汪建新，王恩浩，吳啟明，江 華

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.北京鳳凰工業(yè)爐有限公司，北京 100083)

20世紀(jì)80年代被開發(fā)并廣泛推廣的蓄熱式燃燒技術(shù)[1]又被稱為高溫空氣燃燒技術(shù)，因其顯著的節(jié)能效果與特殊的燃燒過(guò)程，得到了國(guó)際工業(yè)爐領(lǐng)域的普遍應(yīng)用[2-4]。相比于傳統(tǒng)的燃燒方式，蓄熱式燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低NOx排放，緩解了環(huán)境污染問(wèn)題。由于預(yù)熱空氣溫度可以達(dá)到1 000 ℃以上，排煙溫度普遍在200 ℃左右，在大幅提高燃料利用率的同時(shí)減少了燃料的損耗。常溫空氣被預(yù)熱到接近高溫?zé)煔獾臏囟?，空氣與燃料可以在爐膛內(nèi)充分混合，實(shí)現(xiàn)貧氧燃燒。同時(shí)，加熱爐沒有預(yù)熱段，爐膛內(nèi)燃燒平緩、均勻[5]，使鋼坯在爐內(nèi)被迅速加熱，縮短了工作時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量相比其他燃燒方式有大幅提高。

蓄熱室是工業(yè)爐中余熱回收的重要裝置[6-7]。蓄熱室內(nèi)規(guī)則地填充蓄熱體,為了減少熱量損失，并使蓄熱室擁有足夠的強(qiáng)度和氣密性，蓄熱室外側(cè)還采用耐火材料與鋼板覆蓋，蓄熱室結(jié)構(gòu)與參數(shù)以及蓄熱體材料與結(jié)構(gòu)是技術(shù)的關(guān)鍵。

1 工作過(guò)程

工業(yè)爐工作分為加熱期和冷卻期，原理如圖1所示：開始工作時(shí)，常溫空氣通過(guò)右側(cè)通道進(jìn)入蓄熱室1被高溫蓄熱體預(yù)熱，與燃料混合后經(jīng)右側(cè)燒嘴B噴出燃燒，左側(cè)的燒嘴A用于排出煙氣，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室2內(nèi)將大部分熱量傳遞給蓄熱體完成熱量交換后以200 ℃左右的溫度排入大氣，到達(dá)換向時(shí)間后(本文中的換向時(shí)間設(shè)置為20 s)，換向裝置改變空氣與燃料的流動(dòng)方向，常溫空氣進(jìn)入蓄熱室2被高溫蓄熱體預(yù)熱到較高溫度后，與燃料混合通過(guò)左側(cè)通道經(jīng)燒嘴A噴出燃燒，此時(shí)燒嘴B用于排出煙氣，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室1后將大部分熱量傳遞給蓄熱體后成為低溫?zé)煔馀欧诺酱髿鈨?nèi)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后再次換向，如此實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐的連續(xù)運(yùn)作。

圖1 蓄熱式燃燒器工作原理圖

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

蜂窩陶瓷蓄熱室模型如圖2所示。

圖2 蜂窩陶瓷蓄熱室模型

由于蓄熱室原模型規(guī)格較大且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，每個(gè)蓄熱體上具有幾百個(gè)用于流通氣體的貫穿孔，給仿真工作帶來(lái)了巨大的壓力，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能有較高的要求，降低了計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的同時(shí)也使得仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。為了提升仿真的計(jì)算速度，提高結(jié)果的計(jì)算精度，在原模型的基礎(chǔ)上對(duì)蓄熱室進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，將蓄熱室內(nèi)蓄熱體的數(shù)量降低到27塊并且取模型的四分之一進(jìn)行仿真，并將入射氣體的初始速度和系統(tǒng)的換向時(shí)間進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臏p小?？s小后的模型尺寸為600 mm×250 mm×250 mm，高溫?zé)煔獾娜肷渌俣仍O(shè)置為1.2 m/s，常溫空氣的入射速度設(shè)置為1 m/s，換向時(shí)間設(shè)置為20 s。

2.2 網(wǎng)格劃分

單塊蓄熱體的固體域網(wǎng)格劃分如圖3所示：采用O-block技術(shù)，將網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)置為2.0 mm后生成網(wǎng)格，最后生成的網(wǎng)格數(shù)量在11萬(wàn)左右，且網(wǎng)格的質(zhì)量較高。保證了結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)提高了整體計(jì)算速度。

圖3 蓄熱體網(wǎng)格劃分

3 仿真結(jié)果分析

基于Fluent軟件在蓄熱室內(nèi)均勻地設(shè)置12個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)、總結(jié)氣體在蓄熱室內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，其坐標(biāo)分別為

