李剛健

我公司LOMA?型熱風(fēng)爐適用于氣體、液體和固體多種燃料的獨(dú)立燃燒或混合燃燒，爐體耐熱鋼結(jié)構(gòu)最高可承受750℃高溫，燃燒室熱損失小，爐體散熱可以被工藝管路氣流回收，熱負(fù)荷調(diào)整靈活，供熱能力0.5~60MW，可滿足水泥、鋼鐵、電力等行業(yè)的物料烘干需求。LOMA-MLB是LOMA?系列熱風(fēng)爐中適用于氣體燃料的爐型，既可垂直安裝也可水平安裝，國內(nèi)已有多家用戶配套該型熱風(fēng)爐，使用高爐煤氣作為燃料為礦渣粉磨系統(tǒng)提供熱風(fēng)。本文將對(duì)使用Fluent軟件數(shù)值模擬高爐煤氣在熱風(fēng)爐中的燃燒情況進(jìn)行介紹，驗(yàn)證熱風(fēng)爐調(diào)試時(shí)，配風(fēng)所需的合適空燃比（空氣與高爐煤氣之比）以及不同空氣過剩系數(shù)下，煙氣溫度的參考值。

1 LOMA-MLB熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

LOMA-MLB熱風(fēng)爐整體結(jié)構(gòu)示意見圖1，LOMA-MLB熱風(fēng)爐爐膛頂部及爐內(nèi)噴嘴組布置示意見圖2，LOMA-MLB熱風(fēng)爐“氣/風(fēng)”室剖面示意見圖3。

圖2 LOMA-MLB熱風(fēng)爐爐膛頂部及爐內(nèi)噴嘴組布置示意

圖3 LOMA-MLB熱風(fēng)爐“氣/風(fēng)”室剖面示意

如圖1所示，此熱風(fēng)爐的高爐煤氣噴嘴組（以下簡稱為“噴嘴”）及其助燃空氣配風(fēng)裝置布置于爐膛頂部，整體結(jié)構(gòu)為圓筒形，內(nèi)部分為上下兩層，用隔板分離，上層進(jìn)高爐煤氣，下層進(jìn)空氣。

圖1 LOMA-MLB熱風(fēng)爐整體結(jié)構(gòu)示意

熱風(fēng)爐噴嘴為內(nèi)、外套管結(jié)構(gòu)（見圖1、2）。內(nèi)管是高爐煤氣通道，高爐煤氣經(jīng)計(jì)量后由高爐煤氣入口進(jìn)入上層筒體，通過上層底板均布的多個(gè)圓孔進(jìn)入各個(gè)高爐煤氣噴嘴內(nèi)管；噴嘴外管與內(nèi)管形成的環(huán)形區(qū)是助燃空氣通道，計(jì)量后的助燃空氣由下層筒體助燃空氣入口進(jìn)入，通過各個(gè)噴嘴外套管的環(huán)形通道在噴嘴出口處形成環(huán)形風(fēng)。噴嘴內(nèi)管高爐煤氣的出口處設(shè)計(jì)有鈍體（形狀為錐角約60°的圓臺(tái)，見圖3），將高爐煤氣分流到管壁側(cè)面六個(gè)矩形出口，與環(huán)形助燃空氣匯合形成混合氣，進(jìn)入爐膛（燃燒室）頂部。進(jìn)入爐膛的混合氣在出口附近被點(diǎn)火燃燒器點(diǎn)燃。低溫的工藝系統(tǒng)風(fēng)由工藝系統(tǒng)風(fēng)入口進(jìn)入爐膛周圍的蝸殼風(fēng)道后，向下通過冷卻風(fēng)多孔整流筒與爐膛出口高溫?zé)煔饣旌弦赃_(dá)到工藝烘干的目的。

如圖2所示，高爐煤氣噴嘴中心處管道用于主燃燒器及點(diǎn)火燃燒器的安裝，外圍為各支煤氣噴嘴，主燃燒器可設(shè)計(jì)為安裝替代燃料的燃燒器，如燃煤的噴煤管等，下部爐膛也應(yīng)做相應(yīng)設(shè)計(jì)調(diào)整。

