燃氣組成改變對均熱爐熱效率的影響

摘 要

摘要：運用CFD軟件對均熱爐的燃燒進行了數(shù)值模擬，分析了燃氣組成變化對均熱爐燃燒溫度、煙氣輻射強度、爐內(nèi)流場和爐內(nèi)溫度場均勻性的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上對均熱爐進行了
摘要：運用CFD軟件對均熱爐的燃燒進行了數(shù)值模擬，分析了燃氣組成變化對均熱爐燃燒溫度、煙氣輻射強度、爐內(nèi)流場和爐內(nèi)溫度場均勻性的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上對均熱爐進行了實際測試。，不同燃氣組成，在熱值相近或相差較大的情況下對均熱爐的熱效率均有很大影響，均熱爐仍有節(jié)能減排潛力。
關(guān)鍵詞：均熱爐；燃氣組成；熱效率；輻射強度；溫度場；高溫空氣燃燒
Influence of Change in Gas Composition on Thermal Efficiency of Soaking Furnace
LIANG Songbin，DENG Wanli，LI Fangqin，ZHONG Weijian，F(xiàn)ANG 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
   高溫空氣燃燒(High Temperature Air Combustion，HTAC)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型燃燒技術(shù)[1]。高溫空氣燃燒技術(shù)用高效蓄熱體回收煙氣余熱，通過周期性換向，將助燃空氣加熱到800℃以上，結(jié)合燃料分級或高速射流形成的卷吸降低氧氣濃度，使燃料在高溫低氧氣氛中燃燒，不僅能夠拓寬燃料可燃極限，提高燃燒穩(wěn)定性，提供更高、更均勻的熱流，改善產(chǎn)品質(zhì)量，而且能夠顯著降低污染物排放量，實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的統(tǒng)一。HTAC成功應(yīng)用于冶金、機械、化工、陶瓷等工業(yè)部門中[2～3]，成為最有發(fā)展前景的燃燒技術(shù)之一。在日本、西歐國家，HTAC被認為節(jié)能降污的重要技術(shù)[4]。
    高溫空氣燃燒技術(shù)在冶金、化工和機械領(lǐng)域已取得了很好的節(jié)能效果[1]。在均熱爐蓄熱式燃燒技術(shù)取得顯著節(jié)能效果的基礎(chǔ)上，如何進一步節(jié)能挖潛，探討節(jié)能的新途徑，是本文的研究日的之一。本文以某鋼鐵公司的一臺蓄熱式均熱爐為研究對象，運用CFD軟件對研究對象進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)燃氣組成變化對均熱爐內(nèi)燃燒溫度、煙氣輻射強度、加熱時間和爐內(nèi)溫度均勻性有重要影響。對研究對象進行實際測試，以研究燃氣組成變化對均熱爐熱效率的影響程度。
2 燃氣組成對均熱爐熱效率影響理論分析
    均熱爐爐膛內(nèi)的傳熱以輻射為主，占總熱交換量的90%以上[5]。目前，大多數(shù)均熱爐主要燃燒碳氫氣體燃料，其主要燃燒產(chǎn)物是H20、C02和空氣帶入的N2。由于氣體輻射可以在整個氣體空間中進行，因此，氣體的吸收率和發(fā)射率與氣體內(nèi)部輻射性氣體的分子數(shù)量有關(guān)，它是氣體分壓、輻射厚度和氣體溫度的函數(shù)，即[6]：
    εq=f(p，Sf，T)    (1)
其具體函數(shù)關(guān)系式可以寫成下式：
 
    由于對于同一爐子在爐膛充滿度相同的情況下，Sf相同，△ε通常不予考慮[6]，因此，煙氣發(fā)射率主要取決于輻射性氣體的分子數(shù)量、氣體類型和煙氣溫度。
    由于輻射換熱在均熱爐內(nèi)起主要作用，因此，燃氣組成變化對均熱爐效率的影響主要體現(xiàn)在以下方面：
    ① 燃氣組成變化所引起的燃燒溫度和輻射性氣體分子數(shù)量的變化，影響爐內(nèi)輻射強度，也就影響煙氣和鋼坯的輻射換熱。
    ② 燃氣組成變化必然引起燃氣噴口和空氣噴口的出流速度的變化，將導(dǎo)致煙氣量和煙氣流速的變化，這兩項影響煙氣在爐內(nèi)的停留時間，直接影響煙氣和鋼坯間的有效換熱。
3 均熱爐的數(shù)值模擬
3.1 均熱爐物理模型
均熱爐物理模型以國內(nèi)某大型鋼鐵公司的均熱爐為原型，見圖1。
 

