氧-丙烷气割割嘴流动和燃烧的数值模拟

摘 要

摘要：运用CFD模拟软件，就一种适用于丙烷燃烧的新型割嘴，对氧-丙烷割嘴内外氧气与丙烷的流动燃烧进行了冷态模拟分析，结果显示割嘴出口速度场分布均匀。采用概率密度函数燃烧模型
摘要：运用CFD模拟软件，就一种适用于丙烷燃烧的新型割嘴，对氧-丙烷割嘴内外氧气与丙烷的流动燃烧进行了冷态模拟分析，结果显示割嘴出口速度场分布均匀。采用概率密度函数燃烧模型进行氧-丙烷燃烧模拟，研究流场和温度场的分布，结果表明此新型割嘴能够达到良好的燃烧效果，能够满足气割要求。
关键词：气割；割嘴；丙烷；纯氧燃烧；数值模拟；CFD软件
1 概述
    气割是利用燃料气体火焰将金属预热到能在氧气中燃烧的温度，使金属燃烧产生的氧化物和少量熔化了的金属组成液态熔渣，同时借助于高压切割氧气流的作用把它吹出而形成气割缝，从而达到金属被切割的目的[1]。气割和机械切割法相比，具有成本低、设备简单、操作灵活方便、机动性强、适用范围广、效率较高等优点。整个氧气气割过程可分为3个阶段[1]：①预热阶段，燃气在预热氧中燃烧，预热阶段由燃气燃烧产生的预热火焰来完成，只要保证在单位时间内预热火焰能够提供足够的能量就可得到满意的预热效果；②金属在高压切割氧中的燃烧过程；③生成氧化物的排除过程，高压切割氧把生成的氧化物从切口中吹掉。后两个过程必须借助于高压切割氧气流来完成，高压切割氧气流的压力、流速、氧气纯度和氧气流的形状对气割的速度、质量和气体的消耗量都有较大的影响。
    目前，应用最广泛的气割用可燃气体是乙炔，其次是液化石油气[2]、丙烷、人工煤气和天然气。由于乙炔气体理论燃烧温度高，容易满足气割温度要求，而且制取方便，因此得到了广泛应用。但是乙炔生产污染严重，国家已经禁止新建生产装置。另外乙炔回火现象严重，切面光洁度不佳，挂渣现象多。许多国家都在寻找能够替代乙炔的其他可燃气体。近年来，液化石油气在我国已被成功地用来替代乙炔进行切割。液化石油气主要成分通常是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯和少量的乙烷、乙烯、戊烷等，化工厂所提供的液化石油气的主要成分是丙烷。这为使用丙烷替代乙炔作为气割用的工作气体创造了良好的气源条件。
    氧-丙烷气割在美国已经有了相当大的市场。丙烷替代乙炔进行气割时，优点如下：不易回火爆炸；割缝光洁，棱角整齐，熔渣少而易清除；耗气费用节省，降低了气割的总成本；设备简单，易维护管理，便于携带，没有污水和废渣。其缺点是点火较难，预热时间长，消耗氧气多等。
2 气割用可燃气体比较
   对气割用可燃气体的要求是燃烧火焰温度高，成本低，安全性好，供应充足。根据氧气和可燃气体的混合比例不同，火焰分为中性焰、氧化焰和碳化焰3种[1]。中性焰应用最广泛，一般用于碳钢、紫铜、低合金钢，本文主要研究新型割嘴的中性焰。乙炔、丙烷、甲烷的物理化学性质比较见表1。
表1 乙炔、丙烷、甲烷的物理化学性质比较[1、3]
气体名称
乙炔
丙烷
甲烷
分子式
C2H2
C3H8
CH4
密度/(kg·m-3)
1.171
2.010
0.717
低热值/(kJ·m-3)
56 488
93 244
35906
理论空气量/(m3·m-3)
11.90
23.80
9.52
理论需氧量(即纯氧与燃气体积比)/(m3·m-3)
2.5
5.0
2.0
在纯氧中的燃烧速度(火焰为中性焰)/(m·s-1)
5.8
3.9
5.5
中性焰温度/℃
3100
2520
2540
在纯氧中的爆炸极限/%
2.8～93.0
2.3～55.0
5.5～62.0
从表1可以看出，丙烷燃烧与乙炔燃烧有两个主要不同点：①丙烷完全燃烧的理论空气量和理论需氧量比乙炔多。②丙烷在氧气中的燃烧速度比乙炔的燃烧速度低得多，故丙烷燃烧不易产生回火。丙烷活泼性较差，因此燃烧柔和，较乙炔相对安全。另外，在成本方面，丙烷比乙炔更加占有优势[4]。
3 氧-丙烷割嘴结构设计
    由于不同燃气具有不同的性质，若在原来的氧-乙炔割嘴上直接使用丙烷来进行气割，就会有火焰分散无力、气割速度缓慢、点火困难、不易调节的缺点。因此必须设计专用的氧-丙烷气割割嘴才能满足气割要求。丙烷的热值比乙炔高，丙烷的燃烧温度比乙炔的燃烧温度低。需要重新调整可燃气体与氧气的比例，降低丙烷-氧气混合气体的喷出速度，才能保证良好的燃烧。
    氧气在切割中主要有两个作用：①作预热火焰的助燃气体，这部分氧气称为预热氧；②使金属燃烧并将燃烧生成的熔渣排除，这部分氧气称为高压切割氧。传统切割用割炬的割嘴形式主要有环形和梅花形两种[1]。环形割嘴主要由内嘴和外嘴两部分组合而成，又称组合式割嘴。梅花形割嘴与环形不同，燃气和预热氧的混合气孔道呈小圆孔，均匀地分布在高压切割氧孔道周围，整个割嘴为一体，又称整体式割嘴。传统环形和梅花形割嘴截面见图1。
 

