徐钱等：分区分级燃气辐射管模型验证及仿真研究 1621· 燃气辐射管加热与电加热相比具有单位表面积热 功率大、热效率高、运行费用低等优点，近些年来被广 二次空气 三通管 泛应用于钢铁、锌等的真空热处理炉、密封箱式多用炉 一次空气 C回流管支管 燃气A 和可控气氛热处理炉，此外在石化、纺织等行业也有应 烧嘴喷口 用6.辐射管在国内外热处理炉上的应用表明，使用 燃烧简 中心管 燃气辐射管在保证加热性能的基础上可以大幅度降低 一次能源消耗，从根本上减少CO和NO,的排放P-, 1400 研发性能优良的辐射管对节能减排具有重要意义 图1双P型辐射管基本结构图（单位：mm) 辐射管性能主要包括热效率、表面温度均匀性、污 Fig.1 Structure diagram of the double P-type radiant tube (unit: 染物排放量和使用寿命☒.应用于工业的辐射管存 mm） 在的主要问题有排烟温度相对较高，局部温度较高导 致管体内表面灼烧、氧化及燃烧器的损坏，沿管体长度 使用的模型作以下假设：(1)假设流体为不可压缩流 方向的温差形成较大热应力，以及燃烧产物中C02和 体，流动和燃烧状态稳定：(2)燃气为天然气，辐射气 NO,的排放量较大.目前使用的U型和W型辐射管的 体为C0,和H,O,且气体的辐射系数不受组分特性的 温度均匀性较差，NO,含量高，辐射管管体温度均匀性 影响. 差会导致辐射管应力增大，管体变形严重，直接影响辐 1.2.2数学模型 射管寿命.鉴于这些问题，亟需从以下几个方面提 研究中选取的数学模型有连续性方程、NS方程、 高辐射管性能：降低排烟温度及提高空气预热温度，提 标准k一￡湍流模型、能量守恒方程、组分传输模型、涡 高管体表面温度的均匀性，降低管体的氧化及应变，研 耗散燃烧模型以及DO(离散坐标)辐射模型.具体形 发高性能管体材质，以及减少烟气中CO2和N0,含 式如下 量.本文以此为出发点，提出一种新型分区分级燃 连续性方程： 气辐射管，并对其流动、传热和燃烧过程进行仿真研 div(U)=0. (1) 究，设计分区分级燃气辐射管的结构，通过模拟研究其 NS方程： 与双P型辐射管在流动、燃烧和传热方面的差别，重点 x方向， 分析分区分级燃气辐射管在壁面温度均匀性的优 势as刀 div(uv)=div(v"gradu)1 ap (2 p d y方向， 1模型建立 div (bU)div(v"gradb)-1 ip (3 p dy 1.1物理模型 z方向， 本章研究对象为双P型燃气辐射管模型.研究目 的是建立物理模型、数学模型以及求解条件，通过数值 div(nU)div(vgradn)-I op (4) p dz 计算，与现场实验结果进行对比，验证模型的可靠性 k-e方程： 所研究的120kW双P型辐射管的基本结构图和 k方程， 烧嘴结构如图1所示.烧嘴设置在中间，烟气出口设 置在烧嘴外围，加热二次风后再进入空气预热器.助 div(pU)iv)(5) 燃空气分为两级，燃气与一次空气首先在燃烧筒内进 e方程， 行一次燃烧，然后与二次空气在辐射管内进行二次燃 div(pUe）= 烧，产生稳定火焰.高温烟气经过中心管、三通管、支 r[(+)me]+G,-ep 2 管和回流管后，一部分由烟气出口进入空气换热器，另 (6) 一部分进入与正在燃烧的气体混合参与循环流动.整 式中：G表示剪切产生项，表达式为 个辐射管管长6750mm,中心管径为244mm,支管管径 G=(业+）： 为196mm,中心管与支管间距为406mm. ox;\dx:dx; 1.2数学模型 山：和分别表示在x和x方向上的速度分量，ms 1.2.1假设条件 能量守恒方程： 辐射管内的热过程是一个复杂的热过程，其中包 括气体流动、燃料燃烧的化学反应以及传热过程.为 w=·[(+2)]-9r() 了能够比较准确地模拟辐射管管内的热过程，本文对 组分传输方程：徐 钱等: 分区分级燃气辐射管模型验证及仿真研究 燃气辐射管加热与电加热相比具有单位表面积热 功率大、热效率高、运行费用低等优点，近些年来被广 泛应用于钢铁、锌等的真空热处理炉、密封箱式多用炉 和可控气氛热处理炉，此外在石化、纺织等行业也有应 用［6--8］． 