2 熱風(fēng)爐的建模與網(wǎng)格的劃分

2.1 建模

通過建模，數(shù)值模擬熱風(fēng)爐運(yùn)行時(shí)，高爐煤氣燃燒的空燃比及燃燒溫度。為了簡化模型，降低計(jì)算量，不對(duì)熱風(fēng)爐整體流場建模，僅對(duì)一支高爐煤氣噴嘴及其爐膛內(nèi)的外流場進(jìn)行建模計(jì)算。在熱風(fēng)爐實(shí)際燃燒過程中，雖然相鄰的噴嘴相互之間會(huì)有一定影響，但可忽略。

建模采用ANSYS自帶的SPACECLAIM軟件，該軟件與網(wǎng)格劃分軟件ICEM均為ANASYS集成的模塊，兼容性好，模型在網(wǎng)格劃分前不需再進(jìn)行幾何拓樸重建。

建立LOMA-MLB熱風(fēng)爐實(shí)體結(jié)構(gòu)模型后，利用SPACECLAIM軟件的體積抽取功能進(jìn)行熱風(fēng)爐體積抽取，獲得其流體域體積模型，見圖4。假定流體域?yàn)?300mm×990mm的圓柱體，高爐煤氣與助燃空氣的噴嘴入口位于圓柱流體域上表面中心，噴嘴在流體域內(nèi)，圓柱下表面為出口，其他表面均設(shè)置為壁面。

圖4 流體域體積模型

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型文件直接導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了降低網(wǎng)格數(shù)量，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為686k，面網(wǎng)格最低質(zhì)量為0.5，體網(wǎng)格最低質(zhì)量為0.52（在“Determinant”行列式質(zhì)量數(shù)據(jù)中查詢所得），滿足Fluent求解器計(jì)算要求。網(wǎng)格質(zhì)量較低部分主要集中在噴嘴出口的鈍體附近，由于存在三角形切面，此部分在塊體劃分時(shí),需進(jìn)行“Y”形切分,鈍體“Y”形塊體切分及其網(wǎng)格劃分如圖5所示。鈍體的上下塊體均需“Y”切，否則無法提高面網(wǎng)格質(zhì)量，此操作后，網(wǎng)格最低質(zhì)量由0.2提高至0.5。

圖5 鈍體“Y”形塊體切分及其網(wǎng)格劃分

3 高爐煤氣燃燒數(shù)值模擬初始條件設(shè)置

在ICEM軟件中完成網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)出擴(kuò)展名為“.mesh”的Fluent格式網(wǎng)格文件，網(wǎng)格文件可以順利導(dǎo)入Fluent軟件并顯示正常。在Fluent軟件菜單“Domain-Mesh-Scale”中檢查導(dǎo)入的網(wǎng)格尺寸并進(jìn)行以下設(shè)置。

3.1 流體域湍流模型

流體域湍流模型采用k-epsilon（2 eqn）標(biāo)準(zhǔn)模型默認(rèn)參數(shù)。激活能量方程選項(xiàng)，輻射模型選擇P1模型，P1輻射模型的計(jì)算結(jié)果精度低于DO模型，但其計(jì)算速度快，可以減輕CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

3.2 燃燒模型

燃燒模型選擇非預(yù)混燃燒模型“Non-Premixed Combustion”，該模型用于處理未經(jīng)預(yù)混合的燃料與空氣，在分別送入燃燒設(shè)備后，采用邊混合邊燃燒的燃燒方式。該模型假設(shè)反應(yīng)受混合速率控制，組分間已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，每個(gè)單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強(qiáng)度控制，用化學(xué)平衡處理化學(xué)反應(yīng)，無需添加表明化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的化學(xué)反應(yīng)式。