    传统环形和梅花形割嘴的燃气燃烧方式均采用预混式燃烧，预热氧和燃气在孔道内混合，在割嘴出口处开始燃烧。而本文所设计的割嘴，燃气燃烧方式是扩散式燃烧。本文所设计的新型氧-丙烷割嘴截面见图2。
 

    此割嘴结构是按照气割的影响因素和切割燃气丙烷的物理化学性质而设计的。预热氧和燃气分别从各自的孔道流出，在割嘴出口处混合燃烧，产生的预热火焰将金属预热到燃点，高压切割氧将金属剧烈氧化成熔渣，并从切口中吹掉，从而将金属切割。影响切割过程的主要因素有高压切割氧纯度、高压切割氧流速、预热火焰温度等。高压切割氧纯度越高，燃烧反应就越快，切割速度和切口质量也越高。一般高压切割氧流速越高，所能切割的金属厚度越大，切割速度越快。此新型割嘴的预热氧孔道分内外两圈，其中内圈预热氧孔道位于高压切割氧孔道和燃气孔道之间，可以防止燃烧产物等杂质混入高压切割氧流，这样进入切口的氧就能保持原来的高纯度，气割过程也因此加速。设计最大切割厚度为1600mm，切割速度为20～50mm/min，切口宽度为25～35mm。
4 数值模拟
    本文应用CFD软件对割嘴内外圈氧气与丙烷的流动和燃烧做了冷态、热态模拟。模拟计算的模型包括割嘴内部气体流场和割嘴外部空间气体流场两部分，因为割嘴是中心对称的，所以只模拟整个割嘴的一半。总体几何模型见图3，其中割嘴外部空间是直径为200mm，长度为1600mm的半圆柱体。割嘴内部模型见图4，包括高压切割氧孔道、内外圈预热氧孔道、燃气孔道。三维网格划分情况见图5、6，其中图6是图5的局部放大图。
 

