·1468· 工程科学学报，第38卷，第10期 辐射管是一种较新型的加热装置，它的主要原理 是燃料在管内燃烧发热，通过热辐射的方式将热量传 支管 递出去，有减少被加热工件氧化和加热均匀的优点，主 流 中心管 要用于连续退火炉等.当今社会和环境对节能减排提 出更高的要求，而以天然气等为燃料的辐射管会生成 较多的NO,-,所以辐射管NO,排放问题越来越受 1400 到重视.近期有关降低氮氧化物排放的研究成果中， 图1双P型辐射管示意图（单位：mm) 扩散式分段燃烧的低N0.均匀化燃烧技术受到重 Fig.I Schematic diagram of the doubleP type radiant tube (unit: 视习.辐射管内燃烧空间狭长，燃烧最高温度偏高， mm) 而火焰温度越高，热力型O,的增加越显著-刀，烟气 温度超过1500℃的情况下N0,对温度的升高变得极 为敏感，温度超过2000℃时短时间内便会产生大量热 力型N0. 扩散式分段燃烧是指在燃烧区域，使空气和燃料 在燃烧行程的不同部位供给参加燃烧，导致当地燃料 与空气分级配比不均衡，在降低燃烧火焰温度的同时 抑制NO,生成，实现降低NO,排放的燃烧技术o; 扩散式分段燃烧由于碳氢化合物的高温裂解，形成碳 图2三级燃烧器示意图 Fig.2 Schematic diagram of the three-stage bumer 颗粒，使得火焰辐射能力大大增强，烟气温度降低，减 小排烟热损失，同时降低燃烧火焰温度，实现均匀化燃 建模，对辐射管及燃烧器网格划分，由于燃烧器处结构 烧☒，本文根据扩散式分段燃烧的均匀燃烧理论设 复杂，进行网格加密处理，其余部分采用结构化网格， 计了辐射管三级燃烧器，运用正交试验手段研究该燃 网格经独立性检验，数量从100万增加到300万，计算 烧器的结构及运行参数对NO,排放的影响及显著性， 显示出口N0,浓度仅有3.5%变化率，说明网格具独 在正交试验的基础上，对显著影响三级燃烧器NO,排 立性，具体如图3所示.本文选取网格数为150万个， 放性能的因素进行进一步的研究，旨在为工业辐射管 网格扭曲度95%在0.5以下. 燃烧器的研究和运行提供参考. 1.3基本假设 辐射管及燃烧器内燃烧是一个复杂的热过程，包 1模型建立 括流动、燃烧化学反应以及传热.为了能够较准确地 1.1物理模型 模拟辐射管管内的热过程，本文对使用的数学模型进 双P型辐射管及三级燃烧器如图1和图2所示 行以下假设：(1)流体为不可压缩流体，流动和燃烧状 该辐射管燃烧器的基本工作过程如下：一次空气(3) 态稳定；(2)燃气为天然气，辐射气体为C0,和H,0,且 与一次燃气(9)在燃烧室(4)燃烧，火焰由燃烧室喷口 气体的辐射系数不受组分特性的影响：(3)因辐射管 (8)喷出卷吸二次燃气(6)与二次空气(5)进行燃烧， 管壁金属导热良好忽略其导热热阻. 由于燃烧室喷出的高速气流会卷吸循环支管的烟气， 1.4数学模型 从而会稀释二次空、燃气，使得燃烧温度降低，火焰继 1.4.1流场和温度场求解 续前行并与三次燃气喷口(7)的燃气相遇继续燃烧. 采用FLUENT软件进行求解，控制方程包括连续 整个辐射管管长6750mm,中心管直径为244mm,支管 性方程、动量方程和能量守恒方程，以及计算湍流的 管直径为186mm,中心管与支管中心距为406mm. 一ε模型：计算化学反应的非预混燃烧模型组分传输 1.2网格划分 模型和计算辐射的离散坐标(D0)辐射模型，具 该物理模型为对称结构，本文对其采用1/4模型 体如下. a (b) 图3三级燃烧器及管体网格划分·(a)燃烧器网格示意图：()辐射管整体网格示意图 Fig.3 Grid partition of the three-stage bumer:(a)mesh generation of the burner section;(b)whole mesh generation of the radiant tube工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 辐射管是一种较新型的加热装置，它的主要原理 是燃料在管内燃烧发热，通过热辐射的方式将热量传 递出去，有减少被加热工件氧化和加热均匀的优点，主 要用于连续退火炉等． 