操作参数对W型蓄热式辐射管的影响分析

唐宗旺，苏福永

(1.江苏省常宝普莱森钢管有限公司，常州 213212;2.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083)

0 引 言

燃气辐射管是一种常见的工业加热装置。在辐射管中燃气进行燃烧，所产生的高温燃烧烟气将热量传递给辐射管壁，辐射管壁又将热量主要以热辐射的形式传递给被加热产品[1-3]。跟间接加热的方式相比，燃烧产生的高温烟气并不与被加热产品相接触，从而大大降低了燃烧气氛对产品质量的损害程度，故能非常适合应用于对产品质量要求较高的场合。

传统燃气辐射管加热装置由于采用间壁式热回收装置，只能将空气预热到200～500 ℃，烟气余热回收并不充分，回收效率仅为30%左右[4-5]。蓄热式辐射管采用蓄热燃烧技术将空气温度提高到1 000 ℃以上，极大地回收了烟气的余热，同时也不可避免地带来了管壁温度分布不均匀及NOX生成量的大幅升高。对此国内外学者通过数值模拟及实验研究对蓄热式辐射管的结构、蓄热体结构优化等进行了诸多研究，取得了一定的进展，但对于结合实际使用状况的操作参数优化方面还有欠缺[6-8]。本文针对W型蓄热式辐射管开展研究，通过数值模拟的方式对二次空气预热温度及空燃比等操作参数对辐射管内温度场、NOx生成量等进行了分析，为蓄热式技术在W型辐射管的应用提供了理论支撑。

1 辐射管物理模型及数学模型

1.1 W型蓄热式辐射管内热过程物理模型

W型蓄热式辐射管加热装置由1对蓄热式燃烧系统和1根W型辐射管组成，蓄热式燃烧系统分别有一二次空气供给系统、燃料供给系统、排烟系统、一二次空气喷口、燃料喷口和换向系统组成，如图1所示。

图1 W型蓄热式辐射管内燃烧系统示意图

本文主要研究蓄热后的高温气体在辐射管内的燃烧过程。在建立数学模型前对所要研究的物理对象进行了如下简化假设：

(1) 整个流场范围内，可将流动过程看做是不可压缩流；

(2) 辐射管内辐射性气体为CO2和H2O，气体辐射吸收系数不受湍流特性影响；

(3)混合气体的比热为基于全部组分质量分数的加权平均值；

(4)燃烧过程为稳态，不考虑蓄热体蓄放热过程，直接给定二次空气的出口温度。

物理模型相关参数：辐射管管长：5.4 m；辐射管直径：0.177 m；二次空气喷口面积：6 060 mm2；一次空气喷口面积：350 mm2；燃气喷口面积：50 mm2。

1.2 蓄热式辐射管内热过程数学模型

W型蓄热式辐射管内热过程的数学模型主要包括流动过程数学模型、传热传质过程数学模型、燃烧过程数学模型。除此之外，本文的NOx生成模型采用热力型NOx生成模型。

(1)连续性方程和动量守恒方程

(1)

(2)

式中，Pi为表面力矢量，包括了静压力和流体粘性应力；ρgi为重力体积力，N；Fi是其他体积力，N。

(2)能量方程

(3)

式中，μeff=μt+μ，为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。Jj是组分j的扩散通量。导热项，组分扩散项和粘性耗散项分别位于方程右边的前三项。Sh是包括化学反应热和其他体积热源的源项。

(3)湍流模型方程

(4)

(5)

式中，Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生的源项；Gb为用于浮力影响引起的湍动能产生的源项。

(4)辐射传热模型

(6)

(5)物质输运方程

(7)

式中，Yi为组分i的质量分数，%；Ri是化学反应的净产生速率，mol/s；Si为离散项及用户定义的源项导致的额外产生速率，mol/s。

1.3 定解条件

(1)物性条件

采用比热、密度及导热系数均随温度变化的变物性参数；

(2)边界条件

入口条件：一次空气速度vair1=14 m/s，温度Tair1=23 ℃；二次空气速度vair2=18 m/s，温度Tair2=927 ℃；燃气速度vfuel=24 m/s，温度Tfuel=23 ℃；