   ① 冷态模拟
   本文选用的流动模型是标准κ-ε模型，标准κ-ε模型是工程流场计算中的主要工具，适用范围广、经济、具有合理的精度，在工业流场计算中得到了广泛的应用。
    随着板厚的增大，一般要相应地提高高压切割氧的压力。当压力增大到一定值时，可能切割的厚度会达到最大值。当风线(即高压切割氧流线)最清晰、且长度最长时的切割压力即为合适值，可获得最佳的切割效果。本文根据割嘴的设计切割速度、切割厚度等参数确定高压切割氧入口、燃气入口、内圈预热氧入口、外圈预热氧入口的质量流量分别为0.119、0.014、0.004、0.013kg/s。通过多次试算，找出最合适的高压切割氧入口压力。最后经过计算得出切割氧流场、预热氧流场、燃气流场、烟气流场的速度分布、各组分的质量分数分布、压力分布。计算结果表明：整个流场的速度、压力分布均匀，在割嘴出口附近丙烷的质量分数迅速减小，很快降低到O，这说明丙烷与氧气混合良好，丙烷燃烧完全。高压切割氧流的形状对切割质量有明显影响，从模拟计算的结果看，高压切割氧流线图中风线边界清晰，圆柱形部分长度足够大，这样能够使切口断面平直，表面光洁，后拖量减小。距割嘴出口1.5m处截面上高压氧的速度仍有100m/s以上，符合切割厚板的要求。
   ② 热态模拟
   热态模拟的流动模型仍然选用标准κ-ε模型。此燃气割嘴属于扩散式燃烧方式，本文先后分别使用通用有限速率模型和概率密度函数模型来模拟燃烧状况，模拟结果的温度场差别很大，使用通用有限速率模型时由于没有考虑化学平衡，温度高达4500K，与实际情况不符。概率密度函数模型选用化学平衡计算来处理反应系统，温度场分布正常。由于不需要求解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。
    热态共计算了两种情况：①高压切割氧入口阀门关闭时的情况，即开放高压切割氧之前的预热。高压切割氧入口、燃气入口、内圈预热氧入口、外圈预热氧入口的质量流量分别设为0、0.014、0.004、0.013kg/s。丙烷与预热氧在割嘴出口附近燃烧，实际气割中此过程将所要切割的金属预热。②高压切割氧开放之后的情况，高压切割氧入口、燃气入口、内圈预热氧入口和外圈预热氧入口的质量流量分别设为0.119、0.014、0.004、0.013kg/s，实际气割中此过程是丙烷燃烧的火焰将金属预热到燃点，高压切割氧将金属剧烈氧化成熔渣，并从切口中吹掉，从而将金属切割。通过计算得出氧-丙烷的燃烧和流动状况。第①种情况，即没有高压切割氧时的燃烧流场分布均匀，燃烧完全，燃烧最高温度达到3090K。第②种情况即有高压切割氧时的燃烧流场分布均匀，丙烷燃烧完全，温度场分布均匀，最高温度达到2970K，比没有高压切割氧时低120K。主要原因可能是高压切割氧对火焰温度具有一定的冷却作用。计算证明，丙烷和氧气比例恰当，能够满足气割温度要求。有高压切割氧时在距离割嘴出口1.0、1.2、1.6m轴心处最高温度分别为2100、1900、900K，说明此割嘴能够满足切割厚度设计要求。
5 结论和展望
   本文应用CFD软件，通过冷态和热态模拟计算得出氧-丙烷割嘴内外气体的流动和燃烧情况。此割嘴出口混合气体流场分布均匀，温度场分布良好，达到气割效果要求。通过实际试验，此新型割嘴效果良好，流动和燃烧情况与模拟计算结果相符。这也证明用CFD软件的概率密度函数模型来计算气割中的纯氧燃烧是可行的。模拟计算的结果能够直观地表示出燃烧的温度分布、速度分布以及各组分质量分数分布等，这对于割嘴设计的优化具有一定的指导意义。
    添加CFD软件提供的辐射模型，有可能得到更加准确的燃烧流场。另外，还可以应用污染物形成模型计算出气割过程中的污染物生成情况以及影响因素，从而改善割嘴设计或运行参数。
参考文献：
[1] 王洪光.气焊与气割[M].北京：化学工业出版社，2005.
[2] 卜寅年.氧-液化石油气与氧-乙炔火焰切割比较[J].煤气与热力，2003，23(4)：220-222.
[3] 同济大学，哈尔滨建筑大学，重庆建筑大学，等.燃气燃烧与应用(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[4] 徐志兵，程群策.新型丙烷切割燃气的气割成本分析[J].新技术新工艺，2000，(5)：72、82.
 
(本文作者：冯良 王晓庆 李培华 同济大学 机械工程学院 上海 201804)