操作參數(shù)對W型蓄熱式輻射管的影響分析

唐宗旺，蘇福永

(1.江蘇省常寶普萊森鋼管有限公司，常州 213212;2.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京 100083)

0 引 言

燃氣輻射管是一種常見的工業(yè)加熱裝置。在輻射管中燃氣進行燃燒，所產(chǎn)生的高溫燃燒煙氣將熱量傳遞給輻射管壁，輻射管壁又將熱量主要以熱輻射的形式傳遞給被加熱產(chǎn)品[1-3]。跟間接加熱的方式相比，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣并不與被加熱產(chǎn)品相接觸，從而大大降低了燃燒氣氛對產(chǎn)品質量的損害程度，故能非常適合應用于對產(chǎn)品質量要求較高的場合。

傳統(tǒng)燃氣輻射管加熱裝置由于采用間壁式熱回收裝置，只能將空氣預熱到200～500 ℃，煙氣余熱回收并不充分，回收效率僅為30%左右[4-5]。蓄熱式輻射管采用蓄熱燃燒技術將空氣溫度提高到1 000 ℃以上，極大地回收了煙氣的余熱，同時也不可避免地帶來了管壁溫度分布不均勻及NOX生成量的大幅升高。對此國內(nèi)外學者通過數(shù)值模擬及實驗研究對蓄熱式輻射管的結構、蓄熱體結構優(yōu)化等進行了諸多研究，取得了一定的進展，但對于結合實際使用狀況的操作參數(shù)優(yōu)化方面還有欠缺[6-8]。本文針對W型蓄熱式輻射管開展研究，通過數(shù)值模擬的方式對二次空氣預熱溫度及空燃比等操作參數(shù)對輻射管內(nèi)溫度場、NOx生成量等進行了分析，為蓄熱式技術在W型輻射管的應用提供了理論支撐。

1 輻射管物理模型及數(shù)學模型

1.1 W型蓄熱式輻射管內(nèi)熱過程物理模型

W型蓄熱式輻射管加熱裝置由1對蓄熱式燃燒系統(tǒng)和1根W型輻射管組成，蓄熱式燃燒系統(tǒng)分別有一二次空氣供給系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、一二次空氣噴口、燃料噴口和換向系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 W型蓄熱式輻射管內(nèi)燃燒系統(tǒng)示意圖

本文主要研究蓄熱后的高溫氣體在輻射管內(nèi)的燃燒過程。在建立數(shù)學模型前對所要研究的物理對象進行了如下簡化假設：

(1) 整個流場范圍內(nèi)，可將流動過程看做是不可壓縮流；

(2) 輻射管內(nèi)輻射性氣體為CO2和H2O，氣體輻射吸收系數(shù)不受湍流特性影響；

(3)混合氣體的比熱為基于全部組分質量分數(shù)的加權平均值；

(4)燃燒過程為穩(wěn)態(tài)，不考慮蓄熱體蓄放熱過程，直接給定二次空氣的出口溫度。

物理模型相關參數(shù)：輻射管管長：5.4 m；輻射管直徑：0.177 m；二次空氣噴口面積：6 060 mm2；一次空氣噴口面積：350 mm2；燃氣噴口面積：50 mm2。

1.2 蓄熱式輻射管內(nèi)熱過程數(shù)學模型

W型蓄熱式輻射管內(nèi)熱過程的數(shù)學模型主要包括流動過程數(shù)學模型、傳熱傳質過程數(shù)學模型、燃燒過程數(shù)學模型。除此之外，本文的NOx生成模型采用熱力型NOx生成模型。

(1)連續(xù)性方程和動量守恒方程

(1)

(2)

式中，Pi為表面力矢量，包括了靜壓力和流體粘性應力；ρgi為重力體積力，N；Fi是其他體積力，N。

(2)能量方程

(3)

式中，μeff=μt+μ，為有效導熱系數(shù)(湍流導熱系數(shù)根據(jù)湍流模型來定義)。Jj是組分j的擴散通量。導熱項，組分擴散項和粘性耗散項分別位于方程右邊的前三項。Sh是包括化學反應熱和其他體積熱源的源項。

(3)湍流模型方程

(4)

(5)

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生的源項；Gb為用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生的源項。

(4)輻射傳熱模型

(6)

(5)物質輸運方程

(7)

式中，Yi為組分i的質量分數(shù)，%；Ri是化學反應的凈產(chǎn)生速率，mol/s；Si為離散項及用戶定義的源項導致的額外產(chǎn)生速率，mol/s。