Point1(-150,-5,5),Point2(-300,-5.5),

Point3(-450,5,5),Point4(-150,-46,46),

Point5(-300,-46,46),Point6(-450,-46,46),Point7(-150,-87,87),Point8(-300,-87,87),Point9(-450,-87,87),Point10(-150,-128,128),Point11(-300,-128,128),Point12(-450,-128,128)。

在Fluent軟件中模擬蓄熱室加熱期的工作過(guò)程，在該過(guò)程計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上模擬蓄熱室冷卻期的工作過(guò)程，得到蓄熱室完整的工作過(guò)程及結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行歸納并對(duì)蓄熱室在長(zhǎng)度方向和橫截面方向上的溫度進(jìn)行比較以得到蓄熱室內(nèi)溫度的分布和變化規(guī)律。

3.1 熱端與冷端溫度分布

蓄熱體的初始溫度為300 K，蓄熱室熱端和冷端處的溫度變化如圖4所示。

圖4 蓄熱室熱端與冷端入口溫度變化

由圖4可知，在加熱期時(shí)熱端高溫?zé)煔馊肟谔幍臏囟妊杆偬岣撸?0 s左右時(shí)溫度已經(jīng)到達(dá)了最高，最高溫度在1 400 K左右，此時(shí)蓄熱體溫度與高溫?zé)煔鉁囟容^為接近，在加熱期的剩余時(shí)間內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)；而受到蓄熱室長(zhǎng)度和蓄熱體蓄熱效果的影響，蓄熱室冷端氣體出口處溫度升高的速率與前熱端相比明顯放緩，在加熱期結(jié)束前的幾秒也達(dá)到了最高溫度，最高溫度1 400 K，兩點(diǎn)在加熱期結(jié)束后達(dá)到的最高溫度幾乎沒有差別。

在冷卻期兩點(diǎn)溫度的變化規(guī)律截然相反，冷端氣體出口處的溫度在進(jìn)入冷卻期后溫度迅速下降，同樣在工作10 s左右時(shí)溫度達(dá)到最低，最低溫度在500 K左右，此時(shí)出口煙氣與蓄熱體溫度較為接近，在冷卻期的剩余時(shí)間內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)；冷卻期熱端溫度降低的速率略低于冷端，同樣在冷卻期結(jié)束前達(dá)到最低溫度，最低溫度500 K，兩點(diǎn)在冷卻期結(jié)束后的最低溫度同樣幾乎沒有差別。

在加熱期，蓄熱體溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，幅度在1 000 K以上，同樣在進(jìn)入冷卻期后蓄熱體溫度在極短時(shí)間內(nèi)的降幅也在1 000 K以上，蓄熱體溫度這種強(qiáng)烈、迅速的周期性變化對(duì)蓄熱體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了劇烈沖擊，使得蓄熱體自身的抗熱震性明顯下降，容易使蓄熱體產(chǎn)生熱震裂紋從而破裂失效。氣體在蓄熱體內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中，沿氣體流動(dòng)方向往往存在溫度差，溫度差會(huì)使蓄熱體產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力，這也是導(dǎo)致蓄熱體開裂甚至破碎的一個(gè)重要原因。

3.2 蓄熱室長(zhǎng)度方向溫度分布與變化規(guī)律

蓄熱室長(zhǎng)度方向溫度分布與變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 蓄熱室長(zhǎng)度方向溫度分布與變化

由圖5可知，進(jìn)入加熱期后處于蓄熱室長(zhǎng)度方向同一直線上三個(gè)點(diǎn)溫度迅速提高，且離熱端越近的點(diǎn)其溫度提高速率越大并更早地進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，同一直線上三個(gè)點(diǎn)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度幾乎相同，且三個(gè)點(diǎn)溫度的整體變化趨勢(shì)大致相同，而不同直線上三個(gè)點(diǎn)的最高溫度存在較大差異；冷卻期變化規(guī)律與加熱期相反，進(jìn)入冷卻期時(shí)同一直線上的三個(gè)點(diǎn)離冷端越近溫度下降速率越快，同一直線上三個(gè)點(diǎn)的最低溫度幾乎相同，且三個(gè)點(diǎn)溫度的整體變化趨勢(shì)大致相同，不同直線上三個(gè)點(diǎn)的最低溫度存在差異；在接近蓄熱室熱端的位置，加熱期結(jié)束冷卻期開始時(shí)，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度并沒有馬上下降，而是在幾秒鐘以后才開始下降，出現(xiàn)這種情況的原因可能是：①理論上換向時(shí)間是瞬間完成的，而在實(shí)際操作過(guò)程中，換向時(shí)間可能存在延遲，導(dǎo)致蓄熱室內(nèi)的氣體并沒有馬上換向，溫度沒有立刻發(fā)生變化；②冷卻期常溫空氣通入蓄熱室時(shí)的速度較小，導(dǎo)致蓄熱室內(nèi)遠(yuǎn)離冷端位置的氣體在進(jìn)入冷卻期的前幾秒沒有受到來(lái)自冷端常溫空氣的影響。

