对HTAC燃烧机制下金属镁还原罐内温度分布的数值模拟

孙阳，柴跃生，侯冰洋，张敏刚

（1．太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2．山西省镁及镁合金工程技术研究中心，山西太原030024；3．山西龙镁伟业科技有限公司，山西太原030002）

·铸造工艺·

对HTAC燃烧机制下金属镁还原罐内温度分布的数值模拟

孙阳1,2，柴跃生1,2，侯冰洋3，张敏刚1,2

（1．太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2．山西省镁及镁合金工程技术研究中心，山西太原030024；3．山西龙镁伟业科技有限公司，山西太原030002）

简要介绍了HTAC技术和数值模拟方法在燃烧过程研究中的应用。针对HTAC燃烧机制的基本特征，建立了辐射传播数学模型，并运用流体力学软件FLUENT对HTAC燃烧机制下金属镁还原罐内的温度分布进行了数值模拟，研究了HTAC技术的特点，验证了其应用于炼镁生产中的优势。

HTAC；数值模拟；金属镁还原罐

进入21世纪，资源与环境问题已成为人类可持续发展所关心的首要问题。镁及镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，导热、导电性能好,尺寸稳定性、切削加工性好和易于回收等优点，被誉为“21世纪绿色工程结构材料”［1］，正被广泛地应用于各行各业。

我国是金属镁的资源大国，也是镁的生产大国，其镁产量居世界首位。目前我国的炼镁方法主要是热还原法，即用硅作还原剂把煅烧后白云石中的镁加热还原出来，反应式为传统的金属镁还原炉排烟温度很高，且得不到较好的回收，造成热量浪费严重，导致能耗居高不下［2］。因而，开发高效、节能的炼镁新工艺显得尤为重要。

1 HTAC技术

高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion，简称HTAC）技术，是20世纪90年代以来国际燃烧领域开发并得到大力推广应用的一项全新型燃烧技术。它通过蓄热体极限回收烟气余热并将助燃空气预热到1 000℃以上，即使是热值很低的燃料也能实现稳定着火和高效燃烧［3］。

HTAC技术若应用于金属镁还原炉，既可以节能降耗，又不降低出炉膛烟气的温度，无疑是一条解决镁还原能耗问题的捷径。该技术的主要特征是：

1）采用蓄热室式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够在最大程度上回收高温烟气的显热；

2）将燃烧空气预热至800℃～1 200℃，形成与传统火焰（诸如扩散火焰与预混火焰等）迥然不同的新型火焰类型，创造出炉内优良的温度场分布，同时，由于助燃空气达到了很高温度，燃料的着火和稳定燃烧条件得到极大改善，容易形成稳定燃烧的条件；

3）通过组织低氧或贫氧状态下的燃烧，不仅避免了通常情况下，高温热力氮氧化物NOX的大量生成，而且在此基础上，进一步大大降低了NOX生成与排放。因此，这项技术在实际应用中，产生了显著的经济效益和环保效益［4］。

2 数值模拟在燃烧过程研究中的应用

在数值模拟研究方法被引入燃烧过程的研究以前，燃烧理论和燃烧系统的研制主要依靠理论分析、大量试验和传统的经验、半经验设计方法进行，这些方法至今仍有着重要的价值。但随着燃烧工艺技术和相关科技的发展，随着激烈市场竞争对工艺优化的要求，传统的研究方法已不能适应新形势发展的需要。电子计算机的出现到普及，以及现代数学的迅速发展，使得数值方法模拟燃烧系统中的流动、传热传质、化学反应等过程已成为可能。利用计算机技术和相关服务性软件，依靠数值模拟已成为燃烧过程研究的重要手段之一［5］。

