第8期 冯俊小等：W型辐射管低NO,排放的数值研究 ·1097· 出口条件：压力出口条件，0Pa. 2.4模型验证 壁面条件：无滑移壁面，辐射管外壁与炉膛环境 利用开发的模型对某公司W型辐射管进行了 之间热交换包括对流和辐射，炉膛温度为1223K,管 数值模拟，并与相同工况下的实验数据进行了对比， 壁发射率取ε=0.85，对流换热系数的表达式如下： 具体结果见图4和表1.辐射管表面温度的数值计 a=0.53A(GPm)025 (12) 算与实验结果最大误差在5%以内，说明模型符合 D G=8(T-T)D2 实际 (13) 11002 1400 其中：空气导热系数A=8.5×10-2W·(mK)-1:D 1380 炉温1272k 一模拟值 为辐射管外径，mm:重力加速度常数g=9.8ms-2; 1360 ·实验值 普朗特常数Pr取0.76；炉膛环境温度T。取1223K; 1340 空气的运动黏度v取1.993×10-4m·s2:T辐射管 1320 外表面温度，K 另外，本文在使用稀释法研究辐射管NO,排放 特性时，定义稀释体积分数为加入的CO2或N2气体 1280 体积与空气和稀释剂混合物总体积之和的比值，即 1260 2000 4000 6000 800 V(N2或CO2) 辐射管气体流动距离/mm K=7N,或c0,)+7(aim×100%. (14) 图4辐射管轴向表面温度分布 其中，V(N2或C02)为加入的N2或C02的体积， Fig.4 Surface temperature distribution of the radiant tube as a func- V(air)为助燃空气的体积 tion of axial position 表1数值模拟与实验结果对比 Table 1 Comparison between simulation and experimental results 辐射管平均温度K 出口N0,体积分数10-6 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 1313 1299 1.08 123 118 4.24 成量，只是抑制强度都逐渐降低.特别地，当K大于 3实验结果与分析 25%时，出口N0,体积分数甚至可以降低到4× 工业测量NO,排放时一般以出口处烟气NO, 105以下. 含量为准，根据GB28665一2012《轧钢工业大气污 900 ·一N稀释下出口N0的体积分数240 染物排放标准》，本文将出口处NO,体积分数折算 800 。C0,稀释下出口N0的体积分数2350 一。一N稀释下燃烧最高温度 三700 为8%含氧量下的体积分数 。一(C0,稀释下燃烧最高温度 2300 600 3.1N2和C02稀释差异对比 2250 起500 2200室 燃烧过程中所产生的氮氧化物主要是通过02 三400 21509 氧化N,因此降低氧含量是减少NO,生成的有效途 300 2100 径，可采用N,和C0,来稀释助燃空气.本节对比了 200 100 2050 这两种稀释方法对NO,排放体积分数影响的差异. 0 200) 图5给出了分别以C02和N,稀释时，随稀释体 51015202530 (),或、，稀释体积分数/候 积分数K=0~30%变化下，出口处NO,体积分数以 及燃烧区最高温度的变化曲线.由图中可以看出：K 图5出口N0,体积分数和燃烧最高温度随稀释体积分数的 从0增加到15%过程中，C02稀释时出口处NO,生 变化 Fig.5 Change in nitric oxide emissions and peak flame temperature 成体积分数降低了90.7%，而N,稀释时出口N0 with diluted volume fraction 体积分数降低了80.2%，说明相对于N2稀释，C02 在一定程度上更能抑制NO,产生；当K从15%到 随K增加，燃烧区最高温度急剧降低，而CO2稀 30%继续增加，两种稀释情况都能继续降低N0,生 释时，燃烧区最高温度降低更明显.由于W型辐射第 8 期 冯俊小等: W 型辐射管低 NOx 排放的数值研究 出口条件: 压力出口条件，0 Pa． 壁面条件: 无滑移壁面，辐射管外壁与炉膛环境 之间热交换包括对流和辐射，炉膛温度为 1223 K，管 壁发射率取 ε = 0. 85，对流换热系数的表达式如下: α = 0. 53 λ D ( GrPr) 0. 25， ( 12) Gr = g( Tw － T0 ) D2 1100ν 2 ． ( 13) 其中: 空气导热系数 λ = 8. 5 × 10 － 2 W·( m·K) － 1 ; D 为辐射管外径，mm; 重力加速度常数 g = 9. 8 m·s － 2 ; 普朗特常数 Pr 取 0. 76; 炉膛环境温度 T0取 1223 K; 空气的运动黏度 ν 取 1. 993 × 10 － 4 m·s － 2 ; Tw辐射管 外表面温度，K． 另外，本文在使用稀释法研究辐射管 NOx 排放 特性时，定义稀释体积分数为加入的 CO2或 N2气体 体积与空气和稀释剂混合物总体积之和的比值，即 K = V( N2 或 CO2 ) V( N2 或 CO2 ) + V( air) × 100% ． ( 14) 其中，V ( N2 或 CO2 ) 为加入的 N2 或 CO2 的体积， V( air) 为助燃空气的体积． 2. 4 模型验证 利用开发的模型对某公司 W 型辐射管进行了 数值模拟，并与相同工况下的实验数据进行了对比， 具体结果见图 4 和表 1． 辐射管表面温度的数值计 算与实验结果最大误差在 5% 以内，说明模型符合 实际． 图 4 辐射管轴向表面温度分布 Fig． 4 Surface temperature distribution of the radiant tube as a func￾tion of axial position 表 1 数值模拟与实验结果对比 Table 1 Comparison between simulation and experimental results 辐射管平均温度/K 出口 NOx 体积分数/10 － 6 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 1 313 1 299 1. 08 123 118 4. 24 3 实验结果与分析 工业测量 NOx 排放时一般以出口处烟气 NOx 含量为准，根据 GB 28665—2012《轧钢工业大气污 染物排放标准》，本文将出口处 NOx 体积分数折算 为 8% 含氧量下的体积分数． 3. 1 N2和 CO2稀释差异对比 燃烧过程中所产生的氮氧化物主要是通过 O2 氧化 N2，因此降低氧含量是减少 NOx 生成的有效途 径，可采用 N2和 CO2来稀释助燃空气． 本节对比了 这两种稀释方法对 NOx 排放体积分数影响的差异． 图 5 给出了分别以 CO2和 N2稀释时，随稀释体 积分数 K = 0 ～ 30% 变化下，出口处 NOx 体积分数以 及燃烧区最高温度的变化曲线． 由图中可以看出: K 从 0 增加到 15% 过程中，CO2稀释时出口处 NOx 生 成体积分数降低了 90. 7% ，而 N2 稀释时出口 NOx 体积分数降低了 80. 2% ，说明相对于 N2 稀释，CO2 在一定程度上更能抑制 NOx 产生; 当 K 从 15% 到 30% 继续增加，两种稀释情况都能继续降低 NOx 生 成量，只是抑制强度都逐渐降低． 特别地，当 K 大于 25% 时，出口 NOx 体积分数甚至可以降低到 4 × 10 － 5以下． 图 5 出口 NOx 体积分数和燃烧最高温度随稀释体积分数的 变化 Fig． 5 Change in nitric oxide emissions and peak flame temperature with diluted volume fraction 随 K 增加，燃烧区最高温度急剧降低，而 CO2稀 释时，燃烧区最高温度降低更明显． 由于 W 型辐射 · 7901 ·