燃气组成改变对均热炉热效率的影响

摘 要

摘要：运用CFD软件对均热炉的燃烧进行了数值模拟，分析了燃气组成变化对均热炉燃烧温度、烟气辐射强度、炉内流场和炉内温度场均匀性的影响。在理论分析的基础上对均热炉进行了
摘要：运用CFD软件对均热炉的燃烧进行了数值模拟，分析了燃气组成变化对均热炉燃烧温度、烟气辐射强度、炉内流场和炉内温度场均匀性的影响。在理论分析的基础上对均热炉进行了实际测试。，不同燃气组成，在热值相近或相差较大的情况下对均热炉的热效率均有很大影响，均热炉仍有节能减排潜力。
关键词：均热炉；燃气组成；热效率；辐射强度；温度场；高温空气燃烧
Influence of Change in Gas Composition on Thermal Efficiency of Soaking Furnace
LIANG Songbin，DENG Wanli，LI Fangqin，ZHONG Weijian，FANG Wei，REN Jianxing
Abstract：The numerical simulation of combustion in soaking furnace is performed by CFD software.The influence of change in gas composition on combustion temperature，radiation intensity of flue gas and uniformity of flow fieht and temperature field in soaking furnace is analyzed.The actual testing of soaking furnace is performed based on theoretical analysis.When the heating values are similar or diftbrent considerably，the intluenee of gases with diflhrent compositions on the thermal efficiency of soaking furnace is great.The soaking furnace has still a potential in energy saving and emission reduction.
Key words：soaking furnace；gas composition；thermal efficiency；radiation intensity；temperature field；high-temperature air combustion
1 概述
   高温空气燃烧(High Temperature Air Combustion，HTAC)是20世纪90年代发展起来的一种新型燃烧技术[1]。高温空气燃烧技术用高效蓄热体回收烟气余热，通过周期性换向，将助燃空气加热到800℃以上，结合燃料分级或高速射流形成的卷吸降低氧气浓度，使燃料在高温低氧气氛中燃烧，不仅能够拓宽燃料可燃极限，提高燃烧稳定性，提供更高、更均匀的热流，改善产品质量，而且能够显著降低污染物排放量，实现节能和环保的统一。HTAC成功应用于冶金、机械、化工、陶瓷等工业部门中[2～3]，成为最有发展前景的燃烧技术之一。在日本、西欧国家，HTAC被认为节能降污的重要技术[4]。
    高温空气燃烧技术在冶金、化工和机械领域已取得了很好的节能效果[1]。在均热炉蓄热式燃烧技术取得显著节能效果的基础上，如何进一步节能挖潜，探讨节能的新途径，是本文的研究日的之一。本文以某钢铁公司的一台蓄热式均热炉为研究对象，运用CFD软件对研究对象进行了数值模拟，发现燃气组成变化对均热炉内燃烧温度、烟气辐射强度、加热时间和炉内温度均匀性有重要影响。对研究对象进行实际测试，以研究燃气组成变化对均热炉热效率的影响程度。
2 燃气组成对均热炉热效率影响理论分析
    均热炉炉膛内的传热以辐射为主，占总热交换量的90%以上[5]。目前，大多数均热炉主要燃烧碳氢气体燃料，其主要燃烧产物是H20、C02和空气带入的N2。由于气体辐射可以在整个气体空间中进行，因此，气体的吸收率和发射率与气体内部辐射性气体的分子数量有关，它是气体分压、辐射厚度和气体温度的函数，即[6]：
    εq=f(p，Sf，T)    (1)
其具体函数关系式可以写成下式：
 
    由于对于同一炉子在炉膛充满度相同的情况下，Sf相同，△ε通常不予考虑[6]，因此，烟气发射率主要取决于辐射性气体的分子数量、气体类型和烟气温度。
    由于辐射换热在均热炉内起主要作用，因此，燃气组成变化对均热炉效率的影响主要体现在以下方面：
    ① 燃气组成变化所引起的燃烧温度和辐射性气体分子数量的变化，影响炉内辐射强度，也就影响烟气和钢坯的辐射换热。
    ② 燃气组成变化必然引起燃气喷口和空气喷口的出流速度的变化，将导致烟气量和烟气流速的变化，这两项影响烟气在炉内的停留时间，直接影响烟气和钢坯间的有效换热。
3 均热炉的数值模拟
3.1 均热炉物理模型
均热炉物理模型以国内某大型钢铁公司的均热炉为原型，见图1。
 