    均熱爐尺寸為：長(x)×寬(z)×高(y)為7.9m×4.0m×5.0m。均熱爐前后墻對稱布置一對蓄熱式燒嘴，在后墻布置排煙道。燃燒器為同軸圓形噴口，中間空氣噴口直徑為508mm，圓環(huán)形燃氣噴口外徑為664mm。燒嘴中心標(biāo)高為4000mm，兩個燃燒器的中心間距為1139mm。爐中有14根大方坯。在原型爐和模型爐中，45%的煙氣通過煙道排出，55%的煙氣通過蓄熱式燒嘴換熱后排出。在數(shù)值模擬中，模擬3種組成不同的燃氣工況，在輸入爐內(nèi)熱量相同的情況下，考察燃氣組成變化對均熱爐爐內(nèi)溫度場、爐內(nèi)煙氣流場和均熱爐排煙損失的影響。
    數(shù)值模擬計算應(yīng)用CFD軟件，采用κ-ε湍流模型、PDF燃燒模型和DO(離散坐標(biāo))輻射傳熱模型。模擬中假設(shè)鋼坯溫度為1300K，鋼坯比熱容隨溫度的變化參照文獻[7]提供的數(shù)據(jù)，爐墻向外散熱損失熱流密度為23W/m2，燃氣組成(體積分?jǐn)?shù))及其他運行參數(shù)見表1、2。
    工況1的煤氣低熱值為5510kJ/m3，工況2的煤氣低熱值為7280kJ/m3，工況3的煤氣低熱值為6610kJ/m3。
表1 3種工況燃氣的組成(體積分?jǐn)?shù))    %
組分
工況1
工況2
工況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種燃氣運行參數(shù)
運行參數(shù)
工況1
工況2
工況3
燃氣入口速度vgas/(m·s-1)
5.254
3.968
4.297
空氣入口速度vair/(m·s-1)
4.804
4.673
4.304
燃氣預(yù)熱溫度tgas/℃
370
370
370
空氣預(yù)熱溫度tair/℃
1000
1000
1000
過剩空氣系數(shù)
1.1
1.1
1.1
3.2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析
   ① 爐內(nèi)燃燒溫度
   根據(jù)上述模型和運行參數(shù)，燃氣和空氣通過后墻上的燃燒器噴入。3種工況在均熱爐中的燃燒模擬結(jié)果圖2～4，它們是通過z=2000mm縱向(爐長方向)上的截面。