辐射管在国内外热处理炉上的应用表明，使用 燃气辐射管在保证加热性能的基础上可以大幅度降低 一次能源消耗，从根本上减少 CO2和 NOx的排放［9--11］， 研发性能优良的辐射管对节能减排具有重要意义． 辐射管性能主要包括热效率、表面温度均匀性、污 染物排放量和使用寿命［12］． 应用于工业的辐射管存 在的主要问题有排烟温度相对较高，局部温度较高导 致管体内表面灼烧、氧化及燃烧器的损坏，沿管体长度 方向的温差形成较大热应力，以及燃烧产物中 CO2和 NOx的排放量较大． 目前使用的 U 型和 W 型辐射管的 温度均匀性较差，NOx含量高，辐射管管体温度均匀性 差会导致辐射管应力增大，管体变形严重，直接影响辐 射管寿命［13］． 鉴于这些问题，亟需从以下几个方面提 高辐射管性能: 降低排烟温度及提高空气预热温度，提 高管体表面温度的均匀性，降低管体的氧化及应变，研 发高性能 管 体 材 质，以 及 减 少 烟 气 中 CO2 和 NOx 含 量［14］． 本文以此为出发点，提出一种新型分区分级燃 气辐射管，并对其流动、传热和燃烧过程进行仿真研 究，设计分区分级燃气辐射管的结构，通过模拟研究其 与双 P 型辐射管在流动、燃烧和传热方面的差别，重点 分析分区分级燃气辐射管在壁面温度均匀性的优 势［15--17］． 1 模型建立 1. 1 物理模型 本章研究对象为双 P 型燃气辐射管模型． 研究目 的是建立物理模型、数学模型以及求解条件，通过数值 计算，与现场实验结果进行对比，验证模型的可靠性． 所研究的 120 kW 双 P 型辐射管的基本结构图和 烧嘴结构如图 1 所示． 烧嘴设置在中间，烟气出口设 置在烧嘴外围，加热二次风后再进入空气预热器． 助 燃空气分为两级，燃气与一次空气首先在燃烧筒内进 行一次燃烧，然后与二次空气在辐射管内进行二次燃 烧，产生稳定火焰． 高温烟气经过中心管、三通管、支 管和回流管后，一部分由烟气出口进入空气换热器，另 一部分进入与正在燃烧的气体混合参与循环流动． 整 个辐射管管长 6750 mm，中心管径为 244 mm，支管管径 为 196 mm，中心管与支管间距为 406 mm． 1. 2 数学模型 1. 2. 1 假设条件 辐射管内的热过程是一个复杂的热过程，其中包 括气体流动、燃料燃烧的化学反应以及传热过程． 为 了能够比较准确地模拟辐射管管内的热过程，本文对 图 1 双 P 型辐射管基本结构图( 单位: mm) Fig． 1 Structure diagram of the double P-type radiant tube ( unit: mm) 使用的模型作以下假设: ( 1) 假设流体为不可压缩流 体，流动和燃烧状态稳定; ( 2) 燃气为天然气，辐射气 体为 CO2和 H2O，且气体的辐射系数不受组分特性的 影响． 1. 2. 2 数学模型 研究中选取的数学模型有连续性方程、N--S 方程、 标准 k--ε 湍流模型、能量守恒方程、组分传输模型、涡 耗散燃烧模型以及 DO( 离散坐标) 辐射模型． 具体形 式如下． 连续性方程: div( U) = 0． ( 1) N--S 方程: x 方向， div( uU) = div( ν·gradu) － 1 ρ p x ． ( 2) y 方向， div( bU) = div( ν·gradb) － 1 ρ p y ． ( 3) z 方向， div( wU) = div( ν·gradw) － 1 ρ p z ． ( 4) k--ε 方程: k 方程， div( ρUk) [ ( = div η + ηt σ ) k grad ] k + ηtGk － ρε． ( 5) ε 方程， div( ρUε) = [ ( div η + ηt σ ) ε gradε ] + c1ηtGk ε k － c2 ρ ε2 k ． ( 6) 式中: Gk 表示剪切产生项，表达式为 Gk = ui x ( j ui xj + uj x ) i ; ui和 uj分别表示在 xi和 xj方向上的速度分量，m·s － 1 ． 能量守恒方程: Δ ·( ρUh) = Δ · [ ( η + ηt σ ) t Δ ] h － qr ． ( 7) 组分传输方程: ·1621·