    均热炉尺寸为：长(x)×宽(z)×高(y)为7.9m×4.0m×5.0m。均热炉前后墙对称布置一对蓄热式烧嘴，在后墙布置排烟道。燃烧器为同轴圆形喷口，中间空气喷口直径为508mm，圆环形燃气喷口外径为664mm。烧嘴中心标高为4000mm，两个燃烧器的中心间距为1139mm。炉中有14根大方坯。在原型炉和模型炉中，45%的烟气通过烟道排出，55%的烟气通过蓄热式烧嘴换热后排出。在数值模拟中，模拟3种组成不同的燃气工况，在输入炉内热量相同的情况下，考察燃气组成变化对均热炉炉内温度场、炉内烟气流场和均热炉排烟损失的影响。
    数值模拟计算应用CFD软件，采用κ-ε湍流模型、PDF燃烧模型和DO(离散坐标)辐射传热模型。模拟中假设钢坯温度为1300K，钢坯比热容随温度的变化参照文献[7]提供的数据，炉墙向外散热损失热流密度为23W/m2，燃气组成(体积分数)及其他运行参数见表1、2。
    工况1的煤气低热值为5510kJ/m3，工况2的煤气低热值为7280kJ/m3，工况3的煤气低热值为6610kJ/m3。
表1 3种工况燃气的组成(体积分数)    %
组分
工况1
工况2
工况3
H2
6.25
13.10
16.50
02
0.45
0.00
0.30
N2
36.05
31.00
38.90
CH4
1.30
4.40
5.90
C0
34.20
32.00
18.00
C02
21.65
19.10
19.70
C2H4
0.10
0.30
0.50
C2H6
0.00
0.10
0.20
表2 3种燃气运行参数
运行参数
工况1
工况2
工况3
燃气入口速度vgas/(m·s-1)
5.254
3.968
4.297
空气入口速度vair/(m·s-1)
4.804
4.673
4.304
燃气预热温度tgas/℃
370
370
370
空气预热温度tair/℃
1000
1000
1000
过剩空气系数
1.1
1.1
1.1
3.2 数值模拟结果和分析
   ① 炉内燃烧温度
   根据上述模型和运行参数，燃气和空气通过后墙上的燃烧器喷入。3种工况在均热炉中的燃烧模拟结果图2～4，它们是通过z=2000mm纵向(炉长方向)上的截面。