当今社会和环境对节能减排提 出更高的要求，而以天然气等为燃料的辐射管会生成 较多的 NOx ［1--2］，所以辐射管 NOx 排放问题越来越受 到重视． 近期有关降低氮氧化物排放的研究成果中， 扩散式分段燃烧的低 NOx 均匀 化 燃 烧 技 术 受 到 重 视［2--5］． 辐射管内燃烧空间狭长，燃烧最高温度偏高， 而火焰温度越高，热力型 NOx 的增加越显著［6--7］，烟气 温度超过 1500 ℃的情况下 NOx 对温度的升高变得极 为敏感，温度超过 2000 ℃时短时间内便会产生大量热 力型 NOx ［8--9］． 扩散式分段燃烧是指在燃烧区域，使空气和燃料 在燃烧行程的不同部位供给参加燃烧，导致当地燃料 与空气分级配比不均衡，在降低燃烧火焰温度的同时 抑制 NOx 生成，实现降低 NOx 排放的燃烧技术［10--11］; 扩散式分段燃烧由于碳氢化合物的高温裂解，形成碳 颗粒，使得火焰辐射能力大大增强，烟气温度降低，减 小排烟热损失，同时降低燃烧火焰温度，实现均匀化燃 烧［12］． 本文根据扩散式分段燃烧的均匀燃烧理论设 计了辐射管三级燃烧器，运用正交试验手段研究该燃 烧器的结构及运行参数对 NOx 排放的影响及显著性， 在正交试验的基础上，对显著影响三级燃烧器 NOx 排 放性能的因素进行进一步的研究，旨在为工业辐射管 燃烧器的研究和运行提供参考． 1 模型建立 图 3 三级燃烧器及管体网格划分 . ( a) 燃烧器网格示意图; ( b) 辐射管整体网格示意图 Fig． 3 Grid partition of the three-stage burner: ( a) mesh generation of the burner section; ( b) whole mesh generation of the radiant tube 1. 1 物理模型 双 P 型辐射管及三级燃烧器如图 1 和图 2 所示． 该辐射管燃烧器的基本工作过程如下: 一次空气( 3) 与一次燃气( 9) 在燃烧室( 4) 燃烧，火焰由燃烧室喷口 ( 8) 喷出卷吸二次燃气( 6) 与二次空气( 5) 进行燃烧， 由于燃烧室喷出的高速气流会卷吸循环支管的烟气， 从而会稀释二次空、燃气，使得燃烧温度降低，火焰继 续前行并与三次燃气喷口( 7) 的燃气相遇继续燃烧． 整个辐射管管长 6750 mm，中心管直径为 244 mm，支管 管直径为 186 mm，中心管与支管中心距为 406 mm． 1. 2 网格划分 该物理模型为对称结构，本文对其采用 1 /4 模型 图 1 双 P 型辐射管示意图( 单位: mm) Fig． 1 Schematic diagram of the double-P type radiant tube ( unit: mm) 图 2 三级燃烧器示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the three-stage burner 建模，对辐射管及燃烧器网格划分，由于燃烧器处结构 复杂，进行网格加密处理，其余部分采用结构化网格， 网格经独立性检验，数量从 100 万增加到 300 万，计算 显示出口 NOx 浓度仅有 3. 5% 变化率，说明网格具独 立性，具体如图 3 所示． 本文选取网格数为 150 万个， 网格扭曲度 95% 在 0. 5 以下． 1. 3 基本假设 辐射管及燃烧器内燃烧是一个复杂的热过程，包 括流动、燃烧化学反应以及传热． 为了能够较准确地 模拟辐射管管内的热过程，本文对使用的数学模型进 行以下假设: ( 1) 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; ( 3) 因辐射管 管壁金属导热良好忽略其导热热阻． 1. 4 数学模型 1. 4. 1 流场和温度场求解 采用 FLUENT 软件进行求解，控制方程包括连续 性方程、动量方程和能量守恒方程，以及计算湍流的 k--ε 模型; 计算化学反应的非预混燃烧模型组分传输 模型［13］和计算辐射的离散坐标( DO) 辐射模型［14］，具 体如下． · 8641 ·