3.3 蓄熱室橫截面方向溫度分布與變化規(guī)律

蓄熱室橫截面方向溫度分布與變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知，同一橫截面上四個(gè)點(diǎn)的溫度在蓄熱室進(jìn)入加熱期后均呈上升的趨勢(shì)，但四個(gè)點(diǎn)上升的幅度和最終所能達(dá)到的最高溫度存在較大差異。蓄熱室橫截面方向上離氣體入口越近的點(diǎn)其溫度上升的速率越快，且最終能達(dá)到的溫度也最高，最高溫度在1 400 K左右。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與氣體入口位置距離的不斷增加，其溫度的上升速率和最終能達(dá)到的最高溫度不斷降低，point12所能達(dá)到的溫度最大值僅在750 K左右。

圖6 熱室橫截面方向溫度分布與變化

進(jìn)入冷卻期后各點(diǎn)的溫度變化規(guī)律與加熱期相似，蓄熱室橫截面方向上離氣體入口越近的點(diǎn)其溫度下降的速率越快，且最終能達(dá)到的溫度也最低，最低溫度在500 K左右。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與氣體入口位置距離的不斷增加，其溫度的下降速率也不斷降低，最終最低溫度都在300 K左右。

從圖6中可以明顯看出，蓄熱室橫截面上距離氣體入口不同距離的點(diǎn)所能達(dá)到的最高溫度有較大差異，加熱期時(shí)距離氣體入口最近的點(diǎn)能達(dá)到的最高溫度在1 400 K左右，而距離氣體入口最遠(yuǎn)的點(diǎn)能達(dá)到的最高溫度只有750 K左右。造成這一現(xiàn)象的原因可能為：①蓄熱室高溫?zé)煔馊肟谖恢眉叭肷浣嵌葘?duì)于氣體流動(dòng)產(chǎn)生的影響。煙氣的入口位置位于橫截面的中心處，這導(dǎo)致了蓄熱室長(zhǎng)度方向中心線位置的氣體流動(dòng)遠(yuǎn)大于周圍，所以該區(qū)域的溫度也高于周圍區(qū)域。②高溫?zé)煔馊肷浣嵌韧瑯訒?huì)影響蓄熱室內(nèi)氣體的流動(dòng)規(guī)律，當(dāng)煙氣垂直射入蓄熱室時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致氣體在橫截面方向擴(kuò)散不及時(shí)，使得位于蓄熱室四周的蓄熱體得不到有效的蓄熱，降低了蓄熱效率，使蓄熱體溫度低于中心區(qū)域蓄熱體的溫度。冷卻期結(jié)束時(shí)所有點(diǎn)的最低溫度十分接近,都在500 K左右。

4 結(jié) 論

(1)氣體進(jìn)入蓄熱室后其等溫線呈拋物線形狀分布，并且氣體從熱端流動(dòng)到冷端的過(guò)程中拋物線的弧度不斷擴(kuò)大。高溫?zé)煔馊肟谔帨囟茸罡咴? 400 K左右；常溫空氣入口處溫度最低在500 K左右。

(2)在蓄熱室長(zhǎng)度方向上，加熱期時(shí)離熱端氣體入口越近的位置溫度上升速率越快，冷卻期時(shí)離冷端氣體入口越近的位置溫度下降速率越快；通入蓄熱室內(nèi)氣體的流速會(huì)在不同程度上影響蓄熱體的蓄熱效率和蓄熱室內(nèi)溫度分布規(guī)律，造成蓄熱室中間位置溫度高于四周。

(3)在蓄熱室橫截面方向上，遠(yuǎn)離氣體入口的位置其溫度上升速率及下降速率均低于靠近氣體入口的位置，且由于入口位置和入射角度等原因，在蓄熱室橫截面上距離氣體入口不同距離的點(diǎn)所能達(dá)到的最高溫度有較大差異，接近入口位置的點(diǎn)最高溫度可以達(dá)到1 400 K左右，遠(yuǎn)離入口位置的點(diǎn)最高溫度能達(dá)到750 K左右，一定程度上降低了蓄熱室的蓄熱效率。

為了便于計(jì)算機(jī)仿真，得出蓄熱室中溫度分布和變化規(guī)律，將蓄熱室模型以及初始速度等進(jìn)行了一定比例的縮小，仿真在理想的狀態(tài)下進(jìn)行，在此基礎(chǔ)上得出的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫度最低溫度與工業(yè)實(shí)際溫度存在一定的誤差，還有許多需要注意和改進(jìn)的地方。