步進(jìn)式加熱爐富氧MILD燃燒流場與溫度場的數(shù)值模擬

傘俊博，秦 勤，趙 俁，于慶波

（1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽110819；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

鋼鐵工業(yè)一直以來都是我國的能耗大戶.加熱爐作為鋼坯軋制前的重要加熱設(shè)備，其能耗量約占整個工序能耗量的60%～70%［1］，是鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要能源消耗設(shè)備.降低燃耗、減少排放是鋼鐵生產(chǎn)工藝中不懈追求的目標(biāo).富氧燃燒技術(shù)因其提高燃料理論燃燒溫度、利用低熱值煤氣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用.該技術(shù)增加了助燃劑中O2含量而減少不參加反應(yīng)的N2，減少了煙氣排放損失，而且富氧燃燒由于減少了不參與氣體輻射的雙原子氣體N2含量，進(jìn)而增加了火焰黑度和輻射換熱.但燃料在富氧空氣中燃燒時，理論燃燒溫度會比空氣中燃燒要高，這就造成了火焰局部高溫，溫度分布不均勻，局部高溫使熱力型NOx極易生成，這對環(huán)保要求極高的加熱爐顯然是不適合的.近些年有些學(xué)者［2］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐膛入口的預(yù)熱空氣溫度達(dá)到1 500 K，速度達(dá)到90 m／s時，爐膛內(nèi)燃燒火焰消失但燃燒并未停止，此時氮氧化物生成極低甚至為0，這種燃燒現(xiàn)象被為MILD（Moderate and Intense Low Oxygen Dilution）燃燒，是一種溫和燃燒模式，當(dāng)此燃燒進(jìn)行時，看不見火焰的存在所以又被稱為無焰燃燒.MILD燃燒有溫度分布均勻、火焰溫差小、噪聲低、污染物生成少等特征，對比傳統(tǒng)燃燒，MILD燃燒NOx的生成顯著減少.

國內(nèi)外對富氧MILD燃燒已做過一定研究.Lee［3］等在試驗爐上對富氧MILD燃燒入口速度條件進(jìn)行了實(shí)驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著氧氣射流速度的增加，爐內(nèi)最高溫度反而降低.Krishnamurthy等［4］發(fā)現(xiàn)在相同熱負(fù)荷的條件下，MILD燃燒與傳統(tǒng)燃燒相比爐內(nèi)溫度和輻射熱流量分布更加均勻.邢獻(xiàn)軍等［5－7］分析了不同燃料實(shí)現(xiàn)MILD燃燒時氮氧化物的排放情況.樓波等［8］建立了MILD燃燒條件下的燃料型NOx生成模型，并計算了NOx在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的生成規(guī)律.馬鋼首次在國內(nèi)加熱爐上應(yīng)用了富氧MILD燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能提高、燒損下降的預(yù)期效果［9］.

本文以三段步進(jìn)式加熱爐為研究對象，使用CFD軟件Fluent數(shù)值模擬的方法，建立爐內(nèi)燃燒與流動的數(shù)值模型，研究富氧MILD燃燒情況下爐膛流場、溫度場分布情況，研究結(jié)果也為富氧MILD燃燒的改造提供理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

爐子按爐長分為預(yù)熱段、加熱段和均熱段，鋼坯入爐在預(yù)熱段預(yù)熱，再到加熱段快速升溫，最后經(jīng)過均熱段出爐.加熱段兩側(cè)全部采用一個中心燃料噴口周圍布置8個空氣噴口的調(diào)焰燒嘴，在兩側(cè)調(diào)焰燒嘴旁設(shè)置貫穿爐墻的高速氧槍，純氧氣氣流圍繞在火焰實(shí)現(xiàn)富氧MILD燃燒.均熱段上方采用平焰燒嘴實(shí)現(xiàn)爐頂均熱，下方采用調(diào)焰燒嘴實(shí)現(xiàn)MILD燃燒.

圖1為三段式步進(jìn)加熱爐的示意圖.爐膛有效長度35.2 m，寬18.94 m，均熱段高4.25 m，加熱段高4.25 m，預(yù)熱段高3.35 m.加熱鋼種為低碳鋼，尺寸為170 mm×1 400 mm×15 000 mm.鋼坯入爐溫度為800℃，出爐溫度為1 250℃，設(shè)計熱裝產(chǎn)量為400 t／h，燃料為混合煤氣，成分見表1，燃料消耗量為38 000 m3／h，混合煤氣熱值：1 825×4.18＝7 628.5 kJ／m3，混合煤氣預(yù)熱溫度230℃，空氣預(yù)熱溫度500℃，過量空氣系數(shù)為1.05.煙氣通過爐尾兩側(cè)煙道由煙囪排出.上均熱段頂端平焰燒嘴共50個，下均熱段4個調(diào)焰燒嘴.加熱段共20個調(diào)焰燒嘴，每個調(diào)焰燒嘴旁安裝一個高速氧槍.