高爐煤氣主要燃燒成分是一氧化碳，含有少量氫氣和幾乎可以忽略的甲烷，各組分的比例可用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示，氧化劑為空氣。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各組分比例總和<100%時(shí)，在設(shè)置模型參數(shù)時(shí)需補(bǔ)足到100%。本案例設(shè)置模型參數(shù)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的0.1%加入到氮?dú)饨M分中，氮?dú)庥蓪?shí)測(cè)的47.8%調(diào)整至47.9%，以滿足軟件要求，氮氧化物的反應(yīng)在模擬燃燒開始時(shí)不需要開啟，不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成大的影響。實(shí)際使用的高爐煤氣成分，除了氮?dú)庥谜{(diào)整后的數(shù)據(jù)外，其他組分的數(shù)據(jù)均根據(jù)表1所列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸入到“Species Model-Non-Premixed Combustion-Boundary”菜單中，并選擇對(duì)應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)。

*表1 高爐煤氣成分，%

3.3 生成PDF（概率密度函數(shù)）文件

完成高爐煤氣的組分?jǐn)?shù)據(jù)添加后，需在“Species Model-Chemistry-Model Settings”菜單下設(shè)置“Fuel Stream Rich Flammability Limit”，即，“富燃限值”。此案例中，富燃限值為估計(jì)值0.8，比化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量值高14%，符合軟件的要求范圍；由非預(yù)混模型的燃燒過程計(jì)算表生成器生成PDF文件，保存并用于后續(xù)的迭代求解計(jì)算。通過燃燒過程計(jì)算表可以預(yù)測(cè)燃?xì)馔耆紵?，煙氣的最高燃燒溫度及空燃比?/p>

高爐煤氣與空氣的初始溫度均設(shè)定為300K，通過燃燒過程計(jì)算表可以得到高爐煤氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化與燃燒后煙氣溫度關(guān)系的二維、三維圖表。用于計(jì)算的二維圖表如圖6所示。

軟件顯示出二維、三維圖表的同時(shí)，軟件控制臺(tái)中顯示“Maximum of Mean Temperature[K]is 1.721527e+03 and occurs at Mean Mixture Fraction=5.995813e-01”，即，當(dāng)高爐煤氣與空氣混合后，高爐煤氣所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 995 813（以下使用0.6）時(shí)，高爐煤氣完全燃燒形成煙氣，且煙氣中無過?？諝?，煙氣最高溫度達(dá)1 721K（1 448℃）。

3.4 空燃比計(jì)算

理論燃燒時(shí)，“空燃比”為“煙氣達(dá)到最高溫度時(shí)的空氣與燃?xì)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)比例”。本案例按照PDF圖表計(jì)算結(jié)果，簡單計(jì)算為4：6；根據(jù)高爐煤氣組分計(jì)算標(biāo)況下，高爐煤氣的密度為1.360kg/m3，空氣密度為1.293kg/m3，空燃比的體積比由空氣與高爐煤氣質(zhì)量除以各自的密度得到為0.701：1，即每燃燒1m3高爐煤氣，理論所需助燃空氣為0.701m3。按體積計(jì)算空燃比是由于工廠通過測(cè)量體積流量進(jìn)行配風(fēng)計(jì)算及自控調(diào)節(jié)。圖6中，折線到達(dá)拐點(diǎn)前的左半段，即高爐煤氣質(zhì)量混合比<0.6前，可看作空氣過量時(shí)的燃燒溫度；隨著高爐煤氣比例的增加，煙氣溫度逐漸上升，可根據(jù)實(shí)際將高爐煤氣在混合氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與煙氣溫度轉(zhuǎn)化為過?？諝庀禂?shù)與煙氣溫度關(guān)系的曲線，見圖7。

圖6 PDF二維圖表

圖7 過?？諝庀禂?shù)與煙氣溫度關(guān)系曲線

在計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)定熱調(diào)試參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測(cè)加以修正，以最大程度縮短調(diào)試時(shí)間，快速確定工藝參數(shù)。圖7顯示的煙氣溫度可能會(huì)比實(shí)際燃燒的煙氣溫度高，這是由于PDF計(jì)算采用絕熱燃燒方式（沒有熱損失），與實(shí)際生產(chǎn)中存在表面散熱、漏風(fēng)甚至高爐煤氣質(zhì)量波動(dòng)不同。

