氧-丙烷氣割割嘴流動(dòng)和燃燒的數(shù)值模擬

摘 要

摘要：運(yùn)用CFD模擬軟件，就一種適用于丙烷燃燒的新型割嘴，對(duì)氧-丙烷割嘴內(nèi)外氧氣與丙烷的流動(dòng)燃燒進(jìn)行了冷態(tài)模擬分析，結(jié)果顯示割嘴出口速度場(chǎng)分布均勻。采用概率密度函數(shù)燃燒模型
摘要：運(yùn)用CFD模擬軟件，就一種適用于丙烷燃燒的新型割嘴，對(duì)氧-丙烷割嘴內(nèi)外氧氣與丙烷的流動(dòng)燃燒進(jìn)行了冷態(tài)模擬分析，結(jié)果顯示割嘴出口速度場(chǎng)分布均勻。采用概率密度函數(shù)燃燒模型進(jìn)行氧-丙烷燃燒模擬，研究流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，結(jié)果表明此新型割嘴能夠達(dá)到良好的燃燒效果，能夠滿足氣割要求。
關(guān)鍵詞：氣割；割嘴；丙烷；純氧燃燒；數(shù)值模擬；CFD軟件
1 概述
    氣割是利用燃料氣體火焰將金屬預(yù)熱到能在氧氣中燃燒的溫度，使金屬燃燒產(chǎn)生的氧化物和少量熔化了的金屬組成液態(tài)熔渣，同時(shí)借助于高壓切割氧氣流的作用把它吹出而形成氣割縫，從而達(dá)到金屬被切割的目的[1]。氣割和機(jī)械切割法相比，具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活方便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、適用范圍廣、效率較高等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)氧氣氣割過程可分為3個(gè)階段[1]：①預(yù)熱階段，燃?xì)庠陬A(yù)熱氧中燃燒，預(yù)熱階段由燃?xì)馊紵a(chǎn)生的預(yù)熱火焰來完成，只要保證在單位時(shí)間內(nèi)預(yù)熱火焰能夠提供足夠的能量就可得到滿意的預(yù)熱效果；②金屬在高壓切割氧中的燃燒過程；③生成氧化物的排除過程，高壓切割氧把生成的氧化物從切口中吹掉。后兩個(gè)過程必須借助于高壓切割氧氣流來完成，高壓切割氧氣流的壓力、流速、氧氣純度和氧氣流的形狀對(duì)氣割的速度、質(zhì)量和氣體的消耗量都有較大的影響。
    目前，應(yīng)用最廣泛的氣割用可燃?xì)怏w是乙炔，其次是液化石油氣[2]、丙烷、人工煤氣和天然氣。由于乙炔氣體理論燃燒溫度高，容易滿足氣割溫度要求，而且制取方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。但是乙炔生產(chǎn)污染嚴(yán)重，國(guó)家已經(jīng)禁止新建生產(chǎn)裝置。另外乙炔回火現(xiàn)象嚴(yán)重，切面光潔度不佳，掛渣現(xiàn)象多。許多國(guó)家都在尋找能夠替代乙炔的其他可燃?xì)怏w。近年來，液化石油氣在我國(guó)已被成功地用來替代乙炔進(jìn)行切割。液化石油氣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，化工廠所提供的液化石油氣的主要成分是丙烷。這為使用丙烷替代乙炔作為氣割用的工作氣體創(chuàng)造了良好的氣源條件。
    氧-丙烷氣割在美國(guó)已經(jīng)有了相當(dāng)大的市場(chǎng)。丙烷替代乙炔進(jìn)行氣割時(shí)，優(yōu)點(diǎn)如下：不易回火爆炸；割縫光潔，棱角整齊，熔渣少而易清除；耗氣費(fèi)用節(jié)省，降低了氣割的總成本；設(shè)備簡(jiǎn)單，易維護(hù)管理，便于攜帶，沒有污水和廢渣。其缺點(diǎn)是點(diǎn)火較難，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，消耗氧氣多等。
