步進式加熱爐富氧MILD燃燒流場與溫度場的數值模擬

傘俊博，秦 勤，趙 俁，于慶波

（1.東北大學 冶金學院，沈陽110819；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

鋼鐵工業一直以來都是我國的能耗大戶.加熱爐作為鋼坯軋制前的重要加熱設備，其能耗量約占整個工序能耗量的60%～70%［1］，是鋼鐵生產過程中的重要能源消耗設備.降低燃耗、減少排放是鋼鐵生產工藝中不懈追求的目標.富氧燃燒技術因其提高燃料理論燃燒溫度、利用低熱值煤氣等優點而被廣泛使用.該技術增加了助燃劑中O2含量而減少不參加反應的N2，減少了煙氣排放損失，而且富氧燃燒由于減少了不參與氣體輻射的雙原子氣體N2含量，進而增加了火焰黑度和輻射換熱.但燃料在富氧空氣中燃燒時，理論燃燒溫度會比空氣中燃燒要高，這就造成了火焰局部高溫，溫度分布不均勻，局部高溫使熱力型NOx極易生成，這對環保要求極高的加熱爐顯然是不適合的.近些年有些學者［2］發現，當爐膛入口的預熱空氣溫度達到1 500 K，速度達到90 m／s時，爐膛內燃燒火焰消失但燃燒并未停止，此時氮氧化物生成極低甚至為0，這種燃燒現象被為MILD（Moderate and Intense Low Oxygen Dilution）燃燒，是一種溫和燃燒模式，當此燃燒進行時，看不見火焰的存在所以又被稱為無焰燃燒.MILD燃燒有溫度分布均勻、火焰溫差小、噪聲低、污染物生成少等特征，對比傳統燃燒，MILD燃燒NOx的生成顯著減少.

國內外對富氧MILD燃燒已做過一定研究.Lee［3］等在試驗爐上對富氧MILD燃燒入口速度條件進行了實驗研究，發現隨著氧氣射流速度的增加，爐內最高溫度反而降低.Krishnamurthy等［4］發現在相同熱負荷的條件下，MILD燃燒與傳統燃燒相比爐內溫度和輻射熱流量分布更加均勻.邢獻軍等［5－7］分析了不同燃料實現MILD燃燒時氮氧化物的排放情況.樓波等［8］建立了MILD燃燒條件下的燃料型NOx生成模型，并計算了NOx在回轉窯內的生成規律.馬鋼首次在國內加熱爐上應用了富氧MILD燃燒技術，實現了產能提高、燒損下降的預期效果［9］.

本文以三段步進式加熱爐為研究對象，使用CFD軟件Fluent數值模擬的方法，建立爐內燃燒與流動的數值模型，研究富氧MILD燃燒情況下爐膛流場、溫度場分布情況，研究結果也為富氧MILD燃燒的改造提供理論依據.

1 數學模型

1.1 幾何模型與網格劃分

爐子按爐長分為預熱段、加熱段和均熱段，鋼坯入爐在預熱段預熱，再到加熱段快速升溫，最后經過均熱段出爐.加熱段兩側全部采用一個中心燃料噴口周圍布置8個空氣噴口的調焰燒嘴，在兩側調焰燒嘴旁設置貫穿爐墻的高速氧槍，純氧氣氣流圍繞在火焰實現富氧MILD燃燒.均熱段上方采用平焰燒嘴實現爐頂均熱，下方采用調焰燒嘴實現MILD燃燒.

圖1為三段式步進加熱爐的示意圖.爐膛有效長度35.2 m，寬18.94 m，均熱段高4.25 m，加熱段高4.25 m，預熱段高3.35 m.加熱鋼種為低碳鋼，尺寸為170 mm×1 400 mm×15 000 mm.鋼坯入爐溫度為800℃，出爐溫度為1 250℃，設計熱裝產量為400 t／h，燃料為混合煤氣，成分見表1，燃料消耗量為38 000 m3／h，混合煤氣熱值：1 825×4.18＝7 628.5 kJ／m3，混合煤氣預熱溫度230℃，空氣預熱溫度500℃，過量空氣系數為1.05.煙氣通過爐尾兩側煙道由煙囪排出.上均熱段頂端平焰燒嘴共50個，下均熱段4個調焰燒嘴.加熱段共20個調焰燒嘴，每個調焰燒嘴旁安裝一個高速氧槍.

