對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內溫度分布的數值模擬

孫陽，柴躍生，侯冰洋，張敏剛

（1．太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024；2．山西省鎂及鎂合金工程技術研究中心，山西太原030024；3．山西龍鎂偉業科技有限公司，山西太原030002）

·鑄造工藝·

對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內溫度分布的數值模擬

孫陽1,2，柴躍生1,2，侯冰洋3，張敏剛1,2

（1．太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024；2．山西省鎂及鎂合金工程技術研究中心，山西太原030024；3．山西龍鎂偉業科技有限公司，山西太原030002）

簡要介紹了HTAC技術和數值模擬方法在燃燒過程研究中的應用。針對HTAC燃燒機制的基本特征，建立了輻射傳播數學模型，并運用流體力學軟件FLUENT對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內的溫度分布進行了數值模擬，研究了HTAC技術的特點，驗證了其應用于煉鎂生產中的優勢。

HTAC；數值模擬；金屬鎂還原罐

進入21世紀，資源與環境問題已成為人類可持續發展所關心的首要問題。鎂及鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高，導熱、導電性能好,尺寸穩定性、切削加工性好和易于回收等優點，被譽為“21世紀綠色工程結構材料”［1］，正被廣泛地應用于各行各業。

我國是金屬鎂的資源大國，也是鎂的生產大國，其鎂產量居世界首位。目前我國的煉鎂方法主要是熱還原法，即用硅作還原劑把煅燒后白云石中的鎂加熱還原出來，反應式為傳統的金屬鎂還原爐排煙溫度很高，且得不到較好的回收，造成熱量浪費嚴重，導致能耗居高不下［2］。因而，開發高效、節能的煉鎂新工藝顯得尤為重要。

1 HTAC技術

高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion，簡稱HTAC）技術，是20世紀90年代以來國際燃燒領域開發并得到大力推廣應用的一項全新型燃燒技術。它通過蓄熱體極限回收煙氣余熱并將助燃空氣預熱到1 000℃以上，即使是熱值很低的燃料也能實現穩定著火和高效燃燒［3］。

HTAC技術若應用于金屬鎂還原爐，既可以節能降耗，又不降低出爐膛煙氣的溫度，無疑是一條解決鎂還原能耗問題的捷徑。該技術的主要特征是：

1）采用蓄熱室式煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣，使之流經蓄熱體，能夠在最大程度上回收高溫煙氣的顯熱；

2）將燃燒空氣預熱至800℃～1 200℃，形成與傳統火焰（諸如擴散火焰與預混火焰等）迥然不同的新型火焰類型，創造出爐內優良的溫度場分布，同時，由于助燃空氣達到了很高溫度，燃料的著火和穩定燃燒條件得到極大改善，容易形成穩定燃燒的條件；

3）通過組織低氧或貧氧狀態下的燃燒，不僅避免了通常情況下，高溫熱力氮氧化物NOX的大量生成，而且在此基礎上，進一步大大降低了NOX生成與排放。因此，這項技術在實際應用中，產生了顯著的經濟效益和環保效益［4］。

2 數值模擬在燃燒過程研究中的應用

在數值模擬研究方法被引入燃燒過程的研究以前，燃燒理論和燃燒系統的研制主要依靠理論分析、大量試驗和傳統的經驗、半經驗設計方法進行，這些方法至今仍有著重要的價值。但隨著燃燒工藝技術和相關科技的發展，隨著激烈市場競爭對工藝優化的要求，傳統的研究方法已不能適應新形勢發展的需要。電子計算機的出現到普及，以及現代數學的迅速發展，使得數值方法模擬燃燒系統中的流動、傳熱傳質、化學反應等過程已成為可能。利用計算機技術和相關服務性軟件，依靠數值模擬已成為燃燒過程研究的重要手段之一［5］。

數值模擬的作用主要表現在以下幾個方面：

1）提高對某些過程的基本現象、反應機理、控制性環節的認識，為改善工藝過程和操作提供依據；

2）探索工藝過程各參數的變化規律及他們之間的定量關系，以優化工藝和實現對工藝過程的自動控制；

3）對規劃和設計實驗室、中間規模或實物規模的實驗提供指導；

4）對新設計工藝技術的可行性和靈活性作出準確的估計；

5）在一定條件下，可替代中間試驗或現場實物的開發性試驗，以節省費用、加大開發進度。

在HTAC燃燒加熱過程中，輻射換熱占總換熱的90%以上［7］，因此在對HTAC過程的模化中，輻射源項的處理尤為重要。而輻射傳播方程構成了輻射傳播的中心內容，是研究輻射能量在介質空間中傳播的基礎。輻射傳播方程表示的是單色入射輻射強度為Iλ在S方向上的空間立體角dΩ中隨傳播距離S的變化率：