圖1 三段式步進(jìn)式加熱爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of walking furnace

表1 煤氣成分（體積分?jǐn)?shù)）Table 1 Gas composition（volume fraction）%

因加熱爐在爐寬方向是對稱結(jié)構(gòu)，所以取模型一半進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果為430萬個四面體網(wǎng)格，燒嘴與氧槍處進(jìn)行了加密處理，這樣既保證了計算精度又節(jié)約了計算資源.

1.2 控制方程

對于上述研究對象，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬氣相湍流輸運(yùn)，Species Transport模型模擬組分輸運(yùn)，EDC模型模擬氣相燃燒，輻射傳熱采用DO模型.具體控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為氣體密度，kg／m3；V為氣體速度，m／s；p表示靜壓力，Pa；η為氣體黏度，Pa·s；Su，Sv，Sw為3個動量方向的廣義源項，kg／（m2·s2）；cp為氣體比熱容，kJ／（kg·K）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；ST表示內(nèi)熱源和由于黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分，W／m3.

組分運(yùn)輸方程：

式中：ρ為氣體密度，kg／m3；V為氣體速度，m／s；ρs為氣體組分的密度，kg／m3；ws為氣體組分化學(xué)反應(yīng)速率，mol／（L·s）；μe為有效黏性系數(shù)；Scs為氣體組分的傳質(zhì)Schmidt數(shù).

DO模型：

1.3 邊界條件

在燃?xì)馊肟谔帲鶕?jù)燃?xì)饪偭髁看_定每個燃?xì)馊肟诘乃俣?，溫度為預(yù)熱溫度503 K；以富氧程度0.6確定氧氣流量與空氣流量，氧氣溫度為300 K，空氣為預(yù)熱溫度773 K；純氧氣從氧槍噴出，空氣在調(diào)焰燒嘴周圍8個空氣噴口射出；出口設(shè)為壓力出口，壓力為0；在壁面處，速度為無滑移邊界條件，溫度設(shè)為第二類邊界條件；對于本文所研究的穩(wěn)態(tài)工況，鋼坯溫度按照各段實(shí)際工況設(shè)定，不考慮鋼坯內(nèi)部傳熱.

1.4 模型驗證

為了驗證本模型的正確性，使用以上模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與文獻(xiàn)［10］中實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖2所示.

圖2 在噴嘴中心位置上溫度的實(shí)驗值與模擬值Fig.2 Experimental and simulated temperature values at the center of the nozzle

分析圖中數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［10］實(shí)驗值的對比情況，可以認(rèn)為數(shù)值模擬能捕捉爐內(nèi)燃燒細(xì)節(jié)，并且能用于研究MILD燃燒下爐膛溫度場和流場的分布情況.

2 模擬結(jié)果與分析

實(shí)現(xiàn)MILD燃燒關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)強(qiáng)烈的內(nèi)部循環(huán)，使?fàn)t膛內(nèi)高溫?zé)煔庀♂屓剂吓c氧化劑.燃料或氧化劑的高速射流會卷吸高溫?zé)煔獠⒎催^來稀釋高速射流，使?fàn)t膛內(nèi)形成巨大的燃燒產(chǎn)物的內(nèi)循環(huán)區(qū)域.因此，需要研究爐內(nèi)流場、溫度場分析煙氣內(nèi)循環(huán)的程度，來評判MILD燃燒的情況.

2.1 流場分布

本文以高速氧槍噴出高速氧氣來攪拌燃?xì)獾姆绞絹韺?shí)現(xiàn)爐內(nèi)強(qiáng)烈的內(nèi)循環(huán).高速純氧射流在燒嘴旁以220 m／s的速度射入爐膛，高動量的氧氣射流引射了大量燃?xì)夂蜔煔庖黄鹣驙t內(nèi)流動，爐膛兩側(cè)的高速射流在爐膛中間位置碰撞，形成了巨大的回流區(qū)，如圖3與圖4所示.這種內(nèi)循環(huán)流場，充斥在加熱爐的加熱段與均熱段.回流區(qū)從氧氣出口直至爐膛中心位置，并導(dǎo)致氧氣和燃料的噴射被燃燒后的煙氣稀釋.

圖3 爐膛上下燒嘴截面速度矢量圖Fig.3 Section velocity vector diagram of burner in upper and lower part of furnace

為了定量分析反應(yīng)物被爐內(nèi)煙氣稀釋的程度，引入MILD燃燒重要參數(shù)——卷吸率KV［11］，其定義為：被卷吸煙氣質(zhì)量流量與入射燃料和氧化劑質(zhì)量流量之比，如式（10）所示.