2 氣割用可燃?xì)怏w比較
   對(duì)氣割用可燃?xì)怏w的要求是燃燒火焰溫度高，成本低，安全性好，供應(yīng)充足。根據(jù)氧氣和可燃?xì)怏w的混合比例不同，火焰分為中性焰、氧化焰和碳化焰3種[1]。中性焰應(yīng)用最廣泛，一般用于碳鋼、紫銅、低合金鋼，本文主要研究新型割嘴的中性焰。乙炔、丙烷、甲烷的物理化學(xué)性質(zhì)比較見表1。
表1 乙炔、丙烷、甲烷的物理化學(xué)性質(zhì)比較[1、3]
氣體名稱
乙炔
丙烷
甲烷
分子式
C2H2
C3H8
CH4
密度/(kg·m-3)
1.171
2.010
0.717
低熱值/(kJ·m-3)
56 488
93 244
35906
理論空氣量/(m3·m-3)
11.90
23.80
9.52
理論需氧量(即純氧與燃?xì)怏w積比)/(m3·m-3)
2.5
5.0
2.0
在純氧中的燃燒速度(火焰為中性焰)/(m·s-1)
5.8
3.9
5.5
中性焰溫度/℃
3100
2520
2540
在純氧中的爆炸極限/%
2.8～93.0
2.3～55.0
5.5～62.0
從表1可以看出，丙烷燃燒與乙炔燃燒有兩個(gè)主要不同點(diǎn)：①丙烷完全燃燒的理論空氣量和理論需氧量比乙炔多。②丙烷在氧氣中的燃燒速度比乙炔的燃燒速度低得多，故丙烷燃燒不易產(chǎn)生回火。丙烷活潑性較差，因此燃燒柔和，較乙炔相對(duì)安全。另外，在成本方面，丙烷比乙炔更加占有優(yōu)勢(shì)[4]。
3 氧-丙烷割嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    由于不同燃?xì)饩哂胁煌男再|(zhì)，若在原來的氧-乙炔割嘴上直接使用丙烷來進(jìn)行氣割，就會(huì)有火焰分散無力、氣割速度緩慢、點(diǎn)火困難、不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。因此必須設(shè)計(jì)專用的氧-丙烷氣割割嘴才能滿足氣割要求。丙烷的熱值比乙炔高，丙烷的燃燒溫度比乙炔的燃燒溫度低。需要重新調(diào)整可燃?xì)怏w與氧氣的比例，降低丙烷-氧氣混合氣體的噴出速度，才能保證良好的燃燒。
    氧氣在切割中主要有兩個(gè)作用：①作預(yù)熱火焰的助燃?xì)怏w，這部分氧氣稱為預(yù)熱氧；②使金屬燃燒并將燃燒生成的熔渣排除，這部分氧氣稱為高壓切割氧。傳統(tǒng)切割用割炬的割嘴形式主要有環(huán)形和梅花形兩種[1]。環(huán)形割嘴主要由內(nèi)嘴和外嘴兩部分組合而成，又稱組合式割嘴。梅花形割嘴與環(huán)形不同，燃?xì)夂皖A(yù)熱氧的混合氣孔道呈小圓孔，均勻地分布在高壓切割氧孔道周圍，整個(gè)割嘴為一體，又稱整體式割嘴。傳統(tǒng)環(huán)形和梅花形割嘴截面見圖1。
 

    傳統(tǒng)環(huán)形和梅花形割嘴的燃?xì)馊紵绞骄捎妙A(yù)混式燃燒，預(yù)熱氧和燃?xì)庠诳椎纼?nèi)混合，在割嘴出口處開始燃燒。而本文所設(shè)計(jì)的割嘴，燃?xì)馊紵绞绞菙U(kuò)散式燃燒。本文所設(shè)計(jì)的新型氧-丙烷割嘴截面見圖2。
 

