淺析燃?xì)廨椛涔艿姆诸?/h1>
2012-07-31 07:06:18張?jiān)凭?/span>
中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年8期
張 永 張?jiān)凭?/p>
（1、洛伊熱工工程(天津)有限公司，天津 300192；2、北方重工集團(tuán)壓延設(shè)備分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)
1 概述
工業(yè)爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)中間加熱介質(zhì)水傳給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于油氣集輸、廠礦企業(yè)、熱能和動(dòng)力系統(tǒng)中，將傳熱介質(zhì)加熱至工藝所要求的溫度，為后續(xù)工藝生產(chǎn)提供安全可靠保障。
燃?xì)廨椛涔苁浅Ｓ玫墓I(yè)加熱裝置。氣體燃料在輻射管內(nèi)燃燒，通過(guò)輻射管表面以熱輻射的形式把熱量傳遞給被加熱物體，燃燒產(chǎn)物不與被加熱物體直接接觸，不會(huì)造成氣氛污化，使?fàn)t內(nèi)氣氛便于控制和調(diào)節(jié)，非常適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。
2 燃?xì)廨椛涔艿姆诸?/h2>
根據(jù)氣體進(jìn)出輻射管時(shí)進(jìn)口和出口位置不同，輻射管可以分為兩類。一類是雙端型的，即進(jìn)口和出口分布在兩端，如直管型、U型和W型等；另一類是單端型的，即進(jìn)口和出口在同一端，如套管型和P型等。其中套管型輻射管具有熱效率高、輻射面溫度均勻、可以自由膨脹，便于檢修等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用較為廣泛的輻射管。自身預(yù)熱式燒嘴則是把燃燒器、熱交換器、排煙器有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型燃燒器。它使煙氣再循環(huán)燃燒，既能提高表面溫度分布均勻性，又能降低NOx的排放，而且能節(jié)約燃料，簡(jiǎn)化爐子結(jié)構(gòu)。結(jié)合了套管型輻射管和自身預(yù)熱式燒嘴的優(yōu)點(diǎn)的自身預(yù)熱式套管型輻射管可以進(jìn)一步提高燃?xì)廨椛涔艿臒嵝省?/p>
圖輻射管結(jié)構(gòu)示意圖
自身預(yù)熱式套管型輻射管主要結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：
3 燃?xì)廨椛涔艿难芯繝顩r
國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者對(duì)輻射管的燃燒、傳熱與NOx生成特性進(jìn)行了許多數(shù)值模擬研究，如中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院利用商業(yè)CFD軟件CFX4.3對(duì)蓄熱式輻射管表面溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了輻射管沿長(zhǎng)度方向溫度分布的規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，高速煤氣射流有利于提高輻射管表面溫度，降低溫差，改善溫度分布均勻性。北京科技大學(xué)熱能工程系的宋興飛等人通過(guò)利用FLUENT軟件，對(duì)輻射管內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了內(nèi)套管相對(duì)位置對(duì)煙氣NOx濃度以及輻射管溫度的影響。重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與重慶賽迪工業(yè)爐有限公司的馬丁、程淑明等人通過(guò)數(shù)值模擬的方法，建立蓄熱式輻射管內(nèi)低NOx燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，分析了不同低NOx燃燒技術(shù)對(duì)NOx抑制效果的影響，研究結(jié)果為低NOx燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在CFD模擬過(guò)程中為了減少計(jì)算量通常都采用簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)理，然而，在預(yù)測(cè)NOX和CO排放時(shí)一般都要采用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。但是運(yùn)用CFD結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)反應(yīng)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬在計(jì)算時(shí)間以及準(zhǔn)確性方面都存在著不足，同時(shí)計(jì)算對(duì)硬件要求也非常高。化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型（Chemical Reactor Networks，CRN）結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理能夠?qū)θ紵业恼w性能進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，采用該方法計(jì)算得到的污染物生成量比FLUENT計(jì)算更為準(zhǔn)確、快速。國(guó)內(nèi)運(yùn)用該方法進(jìn)行燃燒污染物生成預(yù)測(cè)的研究者并不多，2007年沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所金戈等人采用簡(jiǎn)單模型對(duì)自行研制的某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行了污染物預(yù)測(cè)，得到了較好的結(jié)果。2008年工程熱物理研究所的楊小龍等人，采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)某型燃燒合成氣的燃汽輪機(jī)燃燒室進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好。
結(jié)論
本文對(duì)燃?xì)廨椛涔艿姆诸悾硪约爱?dāng)今的研究情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為套管型輻射管的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化以及燃燒污染物預(yù)測(cè)、控制提供必要的研究方向，從而實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)爐的熱能利用率，實(shí)現(xiàn)低耗和清潔生產(chǎn)。
[1] 楊思安，姜澤毅，張欣欣，楊立新.P型蓄熱式輻射管設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].工業(yè)加熱,2005(3):p4-6.
[2] 宋興飛，樓國(guó)鋒，溫治.內(nèi)套管位置對(duì)預(yù)熱式燃?xì)廨椛涔躈Ox濃度的影響[J].工業(yè)加熱,2009(1):p36-38.
[3] W YANG，W BLASIAK.Mathematical Modelling of NOx Emissions from High-temperature Air Combustion with Nitrous Oxide Mechanism [J].Fuel Processing Technology，2005，86(9)：943.957.
[4] 馬丁，程淑明，伍成波，雍海全，許鵬彥.蓄熱式輻射管中低NO燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬[J].冶金能源，2008(27):p26-29.