圖1 三段式步進式加熱爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of walking furnace

表1 煤氣成分（體積分數）Table 1 Gas composition（volume fraction）%

因加熱爐在爐寬方向是對稱結構，所以取模型一半進行網格劃分，劃分結果為430萬個四面體網格，燒嘴與氧槍處進行了加密處理，這樣既保證了計算精度又節約了計算資源.

1.2 控制方程

對于上述研究對象，湍流模型采用標準k-ε模型模擬氣相湍流輸運，Species Transport模型模擬組分輸運，EDC模型模擬氣相燃燒，輻射傳熱采用DO模型.具體控制方程如下：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為氣體密度，kg／m3；V為氣體速度，m／s；p表示靜壓力，Pa；η為氣體黏度，Pa·s；Su，Sv，Sw為3個動量方向的廣義源項，kg／（m2·s2）；cp為氣體比熱容，kJ／（kg·K）；λ為導熱系數，W／（m·K）；ST表示內熱源和由于黏性作用機械能轉化為內能的部分，W／m3.

組分運輸方程：

式中：ρ為氣體密度，kg／m3；V為氣體速度，m／s；ρs為氣體組分的密度，kg／m3；ws為氣體組分化學反應速率，mol／（L·s）；μe為有效黏性系數；Scs為氣體組分的傳質Schmidt數.

DO模型：

1.3 邊界條件

在燃氣入口處，根據燃氣總流量確定每個燃氣入口的速度，溫度為預熱溫度503 K；以富氧程度0.6確定氧氣流量與空氣流量，氧氣溫度為300 K，空氣為預熱溫度773 K；純氧氣從氧槍噴出，空氣在調焰燒嘴周圍8個空氣噴口射出；出口設為壓力出口，壓力為0；在壁面處，速度為無滑移邊界條件，溫度設為第二類邊界條件；對于本文所研究的穩態工況，鋼坯溫度按照各段實際工況設定，不考慮鋼坯內部傳熱.

1.4 模型驗證

為了驗證本模型的正確性，使用以上模型進行了數值模擬，并與文獻［10］中實驗數據進行了對比，結果如圖2所示.

圖2 在噴嘴中心位置上溫度的實驗值與模擬值Fig.2 Experimental and simulated temperature values at the center of the nozzle

分析圖中數值模擬結果與文獻［10］實驗值的對比情況，可以認為數值模擬能捕捉爐內燃燒細節，并且能用于研究MILD燃燒下爐膛溫度場和流場的分布情況.

2 模擬結果與分析

實現MILD燃燒關鍵技術之一是實現爐膛內強烈的內部循環，使爐膛內高溫煙氣稀釋燃料與氧化劑.燃料或氧化劑的高速射流會卷吸高溫煙氣并反過來稀釋高速射流，使爐膛內形成巨大的燃燒產物的內循環區域.因此，需要研究爐內流場、溫度場分析煙氣內循環的程度，來評判MILD燃燒的情況.

2.1 流場分布

本文以高速氧槍噴出高速氧氣來攪拌燃氣的方式來實現爐內強烈的內循環.高速純氧射流在燒嘴旁以220 m／s的速度射入爐膛，高動量的氧氣射流引射了大量燃氣和煙氣一起向爐內流動，爐膛兩側的高速射流在爐膛中間位置碰撞，形成了巨大的回流區，如圖3與圖4所示.這種內循環流場，充斥在加熱爐的加熱段與均熱段.回流區從氧氣出口直至爐膛中心位置，并導致氧氣和燃料的噴射被燃燒后的煙氣稀釋.

圖3 爐膛上下燒嘴截面速度矢量圖Fig.3 Section velocity vector diagram of burner in upper and lower part of furnace

為了定量分析反應物被爐內煙氣稀釋的程度，引入MILD燃燒重要參數——卷吸率KV［11］，其定義為：被卷吸煙氣質量流量與入射燃料和氧化劑質量流量之比，如式（10）所示.