    此割嘴結(jié)構(gòu)是按照氣割的影響因素和切割燃?xì)獗榈奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)而設(shè)計(jì)的。預(yù)熱氧和燃?xì)夥謩e從各自的孔道流出，在割嘴出口處混合燃燒，產(chǎn)生的預(yù)熱火焰將金屬預(yù)熱到燃點(diǎn)，高壓切割氧將金屬劇烈氧化成熔渣，并從切口中吹掉，從而將金屬切割。影響切割過程的主要因素有高壓切割氧純度、高壓切割氧流速、預(yù)熱火焰溫度等。高壓切割氧純度越高，燃燒反應(yīng)就越快，切割速度和切口質(zhì)量也越高。一般高壓切割氧流速越高，所能切割的金屬厚度越大，切割速度越快。此新型割嘴的預(yù)熱氧孔道分內(nèi)外兩圈，其中內(nèi)圈預(yù)熱氧孔道位于高壓切割氧孔道和燃?xì)饪椎乐g，可以防止燃燒產(chǎn)物等雜質(zhì)混入高壓切割氧流，這樣進(jìn)入切口的氧就能保持原來的高純度，氣割過程也因此加速。設(shè)計(jì)最大切割厚度為1600mm，切割速度為20～50mm/min，切口寬度為25～35mm。
4 數(shù)值模擬
    本文應(yīng)用CFD軟件對(duì)割嘴內(nèi)外圈氧氣與丙烷的流動(dòng)和燃燒做了冷態(tài)、熱態(tài)模擬。模擬計(jì)算的模型包括割嘴內(nèi)部氣體流場(chǎng)和割嘴外部空間氣體流場(chǎng)兩部分，因?yàn)楦钭焓侵行膶?duì)稱的，所以只模擬整個(gè)割嘴的一半?？傮w幾何模型見圖3，其中割嘴外部空間是直徑為200mm，長(zhǎng)度為1600mm的半圓柱體。割嘴內(nèi)部模型見圖4，包括高壓切割氧孔道、內(nèi)外圈預(yù)熱氧孔道、燃?xì)饪椎馈ＨS網(wǎng)格劃分情況見圖5、6，其中圖6是圖5的局部放大圖。
 

   ① 冷態(tài)模擬
   本文選用的流動(dòng)模型是標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是工程流場(chǎng)計(jì)算中的主要工具，適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、具有合理的精度，在工業(yè)流場(chǎng)計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。
    隨著板厚的增大，一般要相應(yīng)地提高高壓切割氧的壓力。當(dāng)壓力增大到一定值時(shí)，可能切割的厚度會(huì)達(dá)到最大值。當(dāng)風(fēng)線(即高壓切割氧流線)最清晰、且長(zhǎng)度最長(zhǎng)時(shí)的切割壓力即為合適值，可獲得最佳的切割效果。本文根據(jù)割嘴的設(shè)計(jì)切割速度、切割厚度等參數(shù)確定高壓切割氧入口、燃?xì)馊肟凇?nèi)圈預(yù)熱氧入口、外圈預(yù)熱氧入口的質(zhì)量流量分別為0.119、0.014、0.004、0.013kg/s。通過多次試算，找出最合適的高壓切割氧入口壓力。最后經(jīng)過計(jì)算得出切割氧流場(chǎng)、預(yù)熱氧流場(chǎng)、燃?xì)饬鲌?chǎng)、煙氣流場(chǎng)的速度分布、各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、壓力分布。計(jì)算結(jié)果表明：整個(gè)流場(chǎng)的速度、壓力分布均勻，在割嘴出口附近丙烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速減小，很快降低到O，這說明丙烷與氧氣混合良好，丙烷燃燒完全。高壓切割氧流的形狀對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響，從模擬計(jì)算的結(jié)果看，高壓切割氧流線圖中風(fēng)線邊界清晰，圓柱形部分長(zhǎng)度足夠大，這樣能夠使切口斷面平直，表面光潔，后拖量減小。距割嘴出口1.5m處截面上高壓氧的速度仍有100m/s以上，符合切割厚板的要求。
   ② 熱態(tài)模擬