3.5 邊界條件設(shè)置

以理論助燃空氣比例計(jì)算設(shè)置其速度入口并設(shè)定邊界條件。助燃空氣速度入口：溫度設(shè)為300K，混合組分比例為0，水力直徑18mm，質(zhì)量流量0.018 2kg/s，工況流速6.52m/s；高爐煤氣速度入口：溫度設(shè)為300K，混合組分比例為1，水力直徑75mm，質(zhì)量流量0.027 4kg/s，工況流速5m/s；煙氣出口：設(shè)為壓力出口，水力直徑250mm，回流溫度700K；壁面：所有壁面溫度均設(shè)為300K，邊界類型為溫度邊界，溫度邊界不屬于絕熱邊界，會(huì)產(chǎn)生傳熱而本身并無熱量產(chǎn)生，其他保持默認(rèn)設(shè)置。所有邊界溫度設(shè)置為低于點(diǎn)火溫度（1 000K），以便確認(rèn)火焰形成是由后續(xù)設(shè)置的“點(diǎn)火器”來點(diǎn)燃。

4 求解

求解器選擇壓力-速度耦合的穩(wěn)態(tài)迭代求解，“Hybrid”初始化使殘差收斂至“1e-6”以下后，使用“Solution-Patch”功能，在噴嘴前端流域內(nèi)設(shè)置一個(gè)溫度為1 000K、形狀為?15mm的圓球區(qū)域，用作點(diǎn)火器模擬高爐煤氣的點(diǎn)火。CO理論燃點(diǎn)約667℃，高爐煤氣經(jīng)驗(yàn)燃點(diǎn)約700℃，實(shí)際應(yīng)用中，點(diǎn)火器使用柴油槍（也可以使用其他氣體燃料）霧化后，在爐頂中心區(qū)域點(diǎn)火，形成火焰后再打開高爐煤氣閥組供風(fēng)供氣。期間會(huì)有短暫的油氣混燃，使高爐煤氣噴嘴火焰的形成由點(diǎn)火區(qū)域噴嘴向周邊傳遞，確保全部噴嘴被點(diǎn)燃，實(shí)際點(diǎn)火溫度高于模擬溫度。點(diǎn)火位置設(shè)置在距噴嘴出口一定距離的球形區(qū)域內(nèi)。

點(diǎn)火區(qū)域設(shè)置完成后開始計(jì)算，約2 000步時(shí)，所有參數(shù)的殘差均收斂到設(shè)定的“1e-6”以下，運(yùn)算自動(dòng)停止。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 燃燒反應(yīng)的質(zhì)量平衡

數(shù)值模擬計(jì)算完成后，可在“Result-Surface Flux Report-Mass Flow Rate”菜單查詢到反應(yīng)物的質(zhì)量平衡情況。助燃空氣入口質(zhì)量流量為0.018 1kg/s，高爐煤氣入口質(zhì)量流量為0.027 4kg/s，出口煙氣質(zhì)量流量為0.045 5kg/s。系統(tǒng)的進(jìn)出口質(zhì)量流量差值僅為5.24e-6，低于軟件評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)舉例的0.5%，表明模擬計(jì)算中的質(zhì)量傳遞過程基本完成。如果運(yùn)算迭代后收斂的殘差仍然較大，那么系統(tǒng)的進(jìn)出口質(zhì)量流量差值可能會(huì)增高，結(jié)果的可靠性會(huì)降低。

5.2 燃燒發(fā)熱能力

單個(gè)噴嘴的發(fā)熱能力可達(dá)200kW，從菜單“Result-Surface Flux Report-Total Sensible Heat Transfer Rate”中可以查詢到模擬的燃燒發(fā)熱能力為77 255W，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的發(fā)熱能力為77 961W，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的熱值稍高，但誤差不到1%，可以認(rèn)為二者互相驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際吻合。

5.3 模擬燃燒的燃盡程度

“Result-surface Integrals-area Weighted Aver?age”菜單可以查詢出口處CO的殘余量，“Outlet”截面CO組分的摩爾分?jǐn)?shù)均值為6.58e-6，即6.58ppm。

