燒嘴噴口安裝高度對爐內溫度場、濃度場的影響數值模擬研究

趙博寧

（1.柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545007；2.西北工業大學 材料學院，陜西 西安 710072）

加熱爐工作的好壞與爐膛內爐氣的流動情況關系很大，只有當爐氣在爐內合理流動，并形成均勻的氣體流動和爐溫，才能保證良好的加熱質量和較高的生產率。為了使爐氣在爐內合理流動，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。混合的好壞還影響火焰的長度，進而影響爐膛溫度的分布。影響爐膛內氣流的流動有很多因素，如爐膛結構、空氣過剩系數、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爐膛內溫度分布的影響規律，通過計算掌握了燒嘴安裝高度對溫度場的分布和煙氣濃度的影響規律，為蓄熱式加熱爐大修改造和熱工制度改進提供了方案。

1 模型的建立

1.1 實體模型建立

以某鍛造廠采用高溫空氣燃燒技術改造后的蓄熱式加熱爐為研究對象，燃燒空間的有效長度為4200mm，寬為4200mm，高度為3600mm，爐墻兩側分別布置兩組燒嘴，兩側燒嘴交替進行噴氣和排煙，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大，故設計燒嘴有三個噴口，中間噴口噴天然氣，直徑為240mm，兩側噴口噴空氣，直徑為360mm，空氣噴口與天然氣噴口可成一定夾角，相鄰噴口組成一個燃燒單元，依靠橫向動量形成湍流，以便組織爐膛內燃料燃燒。同時，空、燃氣燒嘴噴口水平安裝，有利于空、燃氣的充分混合，避免燒嘴火焰直燒加熱工件。

1.2 模型的簡化

根據物理模型，我們對數學模型作如下抽象和簡化：

（1）對于一個穩定運轉的加熱爐，溫度場和速度場不隨時間變化，模型間研究其穩態狀態下的速度場和溫度場分布；

（2）爐膛內氣體流動是粘性氣體的湍流流動；（3）氣相在網格內是均勻的；

（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簡化為CH4與空氣的燃燒反應，其方程式為：CH4+2O2=CO2+2H2O，CH4的熱值將由天然氣的熱值進行修正；

（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進行計算，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 數學模型

加熱爐的熱工過程是一個非常復雜的物理化學過程，數學模型由連續方程、動量方程和能量方程等基本方程組成[3]。模擬過程中具體應用到微分方程[4]為：

連續性方程

動量方程

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為時間，s；xj為直角坐標系i方向的坐標；uj為直角坐標系i方向速度，m/s。uj為直角坐標系j方向速度矢量，m/s；xi為直角坐標系 j方向的坐標；μef為湍流有效粘性系數，Pa·s；ms為組分的質量分數，%；Γs為組分擴散系數，m2/s；Rs為擴散項或源項的生成率，s-1；h為熱焓，kJ/kg；Γh為熱擴散系數，W/（m·K）；Sh為熱焓源項，W/m3；k為湍動能，ut為湍流動力粘性系數，Pa·sut=ρcuk2/ε 其中cu為系數，cu=0.09；Cp為系數，Cp=0.08～0.38；ε 為湍流耗散率，ut為湍流動力粘性系數，Pa·sμt=ρcuk2/ε，其中cu為系數，cu=0.09；C1為系數，C1=1.44；C2為系數，C2=1.92。

2 計算工況（表1）

表1 燒嘴安裝高度計算工況表

加熱爐的設計過程中，燒嘴安裝高度對工件的加熱有非常重要的影響。若安裝高度過低，火焰主流就會直接與加熱件接觸，使加熱件過熱或燒損，甚至會出現“跑料”現象；若安裝高度過高。火焰主流很可能會沖擊爐頂，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，以及預熱溫度不變得情況下，通過改變燒嘴的位置來考察爐內溫度場、流速分布及燃燒產物情況。

3 結果分析

3.1 爐內溫度分布

表2是各個工況下爐膛內溫度分布計算結果，從計算結果可知，高度為350時，爐內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，爐內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量，加熱爐必須具有良好的爐溫均勻性，即要求爐內的鋼材具有相同的加熱經歷，這樣才能使全部鋼料以及同一鋼料的不同部位達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、機械性能和力學性能[2]。因此這幾種高度中，550mm時，爐內溫差最小，對工件加熱質量最有用。

表2 各個工況下爐膛內溫度分布計算結果

為了更清楚地看到爐內溫度分布圖，截取各個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，最高溫度為2450K左右，但是占到的區域比較小；高度為550時，最高溫度為2400K，占據的區域較大。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，工件表面最低溫度2150K，最高2400K，溫差為250K；而高度為550mm時，工件表面最低溫度2250K，最高2400K，溫差為150K。這說明高度為550mm時，工件表面的溫差最小，對工件加熱越有利。同時說明高溫區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，側表面的最低溫度也跟著降低。燒嘴距工件上表面越遠，工件側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，當工件處于工況4的條件下加熱時，加熱件的表面溫度較別的工況下要均勻。因為這時加熱件表面的溫度范圍最小，溫差最小。

3.2 爐內煙氣的濃度分布

爐內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。由于加熱爐工作過程是一個高溫條件下近乎封閉的過程，很難對爐內的氣體取樣分析。通常的方法是在煙道取樣分析，來了解污染物的排放以及燃氣燃燒是否完全，但是這樣難以確切把握爐內氣體的燃燒狀況，因此本文通過模擬的方法，分析了各個工況下爐內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，燃燒產物主要由水、二氧化碳、氧氣、氮氣以及未燃盡的甲烷組成。NO主要是氮氣在高溫下與氧氣氧化而成的，對環境危害較大，屬于大氣污染物的一種，因此本文還采用FLUENT軟件的NOx模型，計算了各個工況下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，當高度為550mm時，O2的平均濃度最小。出口處CH4的平均濃度越少，說明燃燒越充分，出口處O2越小，以避免燃料進入蓄熱體而引起燃料的二次燃燒和浪費。

與上面的溫度分布圖對比，發現高度為350mm時，爐內溫度最高，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系。但是高濃度NO區域并非與溫度分布一一對應，這是因為NO的生成不僅與溫度有關，還與當地N、O的組分濃度有關。溫度越高，則N、O之間的化學反應速率越高，但并不表明溫度高的地方NO的濃度就越高，當地NO的濃度還應該取決于在形成NO之前當地的氧含量。

表3 出口處各組分的摩爾濃度的比較

4 結論

（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，對爐膛內和加熱工件表面的溫度分布影響很大。

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

（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，當高度為550mm時，O2的平均濃度最小。

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