数值模拟的作用主要表现在以下几个方面：

1）提高对某些过程的基本现象、反应机理、控制性环节的认识，为改善工艺过程和操作提供依据；

2）探索工艺过程各参数的变化规律及他们之间的定量关系，以优化工艺和实现对工艺过程的自动控制；

3）对规划和设计实验室、中间规模或实物规模的实验提供指导；

4）对新设计工艺技术的可行性和灵活性作出准确的估计；

5）在一定条件下，可替代中间试验或现场实物的开发性试验，以节省费用、加大开发进度。

在HTAC燃烧加热过程中，辐射换热占总换热的90%以上［7］，因此在对HTAC过程的模化中，辐射源项的处理尤为重要。而辐射传播方程构成了辐射传播的中心内容，是研究辐射能量在介质空间中传播的基础。辐射传播方程表示的是单色入射辐射强度为Iλ在S方向上的空间立体角dΩ中随传播距离S的变化率：

式中：Ka，λ和Ks，λ分别为介质在辐射波长λ下的单色吸收系数和散射系数，由温度来决定；下标λ表示单色波长。

式中：σ——玻耳兹曼常数；

Eb——黑体辐射力。

由于温度分布取决于能量的平衡，其中包括辐射传播的能量，因而，辐射传播方程需与能量方程联立求解。文献［8］等运用蒙特卡洛法对高温空气燃烧中的辐射换热过程进行计算，取得了较好的结果。为了尽量精确地模拟工程实际，故采用蒙特卡洛法模拟HTAC中的辐射换热过程［9］。

数学模型建立后，使用数值模拟的方法来进行研究还需要用流体力学软件FLUENT完成以下工作：

1）研究对象几何模型的建立，确定计算区域；

2）数字化几何模型的离散，即划分网格；

3）对所建立的数学模型，包括传输方程和代数方程，进行方程离散；

4）在所划分网格的基础上，对离散化后的方程进行迭代求解。其中需要确定迭代步数、迭代方法、迭代收敛标准等；

5）对求解所得的结果进行处理，以获取所需的定性图片和定量数据。

3 数值模拟的计算结果与分析

图1 应用HTAC技术的镁还原罐温度分布曲线图

利用流体力学软件FLUENT可以得到如下所所示的各种定性图片（图1～图3）。由图4可以看到，HTAC燃烧机制下的镁还原罐内并没有传统燃烧方式所具有的明显的火焰高温区，还原罐内的整体温度分布在各个时刻都十分均匀，这样既可以提高单罐的炼镁产量，还可以降低吨镁煤耗，并且能够延长还原罐的使用寿命，极大程度的增加炼镁企业的经济效益。

图2 应用HTAC技术的镁还原罐在加热55 min时刻的横截面温度分布图

图3 应用HTAC技术的镁还原罐的网格划分图

4 结论

通过对应用HTAC技术的炼镁还原罐内的温度分布进行数值模拟，得出了罐内温度在各个时刻都均匀分布的重要结论，验证了HTAC技术在节能减排方面的突出优势，为炼镁行业进一步引进和发展HTAC技术提供了示范与指导。此外，利用数值模拟技术来进行实际生产过程的分析，可以在很大程度上降低试验成本，提高工作效率，且得出的结果一般都可以满足热工工程分析的要求。

［1］刘静安.镁合金加工技术的发展趋势与开发应用前景［J］.四川有色金属，2005（4）：1-10.

［2］陈振华.镁合金［M］.北京：化学工业出版社，2004：5-6.

［3］李宇红，祁海鹰，苑皎，等．预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析［J］．工程热物理学报，2001（6）：4.

［4］夏德宏，赵禹民.高温空气燃烧技术（HTAC）［J］.金属世界，2002（2）：2-7.

［5］张会强，陈兴隆，周力行，等.湍流燃烧数值模拟研究的综述［J］.力学进展，1999，29（4）：567-572.

［6］潘飞.蓄热式加热炉热过程数值模拟［A］.东北大学学位论文集［D］.沈阳：东北大学出版社，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］欧俭平.高温空气燃烧技术在冶金热工设备上的应用及数值仿真和优化研究［A］.中南大学学位论文集［D］.长沙：中南大学出版社，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

孙阳（1985-），男，硕士研究生，研究方向：新材料的设计与优化。

太原市科技项目（№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.