出口条件：为压力出口边界条件，Pout-600 Pa；

辐射管壁的发射率ε=0.8，环境温度T0=900 ℃，Tw为壁面温度，Tw=920 ℃。

2 操作参数对辐射管内燃烧过程的影响

2.1 二次空气预热温度的影响

由于蓄热式辐射管的工作过程是一个非稳态的过程，二次空气的预热温度是个动态波动的过程，同时换向时间的大小也直接影响着二次空气的预热温度，因此需要研究不同的二次空气预热温度对管内燃烧过程的影响。在模拟过程中，保持其他参数不变，仅改变二次空气的预热温度，同时也相应地改变了二次空气的出口速度。图2为不同的二次空气预热温度下辐射管中心截面温度场分布，由图2可得随着二次空气出口温度的增加，火焰高温区的长度基本没发生改变，但火焰中心温度却随之增大，且辐射管壁的加热能力也随之增强。表1为三种不同的二次空气出口温度下的辐射管的各性能指标。由表1可得，随着二次空气出口温度的升高，辐射管的壁面温度分布不均匀性系数逐渐降低，但烟气中的NOX含量却由于中心火焰温度的升高而增加。不同的二次空气出口温度下辐射管内都能形成较为优良的火焰面，故此种结构的蓄热式燃烧器对二次空气出口温度的适应性都较好，换向时间的大小对管内热过程的影响并不明显。

图2 不同的二次空气预热温度情况下辐射管中心截面温度场分布

表1 不同的二次空气预热温度情况下辐射管的性能指标

2.2 空燃比的影响

空燃比直接决定了空气与燃气的混合强度，过低的空燃比将会使燃气发生不完全燃烧从而造成燃气的浪费，而过高的空燃比则会使空气过量从而造成空气的浪费。为使该W型蓄热式辐射管达到最佳的性能，需要进行空燃比对蓄热式辐射管性能影响规律的研究。在不同的空燃比下，随着空气进气量的增加，空气的预热温度呈逐渐降低的趋势，进而也影响到二次空气的出口速度。但图3为三种不同空燃比情况下辐射管中心截面温度场分布，表2为上述情况下辐射管的性能指标。由图3及表2可知，随着空燃比的增加，管内中心截面温度场分布比较相似，都能形成比较良好的高温火焰区，且高温火焰区位于辐射管的中心轴线上，沿着管长方向管内温度逐渐降低。辐射管的性能指标之一的管壁温度分布不均匀性系数基本不发生变化，但由于二次空气量的增加带来了氮气量的增多，从而主要导致热力型的NOX生成量也随之上升，故应适当地减小空燃比。可见，对于W型蓄热式辐射管而言，空燃比的变化对辐射管内传热过程影响较小，但对烟气中的NOX含量则影响较为明显。

图3 三种空燃比情况下辐射管中心截面温度场分布

表2 不同空燃比情况下辐射管的性能指标

3 结束语

本文通过数值模拟研究了W型蓄热式辐射管操作参数对辐射管性能的影响规律，主要得到如下结论：

(1)随着二次空气出口温度的增加，火焰高温区的长度基本没发生改变，但火焰中心温度却随之增大，且辐射管壁的加热能力也随之增强。二次空气预热温度由727 ℃增加到927 ℃后，管壁面平均温度由898 ℃升高到了927 ℃，温度均匀性基本没有变化，NOx含量由401 ppm升高到450 ppm。

(2) 空燃比降低，可减少空气所带入的氧气量，当空燃比由13∶1降低到11∶1后，管壁面平均温度基本没有变化，但烟气中的NOX含量由525 ppm降低到450 ppm，因此在保证完全燃烧的情况下，降低空燃比是有利的。