[5] Carmine Russo，Giulio Mori，Jo?o Parente“Micro Gas Turbine Combustor Emissions E－valuation Using The Chemical Reactor Modelling Approach”Paper No GT2007-27687，ASME Turbo Expo 2007:Power for Land，Sea and Air May 14-17， 2007， Montreal，Canada
張 永 張?jiān)凭?/p>
（1、洛伊熱工工程(天津)有限公司，天津 300192；2、北方重工集團(tuán)壓延設(shè)備分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)
1 概述
工業(yè)爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)中間加熱介質(zhì)水傳給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于油氣集輸、廠礦企業(yè)、熱能和動(dòng)力系統(tǒng)中，將傳熱介質(zhì)加熱至工藝所要求的溫度，為后續(xù)工藝生產(chǎn)提供安全可靠保障。
燃?xì)廨椛涔苁浅Ｓ玫墓I(yè)加熱裝置。氣體燃料在輻射管內(nèi)燃燒，通過(guò)輻射管表面以熱輻射的形式把熱量傳遞給被加熱物體，燃燒產(chǎn)物不與被加熱物體直接接觸，不會(huì)造成氣氛污化，使?fàn)t內(nèi)氣氛便于控制和調(diào)節(jié)，非常適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。
2 燃?xì)廨椛涔艿姆诸?/h2>
根據(jù)氣體進(jìn)出輻射管時(shí)進(jìn)口和出口位置不同，輻射管可以分為兩類。一類是雙端型的，即進(jìn)口和出口分布在兩端，如直管型、U型和W型等；另一類是單端型的，即進(jìn)口和出口在同一端，如套管型和P型等。其中套管型輻射管具有熱效率高、輻射面溫度均勻、可以自由膨脹，便于檢修等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用較為廣泛的輻射管。自身預(yù)熱式燒嘴則是把燃燒器、熱交換器、排煙器有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型燃燒器。它使煙氣再循環(huán)燃燒，既能提高表面溫度分布均勻性，又能降低NOx的排放，而且能節(jié)約燃料，簡(jiǎn)化爐子結(jié)構(gòu)。結(jié)合了套管型輻射管和自身預(yù)熱式燒嘴的優(yōu)點(diǎn)的自身預(yù)熱式套管型輻射管可以進(jìn)一步提高燃?xì)廨椛涔艿臒嵝省?/p>
圖輻射管結(jié)構(gòu)示意圖
自身預(yù)熱式套管型輻射管主要結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：
3 燃?xì)廨椛涔艿难芯繝顩r
國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者對(duì)輻射管的燃燒、傳熱與NOx生成特性進(jìn)行了許多數(shù)值模擬研究，如中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院利用商業(yè)CFD軟件CFX4.3對(duì)蓄熱式輻射管表面溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了輻射管沿長(zhǎng)度方向溫度分布的規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，高速煤氣射流有利于提高輻射管表面溫度，降低溫差，改善溫度分布均勻性。北京科技大學(xué)熱能工程系的宋興飛等人通過(guò)利用FLUENT軟件，對(duì)輻射管內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了內(nèi)套管相對(duì)位置對(duì)煙氣NOx濃度以及輻射管溫度的影響。重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與重慶賽迪工業(yè)爐有限公司的馬丁、程淑明等人通過(guò)數(shù)值模擬的方法，建立蓄熱式輻射管內(nèi)低NOx燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，分析了不同低NOx燃燒技術(shù)對(duì)NOx抑制效果的影響，研究結(jié)果為低NOx燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在CFD模擬過(guò)程中為了減少計(jì)算量通常都采用簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)理，然而，在預(yù)測(cè)NOX和CO排放時(shí)一般都要采用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。但是運(yùn)用CFD結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)反應(yīng)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬在計(jì)算時(shí)間以及準(zhǔn)確性方面都存在著不足，同時(shí)計(jì)算對(duì)硬件要求也非常高。化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型（Chemical Reactor Networks，CRN）結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理能夠?qū)θ紵业恼w性能進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，采用該方法計(jì)算得到的污染物生成量比FLUENT計(jì)算更為準(zhǔn)確、快速。國(guó)內(nèi)運(yùn)用該方法進(jìn)行燃燒污染物生成預(yù)測(cè)的研究者并不多，2007年沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所金戈等人采用簡(jiǎn)單模型對(duì)自行研制的某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行了污染物預(yù)測(cè)，得到了較好的結(jié)果。2008年工程熱物理研究所的楊小龍等人，采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)某型燃燒合成氣的燃汽輪機(jī)燃燒室進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好。
結(jié)論
本文對(duì)燃?xì)廨椛涔艿姆诸悾硪约爱?dāng)今的研究情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為套管型輻射管的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化以及燃燒污染物預(yù)測(cè)、控制提供必要的研究方向，從而實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)爐的熱能利用率，實(shí)現(xiàn)低耗和清潔生產(chǎn)。
[1] 楊思安，姜澤毅，張欣欣，楊立新.P型蓄熱式輻射管設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].工業(yè)加熱,2005(3):p4-6.
[2] 宋興飛，樓國(guó)鋒，溫治.內(nèi)套管位置對(duì)預(yù)熱式燃?xì)廨椛涔躈Ox濃度的影響[J].工業(yè)加熱,2009(1):p36-38.
[3] W YANG，W BLASIAK.Mathematical Modelling of NOx Emissions from High-temperature Air Combustion with Nitrous Oxide Mechanism [J].Fuel Processing Technology，2005，86(9)：943.957.
[4] 馬丁，程淑明，伍成波，雍海全，許鵬彥.蓄熱式輻射管中低NO燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬[J].冶金能源，2008(27):p26-29.
[5] Carmine Russo，Giulio Mori，Jo?o Parente“Micro Gas Turbine Combustor Emissions E－valuation Using The Chemical Reactor Modelling Approach”Paper No GT2007-27687，ASME Turbo Expo 2007:Power for Land，Sea and Air May 14-17， 2007， Montreal，Canada