式中：ME表示被卷吸煙氣的總質量流量，kg／s；MF表示燃氣總質量流量，kg／s；MA表示燒嘴自帶的空氣質量流量+氧槍的質量流量，kg／s.ME可通過下式計算：

式中：ρ為被卷吸氣體平均密度，kg／m3；vz（x，y）為在z截面回流速度，m／s.

圖5是爐寬方向不同位置卷吸率的折線圖.從圖中可以看出燃氣出口到1 m處，卷吸率急劇增加，最高可達21，在2～7 m處保持穩定，在靠近爐膛中心位置又迅速下降.在圖4中也能看出，在加熱段均熱段有大片回流區域，在氧氣出口附近回流較少，隨著徑向距離的增加，回流區域與也跟著變大，在爐膛中心位置的回流又減小.從以上分析中可知，卷吸率確實能很好地反映出回流區的煙氣稀釋程度.

圖4 爐膛上下燒嘴截面流線圖Fig.4 Section streamline of burner in upper and lower part of furnace

圖5 卷吸率隨徑向距離變化曲線Fig.5 Curve of with K V radial distance

此外，氧氣射流引射大量氣體一起運動，因此射流速度急劇下降.如圖6所示，在距離氧氣出口1 m的位置處，速度急劇下降到30 m／s；在1～4 m處速度下降緩慢，下降到約3 m／s，在這兩段距離內主要是引射作用導致的速度下降；4 m處到爐膛中心位置氧氣速度基本保持不變.而且從圖6中還可以看出氧氣體積分數與速度有大致一樣的曲線，這證明在回流區氧氣確實被大量煙氣稀釋.這與上文分析卷吸率的結果恰好是對應的.

圖6 氧氣速度與體積分數隨徑向距離變化曲線Fig.6 Curve of oxygen velocity and volume faction with radial distance

2.2 溫度場分布

如圖7所示，燒嘴附近有一小部分高溫區域，但又不是傳統火焰的形狀，火焰鋒面消失，溫度梯度很小，最高溫度為1 700 K.整個爐膛內溫度分布均勻，沒有局部高溫區域.這是因為高速氧氣射流卷吸了燃氣與煙氣一起向前運動，正在運動過程中的反應物氣體被煙氣稀釋和加熱，火焰還未形成就被高速氣流“吹散”，在卷吸的過程中若是溫度達到了燃氣的自然點，MILD燃燒將會建立，且爐膛中心位置的溫度分布將會更加均勻.MILD燃燒實質上是自然著火的過程，即混合物的溫度達到某一溫度，超過該溫度，混合物便自動的、不需要外界作用而著火達到燃燒狀態.MILD燃燒可以理解為，在一定的卷吸率下，混合物達到某一溫度即可形成MILD燃燒，此溫度與混合物的著火溫度相關.

圖7 爐膛上下燒嘴截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution in the upper and lower burner section of the furnace

圖8所示為爐膛中心截面溫度分布圖，從圖中可以看出，從預熱段到均熱段溫度不斷增加.在預熱段溫度較低，平均溫度為1 175 K，在加熱段平均溫度為1 521 K，均熱段平均溫度為1 580 K，加熱段與均熱段的溫度分布均勻，煙氣出口平均溫度為1 091 K，溫度分布比較合理，達到預期目標.最高溫度為1 956 K，出現在加熱段與均熱段上方銜接處，此處有壓下爐頂，對煙氣卷吸起到扼制作用，MILD燃燒未能建立.

圖8 爐膛中心截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of furnace center section

3 結 論

（1）通過數值模擬，在加熱爐側燒嘴旁安裝高速氧槍，使用高速氧氣來攪拌燃氣的方法可以實現加熱爐的富氧MILD燃燒.

（2）高速射流卷吸大量煙氣一起運動，形成巨大的回流區流場，其卷吸率最高可達21.高速射流在卷吸作用下速度急劇下降，1 m內從220 m／s下降為30 m／s.

（3）爐內溫度分布均勻，無集中高溫區，已達成MILD燃燒.預熱段平均溫度為1 175 K，加熱段平均溫度為1 521 K，均熱段平均溫度為1 580 K，煙氣出口平均溫度1 091 K，溫度分布合理，滿足鋼坯加熱需求.