   由图2～4可以看出，在输入炉内的热量相同的情况下，工况2的燃烧温度最高，钢坯加热区温度处于1300～1460K。工况1的燃烧温度次之，钢坯加热区温度处于1310～1440K。工况3的燃烧温度最低，钢坯加热区温度处于1300～1420K。从3种工况的温度分布图可以看出，钢坯上部烟气温度要高于钢坯下部烟气温度，燃气进口对面墙的温度也是处于炉内的高温区。值得注意的是：3种工况的炉顶均处于炉内的较高温度区。3种工况的燃烧器附近的区域形成一个低温区，有效地保护燃烧器免受高温烟气的烧损。虽然模拟中钢坯上下面的温度相差较大，但实际中，燃烧器的周期性工作使炉内烟气湍流度增加，加强了炉膛上部高温烟气和下部低温烟气的混合，使这种温度分布不均匀性可以通过烧嘴轮流换向得到改善[8]。
   ② 炉内换热效果
   炉内辐射换热占炉内换热量的90%以上。3种燃烧工况的炉内辐射强度和炉内烟气平均速度见表3。
表3 3种燃烧工况的炉内辐射强度和炉内烟气平均速度
项目
工况1
工况2
工况3
炉内辐射强度/(kW·m-2)
698.8
697.3
689.9
炉内烟气平均速度/(m·s-1)
1.038
0.899
0.896
炉内烟气平均比热容/(J·kg-1·K-1)
1303
1365
1411
    由表3可以看出，工况1的辐射强度最大，工况2次之，工况3的辐射强度最小。工况3的炉内烟气平均速度最低，只有0.896m/s，工况2次之，为0.899m/s，工况1的炉内烟气平均速度最高，达1.038m/s。燃气的燃烧温度除了和燃气的热值有关外，烟气的比热容也是一个很重要的影响因素。比较表3中各个工况的烟气比热容，就可以解释为什么工况3的燃气热值比工况1高，但是燃烧温度却比工况1低。由于炉内辐射换热效果主要受烟气
辐射强度和烟气在炉内的停留时间影响，工况1虽然辐射强度最高，但是烟气在炉内停留的时间过短，造成辐射换热效果较差。因此，工况2的炉内换热效果最好，工况3次之，工况1的效果最差。由此也可以推断，同样装载量，工况2所需生产时间最短，工况3次之，工况1所需时间最长。
   ③ 均热炉热效率
   均热炉的热效率除了受炉内换热效果影响外，主要受烟气带走的热量影响。所研究对象有45%的烟气从烟道排出，55%的烟气从蓄热式烧嘴排出。从蓄热式烧嘴排出的烟气余热可最大限度地回收，而从烟道排出的烟气虽然经过燃气预热器换热，但烟气温度仍然很高。因此，研究对象的排烟损失主要为烟道排烟损失。3种工况排烟损失见表4。
表4 3种工况排烟损失
项 目
工况1
工况2
工况3
烟道烟气比焓/(kJ·kg-1)
2897
2654
2378
烟道烟气流速/(m·s-1)
0.451
0.385
0.396
烟道烟气密度/(kg·m-3)
0.295
0.277
0.265
烟道排烟损失/kW
1767
1295
1146
由表4可以看出，工况1的烟道排烟损失最大，工况2次之，工况3最小。如果单从烟道的排烟损失来看，工况3的热效率应该最高。但事实上，均热炉的热效率应从整个加热周期来评价。工况3的加热周期比工况2长，则工况3的效率要低于工况2；而工况1由于排烟损失最大，加热周期最长，则工况1的效率最低。因此，工况2热效率最高，工况3次之，工况1最低。
4 数值模拟和实际试验数据比较
    在上述理论分析的基础上，为配合该钢铁公司燃气用气优化和均热炉节能减排，对均热炉原型进行了上述3种工况的实际试验。试验结果见表5。
    表5中的载荷是指均热炉每个加热周期的钢坯装载量。由表5的试验结果较好地验证了数值模拟的推论。
表5 均热炉实际试验结果
测试项目
工况1
工况2
工况3
载荷/t
144.4
144.4
144.4
均热炉热效率/%
38.56
47.33
42.43
加热钢坯达到目标温度耗时/h
5.050
3.667
4.134
5 结论
    ① 在均热炉普遍采用高温空气燃烧技术的背景下，均热炉取得了良好的节能效果。但在此基础上，高温空气燃烧技术在均热炉上仍有节能潜力。
    ② 不同组成的燃气，在输入炉内的热量相同的情况下，其最高温度、炉内平均温度、炉内烟气速度和炉内平均辐射强度均不相同，这些因素影响着均热炉炉内的换热效果，也就影响着均热炉的生产能力和热效率。
    ③ 不同组成的燃气，在输入炉内热量相同的情况下，由于其炉内的换热效果不同，因此烟气带走的热量和加热周期也不同，均热炉的热效率也不同。温度高)，同时因为其烟气量大，所以排烟损失最大，而工况3则相反。如何调配合适的燃气组成，使其既具有较低的热值、较高的燃烧温度和较小的烟气量的特征，以进一步降低排烟损失，这是有待解决的问题。
参考文献：
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[6] 王秉铨.工业炉设计手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2000.
[7] 周敬恩.热处理手册[M].4版.北京：机械工业出版社，2008.
[8] 朱彤，苏正川，饶文涛.高温空气燃烧技术改造均热炉方案研究[J].同济大学学报：自然科学版，2004，32(8)：1033-1037.
 
(本文作者：梁松彬1 邓万里2 李芳芹1 钟惟剑1 方伟1 任建兴1 1.上海电力学院 上海 200090；2.上海宝山钢铁股份有限公司能源部 上海 200941)