   由圖2～4可以看出，在輸入爐內(nèi)的熱量相同的情況下，工況2的燃燒溫度最高，鋼坯加熱區(qū)溫度處于1300～1460K。工況1的燃燒溫度次之，鋼坯加熱區(qū)溫度處于1310～1440K。工況3的燃燒溫度最低，鋼坯加熱區(qū)溫度處于1300～1420K。從3種工況的溫度分布圖可以看出，鋼坯上部煙氣溫度要高于鋼坯下部煙氣溫度，燃氣進口對面墻的溫度也是處于爐內(nèi)的高溫區(qū)。值得注意的是：3種工況的爐頂均處于爐內(nèi)的較高溫度區(qū)。3種工況的燃燒器附近的區(qū)域形成一個低溫區(qū)，有效地保護燃燒器免受高溫?zé)煔獾臒龘p。雖然模擬中鋼坯上下面的溫度相差較大，但實際中，燃燒器的周期性工作使?fàn)t內(nèi)煙氣湍流度增加，加強了爐膛上部高溫?zé)煔夂拖虏康蜏責(zé)煔獾幕旌?，使這種溫度分布不均勻性可以通過燒嘴輪流換向得到改善[8]。
   ② 爐內(nèi)換熱效果
   爐內(nèi)輻射換熱占爐內(nèi)換熱量的90%以上。3種燃燒工況的爐內(nèi)輻射強度和爐內(nèi)煙氣平均速度見表3。
表3 3種燃燒工況的爐內(nèi)輻射強度和爐內(nèi)煙氣平均速度
項目
工況1
工況2
工況3
爐內(nèi)輻射強度/(kW·m-2)
698.8
697.3
689.9
爐內(nèi)煙氣平均速度/(m·s-1)
1.038
0.899
0.896
爐內(nèi)煙氣平均比熱容/(J·kg-1·K-1)
1303
1365
1411
    由表3可以看出，工況1的輻射強度最大，工況2次之，工況3的輻射強度最小。工況3的爐內(nèi)煙氣平均速度最低，只有0.896m/s，工況2次之，為0.899m/s，工況1的爐內(nèi)煙氣平均速度最高，達1.038m/s。燃氣的燃燒溫度除了和燃氣的熱值有關(guān)外，煙氣的比熱容也是一個很重要的影響因素。比較表3中各個工況的煙氣比熱容，就可以解釋為什么工況3的燃氣熱值比工況1高，但是燃燒溫度卻比工況1低。由于爐內(nèi)輻射換熱效果主要受煙氣
輻射強度和煙氣在爐內(nèi)的停留時間影響，工況1雖然輻射強度最高，但是煙氣在爐內(nèi)停留的時間過短，造成輻射換熱效果較差。因此，工況2的爐內(nèi)換熱效果最好，工況3次之，工況1的效果最差。由此也可以推斷，同樣裝載量，工況2所需生產(chǎn)時間最短，工況3次之，工況1所需時間最長。
   ③ 均熱爐熱效率
   均熱爐的熱效率除了受爐內(nèi)換熱效果影響外，主要受煙氣帶走的熱量影響。所研究對象有45%的煙氣從煙道排出，55%的煙氣從蓄熱式燒嘴排出。從蓄熱式燒嘴排出的煙氣余熱可最大限度地回收，而從煙道排出的煙氣雖然經(jīng)過燃氣預(yù)熱器換熱，但煙氣溫度仍然很高。因此，研究對象的排煙損失主要為煙道排煙損失。3種工況排煙損失見表4。
表4 3種工況排煙損失
項 目
工況1
工況2
工況3
煙道煙氣比焓/(kJ·kg-1)
2897
2654
2378
煙道煙氣流速/(m·s-1)
0.451
0.385
0.396
煙道煙氣密度/(kg·m-3)
0.295
0.277
0.265
煙道排煙損失/kW
1767
1295
1146
由表4可以看出，工況1的煙道排煙損失最大，工況2次之，工況3最小。如果單從煙道的排煙損失來看，工況3的熱效率應(yīng)該最高。但事實上，均熱爐的熱效率應(yīng)從整個加熱周期來評價。工況3的加熱周期比工況2長，則工況3的效率要低于工況2；而工況1由于排煙損失最大，加熱周期最長，則工況1的效率最低。因此，工況2熱效率最高，工況3次之，工況1最低。
4 數(shù)值模擬和實際試驗數(shù)據(jù)比較
    在上述理論分析的基礎(chǔ)上，為配合該鋼鐵公司燃氣用氣優(yōu)化和均熱爐節(jié)能減排，對均熱爐原型進行了上述3種工況的實際試驗。試驗結(jié)果見表5。
    表5中的載荷是指均熱爐每個加熱周期的鋼坯裝載量。由表5的試驗結(jié)果較好地驗證了數(shù)值模擬的推論。
表5 均熱爐實際試驗結(jié)果
測試項目
工況1
工況2
工況3
載荷/t
144.4
144.4
144.4
均熱爐熱效率/%
38.56
47.33
42.43
加熱鋼坯達到目標(biāo)溫度耗時/h
5.050
3.667
4.134
5 結(jié)論
    ① 在均熱爐普遍采用高溫空氣燃燒技術(shù)的背景下，均熱爐取得了良好的節(jié)能效果。但在此基礎(chǔ)上，高溫空氣燃燒技術(shù)在均熱爐上仍有節(jié)能潛力。
    ② 不同組成的燃氣，在輸入爐內(nèi)的熱量相同的情況下，其最高溫度、爐內(nèi)平均溫度、爐內(nèi)煙氣速度和爐內(nèi)平均輻射強度均不相同，這些因素影響著均熱爐爐內(nèi)的換熱效果，也就影響著均熱爐的生產(chǎn)能力和熱效率。
    ③ 不同組成的燃氣，在輸入爐內(nèi)熱量相同的情況下，由于其爐內(nèi)的換熱效果不同，因此煙氣帶走的熱量和加熱周期也不同，均熱爐的熱效率也不同。溫度高)，同時因為其煙氣量大，所以排煙損失最大，而工況3則相反。如何調(diào)配合適的燃氣組成，使其既具有較低的熱值、較高的燃燒溫度和較小的煙氣量的特征，以進一步降低排煙損失，這是有待解決的問題。
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(本文作者：梁松彬1 鄧萬里2 李芳芹1 鐘惟劍1 方偉1 任建興1 1.上海電力學(xué)院 上海 200090；2.上海寶山鋼鐵股份有限公司能源部 上海 200941)