體積分數分布相對均勻，整體O2體積分數小于2.2%。

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制

2.3 溫度分布

圖8所示為噴口下方水平截面上的溫度分布。從圖8可以看出：在比例控制下，爐膛火焰較短，爐膛兩端溫度較低。在脈沖控制下，火焰長度較長，有利于增強火焰的輻射能力。圖9所示為在1個周期內比例控制和脈沖控制下鋼坯表面熱流沿爐寬方向的變化。從圖9可以看出：在比例控制下，鋼坯表面熱流沿爐寬方向先升高后降低，在爐膛中部，鋼坯表面熱流最大，為4 kW/m2。脈沖控制下，在1個周期內，除端部外，鋼坯表面熱流沿爐寬方向近似為直線分布，端部熱流略微降低，這是由火焰根部溫度較低造成的。在1個換向周期內，鋼坯表面平均熱流沿爐寬方向分布均勻，熱流平均值為3 kW/m2左右。

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制

(a) 比例控制；(b) 脈沖控制1—前半周期；2—周期平均值；3—后半周期。

3 結論

1) 在比例控制下，由于氣體噴入爐膛速度較小，在氣體還未到達對面側墻時便開始回流，形成的漩渦區域較小，不利于爐膛內煤氣與空氣的混合。在脈沖控制下，氣體噴入爐膛動量大，形成的漩渦區較大，使得爐膛內氣體整體混合較為均勻。

2) 在脈沖控制下，爐內煤氣的燃燒更加迅速，鋼坯表面沒有O2聚集，O2體積分數整體小于2.2%。在比例控制下，鋼坯表面局部區域O2體積分數高達20%。

3) 在比例控制下，鋼坯表面平均熱流沿爐寬方向分布不均勻，先升高后降低，在鋼坯中間熱流最大，為4 kW/m2。在脈沖控制下，在1個周期內，鋼坯表面平均熱流沿爐寬方向分布均勻，為3 kW/m2左右。

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(編輯 趙俊)

Numerical simulation of combustion strategy in a regenerative reheating furnace under low thermal load

LIU Ying1, 2, LIU Yiping3, TAO Shuming4, WEN Zhi1, 5

(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China;3. Baosteel Industrial Furnace Engineering & Technology Co., Ltd, Shanghai 201900, China;4. Tube Pipe and Bar Business Unit, Equipment & Energy Department,Equipment Technology Division, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China;5. Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to solve the problem of combustion performance decrease caused by the decrease of thermal load in a regenerative reheating furnace, a mathematical model was developed to describe heat transfer, gas flow and combustion processes in a regenerative reheating furnace by Fluent. The standard?turbulence model was used for modeling the gas flow. The mean mixture fraction/PDF model was used to describe combustion process in the furnace. The discrete ordinates model was used for modeling the radiative heat transfer. The characteristics of gas flow, distribution of volume fraction of gas species and temperature distribution for furnace under proportional control and pulse control under low thermal load were analyzed by the model. The results show that under low thermal load, the pulse control is beneficial to strengthen the mix of gas and air, increase the combustion rate, prevent the accumulation of O2on the surface of billet,decrease the oxidation burning loss of the billet, and improve the uniformity of distribution of heat flux to billet surface along the furnace width direction.

regenerative reheating furnace; low thermal load; numerical simulation; combustion strategy; proportional control; pulse control

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.004

TF068

A

1672?7207(2016)06?1843?07

2015?06?13；

2015?08?20

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(FRF-SD-12-007B)(Project(FRF-SD-12-007B) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

溫治，博士，教授，從事熱過程模化與控制研究；E-mail：wenzhi@me.ustb.edu.cn