【技术前沿】富氧燃烧在工业加热炉中的应用

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CFD方法和建模

1.1模型

控制方程通过动量、质量和能量守恒方程确定模拟分析的解，以及标量输运方程的解。采用ANSYS Fluent 18.2和19.2对数值方程求解。全部求解器是基于压力的耦合式求解器（PBCS），除离散坐标模型外，所有的方程都使用二阶格式求解，除PBCS外，也使用伪瞬态算法。两种求解器的使用比只选择其中一种更有效。采用可实现的k-ε模型求解湍流。使用离散型坐标模型计算辐射；灰色气体加权和模型用作加热炉气体吸收系数。对于燃烧，使用非预混合燃烧模型。基本情况下，稳态火焰束模型与圣地亚哥（San Diego）机制的热力学和化学动力学一起使用。对于富氧情况，平衡模型与圣地亚哥机制的热力学一起用于一种三流方法。这是有必要的，因为富氧仅仅在预热段使用，需要有空气、氧气和天然气的入口。以往对建模方法差异的研究发现，最大的差异几乎完全在外焰内。

1.2几何结构

目前的仿真设置域被对半分以开发对称边界条件。这一选择要求炉内板坯有统一的排列阵容。这项工作的研究对象是安赛乐米塔尔伯恩斯港（现在克利夫兰-克利夫斯-伯恩斯港）的推钢式1号加热炉。在混合区和燃烧区相关的关键区域，尤其是烧嘴附近， 格密度要高得多。板坯区是一个矩形棱柱体，也被对半分以匹配整个炉域。整个炉子为112英尺长、34英尺宽。板坯区按照工业板坯的平均尺寸（318英寸×55英寸×9.9英寸）建模，沿最大尺寸对半分。

整炉中，有预热段、加热段和均热段。三者中，仅均热段底部没有烧嘴，只是一个炉膛，板坯沿着炉膛推进。因为这是一个推钢式加热炉，板坯置于水冷梁滑轨上。滑轨通过辐射屏蔽影响板坯的加热。所以在板坯底部作为墙体边界来建模。支撑结构也从域分割出来以模拟潜在流阻。这样，对滑轨和支撑结构的辐射屏蔽和流变进行了建模，而没有对导热或对流传热建模，几乎没有考虑滑轨的影响。炉口由炉膛主出口、进料门、出料门组成，进、出料门均为微开式。炉膛主出口在装料门上方和两侧，因而引导气流从反方向流向板坯。

富氧情况下，必须改变烧嘴配置以促进炉内气体的卷吸，增加流入气体的动量。由于流入空气烧嘴的大部分是氮气，减少氮气会导致该流量的动量剧烈下降，这样减少了火焰形状，在正常空气燃烧操作中没有发现温度升高。烧嘴内不需要改变低水平富氧（>30vol.%O2）状态，但达到高水平富氧的燃料从不同的烧嘴配置中受益。对中等富氧水平，空气燃烧烧嘴仍在使用，每个烧嘴之间、炉侧壁和离它们最近的烧嘴之间有氧气出口。对于氧气燃料，烧嘴表面被两个进气口替代，分别是燃料和氧气入口。这些入口相隔5英寸，燃料口在所有烧嘴表面上最接近炉中线。

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边界条件

2.1基准情形

燃料和空气状况见表1。只有预热段和加热段顶部和底部有烧嘴。均热区主要由小烧嘴（均热小）和一排大烧嘴（均热大）组成，烧嘴在出料区附近。由于烧嘴设置成分级燃烧，有一个二次风和一次风。二次风占空气总量的80%。值得注意的是，设施中使用的换热技术使空气温度升高。这些数值根据行业提供的数小时跟踪数据取平均值，统一输入到每个烧嘴中。这些条件包括每个区段所有的烧嘴，因此，每个烧嘴将获得相同的份额。

该燃料是天然气，含甲烷95.98%、乙烷2.26%和其他微量物质如氮气、二氧化碳和丙烷。只有大于0.1vol.%的物质才会输入模型。

作为板坯墙的边界条件，温度曲线从记录的板坯热电偶温度的分段函数导出。换热区也称为非燃烧区，表明后面燃烧区产生的高温气体通过对流传热，使板坯温度略有提高。这个区靠近炉子主要出风口，所以所有气流都经过相对冷的板坯。这些温度仅在板坯行进方向上变化，在轴向是均匀的。使用之前描述的迭代方法，不适用后阶段的板坯温度曲线。炉子和滑轨墙模型是绝热的，板坯辐射系数假定为0.75。