式中：ME表示被卷吸煙氣的總質(zhì)量流量，kg／s；MF表示燃?xì)饪傎|(zhì)量流量，kg／s；MA表示燒嘴自帶的空氣質(zhì)量流量+氧槍的質(zhì)量流量，kg／s.ME可通過下式計算：

式中：ρ為被卷吸氣體平均密度，kg／m3；vz（x，y）為在z截面回流速度，m／s.

圖5是爐寬方向不同位置卷吸率的折線圖.從圖中可以看出燃?xì)獬隹诘? m處，卷吸率急劇增加，最高可達(dá)21，在2～7 m處保持穩(wěn)定，在靠近爐膛中心位置又迅速下降.在圖4中也能看出，在加熱段均熱段有大片回流區(qū)域，在氧氣出口附近回流較少，隨著徑向距離的增加，回流區(qū)域與也跟著變大，在爐膛中心位置的回流又減小.從以上分析中可知，卷吸率確實(shí)能很好地反映出回流區(qū)的煙氣稀釋程度.

圖4 爐膛上下燒嘴截面流線圖Fig.4 Section streamline of burner in upper and lower part of furnace

圖5 卷吸率隨徑向距離變化曲線Fig.5 Curve of with K V radial distance

此外，氧氣射流引射大量氣體一起運(yùn)動，因此射流速度急劇下降.如圖6所示，在距離氧氣出口1 m的位置處，速度急劇下降到30 m／s；在1～4 m處速度下降緩慢，下降到約3 m／s，在這兩段距離內(nèi)主要是引射作用導(dǎo)致的速度下降；4 m處到爐膛中心位置氧氣速度基本保持不變.而且從圖6中還可以看出氧氣體積分?jǐn)?shù)與速度有大致一樣的曲線，這證明在回流區(qū)氧氣確實(shí)被大量煙氣稀釋.這與上文分析卷吸率的結(jié)果恰好是對應(yīng)的.

圖6 氧氣速度與體積分?jǐn)?shù)隨徑向距離變化曲線Fig.6 Curve of oxygen velocity and volume faction with radial distance

2.2 溫度場分布

如圖7所示，燒嘴附近有一小部分高溫區(qū)域，但又不是傳統(tǒng)火焰的形狀，火焰鋒面消失，溫度梯度很小，最高溫度為1 700 K.整個爐膛內(nèi)溫度分布均勻，沒有局部高溫區(qū)域.這是因為高速氧氣射流卷吸了燃?xì)馀c煙氣一起向前運(yùn)動，正在運(yùn)動過程中的反應(yīng)物氣體被煙氣稀釋和加熱，火焰還未形成就被高速氣流“吹散”，在卷吸的過程中若是溫度達(dá)到了燃?xì)獾淖匀稽c(diǎn)，MILD燃燒將會建立，且爐膛中心位置的溫度分布將會更加均勻.MILD燃燒實(shí)質(zhì)上是自然著火的過程，即混合物的溫度達(dá)到某一溫度，超過該溫度，混合物便自動的、不需要外界作用而著火達(dá)到燃燒狀態(tài).MILD燃燒可以理解為，在一定的卷吸率下，混合物達(dá)到某一溫度即可形成MILD燃燒，此溫度與混合物的著火溫度相關(guān).

圖7 爐膛上下燒嘴截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution in the upper and lower burner section of the furnace

圖8所示為爐膛中心截面溫度分布圖，從圖中可以看出，從預(yù)熱段到均熱段溫度不斷增加.在預(yù)熱段溫度較低，平均溫度為1 175 K，在加熱段平均溫度為1 521 K，均熱段平均溫度為1 580 K，加熱段與均熱段的溫度分布均勻，煙氣出口平均溫度為1 091 K，溫度分布比較合理，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).最高溫度為1 956 K，出現(xiàn)在加熱段與均熱段上方銜接處，此處有壓下爐頂，對煙氣卷吸起到扼制作用，MILD燃燒未能建立.

圖8 爐膛中心截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of furnace center section

3 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬，在加熱爐側(cè)燒嘴旁安裝高速氧槍，使用高速氧氣來攪拌燃?xì)獾姆椒梢詫?shí)現(xiàn)加熱爐的富氧MILD燃燒.

（2）高速射流卷吸大量煙氣一起運(yùn)動，形成巨大的回流區(qū)流場，其卷吸率最高可達(dá)21.高速射流在卷吸作用下速度急劇下降，1 m內(nèi)從220 m／s下降為30 m／s.

（3）爐內(nèi)溫度分布均勻，無集中高溫區(qū)，已達(dá)成MILD燃燒.預(yù)熱段平均溫度為1 175 K，加熱段平均溫度為1 521 K，均熱段平均溫度為1 580 K，煙氣出口平均溫度1 091 K，溫度分布合理，滿足鋼坯加熱需求.