1.3 定解條件

(1)物性條件

采用比熱、密度及導熱系數(shù)均隨溫度變化的變物性參數(shù)；

(2)邊界條件

入口條件：一次空氣速度vair1=14 m/s，溫度Tair1=23 ℃；二次空氣速度vair2=18 m/s，溫度Tair2=927 ℃；燃氣速度vfuel=24 m/s，溫度Tfuel=23 ℃；

出口條件：為壓力出口邊界條件，Pout-600 Pa；

輻射管壁的發(fā)射率ε=0.8，環(huán)境溫度T0=900 ℃，Tw為壁面溫度，Tw=920 ℃。

2 操作參數(shù)對輻射管內(nèi)燃燒過程的影響

2.1 二次空氣預熱溫度的影響

由于蓄熱式輻射管的工作過程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，二次空氣的預熱溫度是個動態(tài)波動的過程，同時換向時間的大小也直接影響著二次空氣的預熱溫度，因此需要研究不同的二次空氣預熱溫度對管內(nèi)燃燒過程的影響。在模擬過程中，保持其他參數(shù)不變，僅改變二次空氣的預熱溫度，同時也相應地改變了二次空氣的出口速度。圖2為不同的二次空氣預熱溫度下輻射管中心截面溫度場分布，由圖2可得隨著二次空氣出口溫度的增加，火焰高溫區(qū)的長度基本沒發(fā)生改變，但火焰中心溫度卻隨之增大，且輻射管壁的加熱能力也隨之增強。表1為三種不同的二次空氣出口溫度下的輻射管的各性能指標。由表1可得，隨著二次空氣出口溫度的升高，輻射管的壁面溫度分布不均勻性系數(shù)逐漸降低，但煙氣中的NOX含量卻由于中心火焰溫度的升高而增加。不同的二次空氣出口溫度下輻射管內(nèi)都能形成較為優(yōu)良的火焰面，故此種結構的蓄熱式燃燒器對二次空氣出口溫度的適應性都較好，換向時間的大小對管內(nèi)熱過程的影響并不明顯。

圖2 不同的二次空氣預熱溫度情況下輻射管中心截面溫度場分布

表1 不同的二次空氣預熱溫度情況下輻射管的性能指標

2.2 空燃比的影響

空燃比直接決定了空氣與燃氣的混合強度，過低的空燃比將會使燃氣發(fā)生不完全燃燒從而造成燃氣的浪費，而過高的空燃比則會使空氣過量從而造成空氣的浪費。為使該W型蓄熱式輻射管達到最佳的性能，需要進行空燃比對蓄熱式輻射管性能影響規(guī)律的研究。在不同的空燃比下，隨著空氣進氣量的增加，空氣的預熱溫度呈逐漸降低的趨勢，進而也影響到二次空氣的出口速度。但圖3為三種不同空燃比情況下輻射管中心截面溫度場分布，表2為上述情況下輻射管的性能指標。由圖3及表2可知，隨著空燃比的增加，管內(nèi)中心截面溫度場分布比較相似，都能形成比較良好的高溫火焰區(qū)，且高溫火焰區(qū)位于輻射管的中心軸線上，沿著管長方向管內(nèi)溫度逐漸降低。輻射管的性能指標之一的管壁溫度分布不均勻性系數(shù)基本不發(fā)生變化，但由于二次空氣量的增加帶來了氮氣量的增多，從而主要導致熱力型的NOX生成量也隨之上升，故應適當?shù)販p小空燃比。可見，對于W型蓄熱式輻射管而言，空燃比的變化對輻射管內(nèi)傳熱過程影響較小，但對煙氣中的NOX含量則影響較為明顯。

圖3 三種空燃比情況下輻射管中心截面溫度場分布

表2 不同空燃比情況下輻射管的性能指標

3 結束語

本文通過數(shù)值模擬研究了W型蓄熱式輻射管操作參數(shù)對輻射管性能的影響規(guī)律，主要得到如下結論：

(1)隨著二次空氣出口溫度的增加，火焰高溫區(qū)的長度基本沒發(fā)生改變，但火焰中心溫度卻隨之增大，且輻射管壁的加熱能力也隨之增強。二次空氣預熱溫度由727 ℃增加到927 ℃后，管壁面平均溫度由898 ℃升高到了927 ℃，溫度均勻性基本沒有變化，NOx含量由401 ppm升高到450 ppm。

(2) 空燃比降低，可減少空氣所帶入的氧氣量，當空燃比由13∶1降低到11∶1后，管壁面平均溫度基本沒有變化，但煙氣中的NOX含量由525 ppm降低到450 ppm，因此在保證完全燃燒的情況下，降低空燃比是有利的。