2.2富氧情况

本研究中的富氧仅应用于预热段。通常，预热段形成的铁鳞非常少，因此该区域高浓度的氧化物是由高水平的富氧造成的。这个区域用了最多的燃料，实现了减少本区域燃料使用量的目标，将是炉内三个区域中最有利的。最后，均热段和加热段的气流由于富氧的应用，将进一步稀释预热段的独特气氛。

富氧的另一个好处直接来自于氮气的减少。将氮气加热到产品气体温度的能量可以用来继续加热这些气体。在绝热火焰温度方面，可以达到更高的火焰温度。随着火焰温度的升高和辐射物浓度的增加，辐射传热得到了极大的增强。富氧最大的问题直接与这种较高的火焰温度有关。温度越高，形成的NOx就越多。为避免形成NOx，同时利用富氧技术的好处，必须延迟反应。在给定的时间内延迟反应使一个区域内释放更少的热量，通常，这种延迟反应是通过高动量射流促进炉内气体的卷吸实现的。或者也可以采用分级燃烧，氧化剂注入分段燃料中。

经过研究讨论得到表2所示情形的参数。情形1为基准空气燃烧工况，情形2和3分别是中等富氧工况和含氧燃料工况。情形2和3与情形1有相同的燃烧率（0%燃烧率不利条件）。所有情形氧气-燃料比例保持一致以保持过氧量不变，因而减少了变化变量的数量。供氧速度显示给氧射流在室温条件下进入炉子的声波条件。富氧情况下，在保持烧成率不变的情况下，预热段板坯加热速率有望提高。由于本研究的重点是节省燃料，因此，为了匹配基准加热条件，需要进一步增加燃烧率不利条件下的情形研究。

然而，烧嘴圆形端口被等距三角形中的端口所替代。截面面积是由不利条件下给出的流速和表2中的速度决定的。对于氧气燃料的情形，这些端口——输入的燃料和氧气流端口三个一组——从烧嘴面法线方向对炉子方向互相偏移13o。这样在氧气燃料情形中，烧成率不利条件下使进入炉内的氧气和燃料形成了26o角。增加的距离也有助于延迟反应，促进均匀燃烧。

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结果

3.1基准情形

重点关注的是匹配加热的板坯，需要对基本加热情况进行分析。这种加热基于预先设定的板坯温度曲线，用热流密度表示。半板坯从右向左移动。顶部和底部最大的热量大约在区域中段，最大的热流在底部。最低热流密度在区域末段，在此区域炉顶下降并在预热段用火焰将钢板切断。板坯顶部和底部中能量为71.5MMBtu/h。其中，61%穿过板坯顶部，能量91%来自辐射，剩余9%来自对流。

3.2中等富氧

喷入含46vol.%O2的燃烧氧化剂导致较低的氮气喷入量、较高的火焰温度。考虑到最大的热量通过辐射传导，而辐射会受火焰温度的影响，喷入等量的燃料会引起过热。

为匹配基准情形的加热，尝试使用迭代试错方法。第一种情形的燃烧率下降了约40%。这需要使用60%基准情形的氧化剂所需的燃料。氧气口区域为维持声波条件而变化。进入板坯的最低热流仍在预热区的末端，且临近预热区中部的热量趋势和基准情形一样。最大的热量集中在板坯顶部靠近中心的位置，板坯底部同样如此。

板坯加热到40%时发生了第三种情形，大约在前两种情形之间。最后，这种情形使燃烧率降低了25%。这种情况下进入板坯的热流情况显示，板坯中心加热的趋势与之前中等富氧情况一致，但总热量更接近基准情形。输入的总能量是78.2MMBtu/h，比基准情形略多些（约110%），这表明仍有必要略微降低预热段燃烧率。在这种情况下，59%的热量穿过板坯顶部，辐射约占进入板坯能量的91%。

3.3含氧燃料

对于含氧燃料的情况，烧嘴配置与基准情形有很大不同，同时区域内只有氮气来自后续区域的流入（加热段和均热段）。因此，特定区域的热流可能非常高。而且，含氧燃料有非常高的射流来自烧嘴面。速度增加使板坯附近的对流增加。由于较热火焰造成温度的总体升高也加强了对流，尽管增加程度不比辐射。这样，相对于基准情形，更大的总热流流入板坯。

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校审/侯建宏