   熱態(tài)模擬的流動(dòng)模型仍然選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。此燃?xì)飧钭鞂儆跀U(kuò)散式燃燒方式，本文先后分別使用通用有限速率模型和概率密度函數(shù)模型來模擬燃燒狀況，模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)差別很大，使用通用有限速率模型時(shí)由于沒有考慮化學(xué)平衡，溫度高達(dá)4500K，與實(shí)際情況不符。概率密度函數(shù)模型選用化學(xué)平衡計(jì)算來處理反應(yīng)系統(tǒng)，溫度場(chǎng)分布正常。由于不需要求解大量的組分輸運(yùn)方程，該方法在計(jì)算上很有效。
    熱態(tài)共計(jì)算了兩種情況：①高壓切割氧入口閥門關(guān)閉時(shí)的情況，即開放高壓切割氧之前的預(yù)熱。高壓切割氧入口、燃?xì)馊肟?、?nèi)圈預(yù)熱氧入口、外圈預(yù)熱氧入口的質(zhì)量流量分別設(shè)為0、0.014、0.004、0.013kg/s。丙烷與預(yù)熱氧在割嘴出口附近燃燒，實(shí)際氣割中此過程將所要切割的金屬預(yù)熱。②高壓切割氧開放之后的情況，高壓切割氧入口、燃?xì)馊肟?、?nèi)圈預(yù)熱氧入口和外圈預(yù)熱氧入口的質(zhì)量流量分別設(shè)為0.119、0.014、0.004、0.013kg/s，實(shí)際氣割中此過程是丙烷燃燒的火焰將金屬預(yù)熱到燃點(diǎn)，高壓切割氧將金屬劇烈氧化成熔渣，并從切口中吹掉，從而將金屬切割。通過計(jì)算得出氧-丙烷的燃燒和流動(dòng)狀況。第①種情況，即沒有高壓切割氧時(shí)的燃燒流場(chǎng)分布均勻，燃燒完全，燃燒最高溫度達(dá)到3090K。第②種情況即有高壓切割氧時(shí)的燃燒流場(chǎng)分布均勻，丙烷燃燒完全，溫度場(chǎng)分布均勻，最高溫度達(dá)到2970K，比沒有高壓切割氧時(shí)低120K。主要原因可能是高壓切割氧對(duì)火焰溫度具有一定的冷卻作用。計(jì)算證明，丙烷和氧氣比例恰當(dāng)，能夠滿足氣割溫度要求。有高壓切割氧時(shí)在距離割嘴出口1.0、1.2、1.6m軸心處最高溫度分別為2100、1900、900K，說明此割嘴能夠滿足切割厚度設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)論和展望
   本文應(yīng)用CFD軟件，通過冷態(tài)和熱態(tài)模擬計(jì)算得出氧-丙烷割嘴內(nèi)外氣體的流動(dòng)和燃燒情況。此割嘴出口混合氣體流場(chǎng)分布均勻，溫度場(chǎng)分布良好，達(dá)到氣割效果要求。通過實(shí)際試驗(yàn)，此新型割嘴效果良好，流動(dòng)和燃燒情況與模擬計(jì)算結(jié)果相符。這也證明用CFD軟件的概率密度函數(shù)模型來計(jì)算氣割中的純氧燃燒是可行的。模擬計(jì)算的結(jié)果能夠直觀地表示出燃燒的溫度分布、速度分布以及各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等，這對(duì)于割嘴設(shè)計(jì)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。
    添加CFD軟件提供的輻射模型，有可能得到更加準(zhǔn)確的燃燒流場(chǎng)。另外，還可以應(yīng)用污染物形成模型計(jì)算出氣割過程中的污染物生成情況以及影響因素，從而改善割嘴設(shè)計(jì)或運(yùn)行參數(shù)。
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(本文作者：馮良 王曉慶 李培華 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201804)