將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出到Tecplot 360軟件，生成CO摩爾分?jǐn)?shù)云圖，見圖8。圖中CO濃度從噴嘴出口即開始急速下降，火焰快速燃燒，中部焰心處CO濃度稍高，但也僅約420ppm，到外焰邊緣處幾乎消耗殆盡，總體評(píng)估模擬燃燒燃盡率高。

圖8 CO摩爾分?jǐn)?shù)云圖

5.4 燃燒火焰溫度

燃燒火焰溫度云圖見圖9。圖中的溫度分布顯示，1 000K模擬點(diǎn)火可以點(diǎn)燃高爐煤氣，并形成火焰。火焰溫度向外擴(kuò)散，與常溫空氣換熱后，逐漸下降。火焰中心最高溫度為1 595K，較完全燃燒的理論溫度1 721K低約7%，原因可能與壁面及噴嘴出口回流溫度設(shè)置偏低及傳熱有關(guān)，且計(jì)算域內(nèi)初始狀態(tài)是低溫空氣，造成火焰溫度偏低。如果將壁面?zhèn)鳠犷愋汀癟emperature”設(shè)置改為“Heat Flux”，并將其值設(shè)為“0W/m2”，沒有壁面的熱傳導(dǎo)損失，其他參數(shù)不變進(jìn)行模擬，則火焰最高溫度可以提高至1 624K。

圖9 燃燒火焰溫度云圖

5.5 污染物NOX分布預(yù)測(cè)

燃燒模擬計(jì)算結(jié)束后，激活NOX模型，選擇“Thermal NOX”與“Promot NOX”進(jìn)行污染物預(yù)測(cè)計(jì)算，F(xiàn)luent軟件內(nèi)部沒有氮氧化物的ppm選項(xiàng)，需自定義公式，將氮氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)值轉(zhuǎn)化為干煙氣中的體積比，以ppm值顯示。NOX分布云圖見圖10，圖中顯示氮氧化物在火焰高溫區(qū)域的最高含量僅有0.115ppm，且氮氧化物含量由焰心向外快速降低。這說明在此燃燒環(huán)境下，熱力型氮氧化物形成不多。噴嘴的設(shè)計(jì)合理利用了燃料中的CO，完成了大部分氮氧化物在離開火焰前的還原，出口處氮氧化物含量僅為0.008 6ppm。

圖10 NOX分布云圖

5.6 流體矢量云圖

流體矢量云圖見圖11。流體矢量云圖使用靜壓渲染，圖中清晰可見，在鈍體的下方高爐煤氣形成了低壓區(qū)域，斷面形成兩組旋向相反的渦旋，有較強(qiáng)渦流形成，有利于燃料與空氣的混合，并會(huì)卷吸局部高溫?zé)煔饣亓骷訜峄蛞紕偝鰢娮斓幕旌蠚怏w，有利于保持火焰的連續(xù)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了鈍體的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 流體矢量云圖

6 結(jié)語

數(shù)值模擬高爐煤氣在LOMA-MLB熱風(fēng)爐中燃燒時(shí)，過?？諝庀禂?shù)值設(shè)為1，實(shí)際生產(chǎn)配風(fēng)時(shí)適當(dāng)提高，以利于完全燃燒；同時(shí)，降低火焰溫度，抑制熱力型氮氧化物的產(chǎn)生。一氧化碳的著火低限濃度約12.5%，濃度太低時(shí)易熄火，因此，用于噴嘴的助燃空氣（一次風(fēng)）不能配置過量。為了在保持火焰溫度的同時(shí)，避免爐膛內(nèi)局部溫度過高，該熱風(fēng)爐在爐膛切向設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口，用于調(diào)節(jié)出爐煙氣溫度。借助數(shù)值計(jì)算技術(shù)模擬高爐煤氣燃燒的情況，通過Fluent軟件計(jì)算可得到準(zhǔn)確的空燃比，便于配置助燃空氣量，并能得到不同空氣過剩系數(shù)下高爐煤氣燃燒的煙氣溫度，也可以預(yù)測(cè)火焰高溫區(qū)分布位置，優(yōu)化隔熱保溫材料的設(shè)計(jì)，為確定生產(chǎn)工藝參數(shù)提供依據(jù)。