式中：Ka，λ和Ks，λ分別為介質在輻射波長λ下的單色吸收系數和散射系數，由溫度來決定；下標λ表示單色波長。

式中：σ——玻耳茲曼常數；

Eb——黑體輻射力。

由于溫度分布取決于能量的平衡，其中包括輻射傳播的能量，因而，輻射傳播方程需與能量方程聯立求解。文獻［8］等運用蒙特卡洛法對高溫空氣燃燒中的輻射換熱過程進行計算，取得了較好的結果。為了盡量精確地模擬工程實際，故采用蒙特卡洛法模擬HTAC中的輻射換熱過程［9］。

數學模型建立后，使用數值模擬的方法來進行研究還需要用流體力學軟件FLUENT完成以下工作：

1）研究對象幾何模型的建立，確定計算區域；

2）數字化幾何模型的離散，即劃分網格；

3）對所建立的數學模型，包括傳輸方程和代數方程，進行方程離散；

4）在所劃分網格的基礎上，對離散化后的方程進行迭代求解。其中需要確定迭代步數、迭代方法、迭代收斂標準等；

5）對求解所得的結果進行處理，以獲取所需的定性圖片和定量數據。

3 數值模擬的計算結果與分析

圖1 應用HTAC技術的鎂還原罐溫度分布曲線圖

利用流體力學軟件FLUENT可以得到如下所所示的各種定性圖片（圖1～圖3）。由圖4可以看到，HTAC燃燒機制下的鎂還原罐內并沒有傳統燃燒方式所具有的明顯的火焰高溫區，還原罐內的整體溫度分布在各個時刻都十分均勻，這樣既可以提高單罐的煉鎂產量，還可以降低噸鎂煤耗，并且能夠延長還原罐的使用壽命，極大程度的增加煉鎂企業的經濟效益。

圖2 應用HTAC技術的鎂還原罐在加熱55 min時刻的橫截面溫度分布圖

圖3 應用HTAC技術的鎂還原罐的網格劃分圖

4 結論

通過對應用HTAC技術的煉鎂還原罐內的溫度分布進行數值模擬，得出了罐內溫度在各個時刻都均勻分布的重要結論，驗證了HTAC技術在節能減排方面的突出優勢，為煉鎂行業進一步引進和發展HTAC技術提供了示范與指導。此外，利用數值模擬技術來進行實際生產過程的分析，可以在很大程度上降低試驗成本，提高工作效率，且得出的結果一般都可以滿足熱工工程分析的要求。

［1］劉靜安.鎂合金加工技術的發展趨勢與開發應用前景［J］.四川有色金屬，2005（4）：1-10.

［2］陳振華.鎂合金［M］.北京：化學工業出版社，2004：5-6.

［3］李宇紅，祁海鷹，苑皎，等．預熱溫度影響甲烷高溫空氣燃燒特性的數值分析［J］．工程熱物理學報，2001（6）：4.

［4］夏德宏，趙禹民.高溫空氣燃燒技術（HTAC）［J］.金屬世界，2002（2）：2-7.

［5］張會強，陳興隆，周力行，等.湍流燃燒數值模擬研究的綜述［J］.力學進展，1999，29（4）：567-572.

［6］潘飛.蓄熱式加熱爐熱過程數值模擬［A］.東北大學學位論文集［D］.沈陽：東北大學出版社，2006.

［7］Hsiao T C，Yoshikawa K等.Proceedings of Beijing Symposium on High Temperature Air Combustion［M］.Beijing：The Federation of Engineering Societies of Chinese Association for Science and Technology,1999：125-137.

［8］Blasiak W，Yang W H等.High Temperature Air Combustion,The Quest of Zero Emissions in Industrial Fumace［M］.Stockholm：International Flame Research Foundation and Swedish Flame Research Committee,2003：211.

［9］歐儉平.高溫空氣燃燒技術在冶金熱工設備上的應用及數值仿真和優化研究［A］.中南大學學位論文集［D］.長沙：中南大學出版社，2004.

Numerical Simulation of Temperature Distribution in Magnesium Reduction Can Under the HTAC Combustion Mechanism

SUN Yang1,2,CHAI Yue-Sheng1,2,HOU Bing-Yang3,ZHANG Min-Gang1,2
（1.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China；2.Mg&Mg-Alloy Eng.Tech.Research Center of Shanxi Province,Taiyuan 030024，China；3.Shanxi LongMei Cause Technology Co.,Taiyuan 030002，China）

HTAC,numerical simulation,magnesium reduction can

TG146.2

A

1674-6694（2010）04-0032-03

2010-06-23

孫陽（1985-），男，碩士研究生，研究方向：新材料的設計與優化。

太原市科技項目（№20091081609）

Abstrcat:This paper briefly introduces the HTAC technology and numerical simulation method in the combustion process application.According to the basic characteristics of HTAC combustion mechanism,the radiation propagation mathematical model was established.Then using fluid mechanics software FLUENT to numerical simulate temperature distribution in magnesium reduction can under the HTAC combustion mechanism,researching the characteristics of HTAC technology,and the advantage of its application in the refining of magnesium in the production was verified.