徐钱等：分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 ·97· 炉中-].辐射管的燃烧产物不与被加热元件直接 烧，产生稳定火焰.高温烟气经过中心管、三通管、支 接触，便于控制炉内气氛和加热温度，可以防止加热 管与回流管后，一部分由烟气出口进人空气换热器，另 过程中金属的过热、过烧、脱碳和氧化，辐射管热处 一部分进入与正在燃烧的气体混合参与循环流动.整 理炉已日益成为生产高附加值产品不可或缺的热处 个辐射管管长6750mm,中心管径为244mm,支管管径 理设备[3) 为196mm,中心管与支管间距为406mm. 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 次 空 泛应用于钢铁、锌等的真空热处理炉、密封箱式多用炉 C回流管支管 三通管 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6-8].近些年辐射管在国内外热处理炉上的应用表 燃烧筒 中心管 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CO,和NO,的 1400 排放[9-)，研发性能优良的辐射管对节能减排具有重 图1双P型辐射管基本结构图（单位：mm) 要意义 Fig.1 Structure of a double P type radiant tube (unit:mm) 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[]，应用于工业的辐射管存在 1.2数学模型 的主要问题有：排烟温度相对较高，局部温度较高导致 1.2.1假设条件 管体内表面灼烧，氧化及燃烧器的损坏，沿管体长度方 辐射管内的热过程是一个复杂的热过程，其中包 向的温差形成较大热应力，燃烧产物中CO,和N0.的 括气体流动、燃料燃烧的化学反应以及传热过程.为 排放量较大.目前使用的U型和W型辐射管的温度 了能够比较准确地模拟辐射管管内的热过程，本文对 均匀性较差，N0,含量高，辐射管管体温度均匀性差会 使用的模型进行了以下假设： 导致辐射管应力增大，管体变形严重，直接影响辐射管 (1)假设流体为不可压缩流体，流动和燃烧状态 寿命].鉴于这些问题，急需从以下几个方面提高辐 稳定； 射管性能：降低排烟温度及提高空气预热温度，提高管 (2)燃气为天然气，辐射气体为C0,和H,0,且气 体表面温度的均匀性，降低管体的氧化及应变，研发高 体的辐射系数不受组分特性的影响 性能管体材质，减少烟气中C0,和N0,含量[).之前 1.2.2数学模型 的研究得出双P型辐射管及分区分级燃气辐射管的流 采用FLUENT软件进行求解，控制方程如下. 场、气体温度场、壁面温度场和传热特性的对比研究， 连续性方程： div(U)=0. 经计算可以发现，分区分级燃气辐射管在温度均匀性 (1) 方面更具有优势，而分区燃烧的气体可以采用空气也 N-S方程：x方向， 可以将燃气进行分区燃烧.本文将针对分区分级燃气 div(uU)=div(vgradu）)-⊥e (2) p dx 辐射管中分级的气体成分及分级比的影响状况进行研 究与分析，探究分区气体成分对辐射管性能的影响，通 y方向， 过改变支管通入气体成分，并改变主管和支管气体分 div(b)=div(vgradb)1ap (3) p av 级比例，得到分区气体成分和分级比对辐射管性能的 z方向， 影响规律5-6] div()=div(vgradw)-1 ip (4) 1模型建立 p dz k-E方程：k方程， 1.1物理模型 本节针对双P型燃气辐射管模型，建立对应的物 理模型、数学模型以及求解条件，通过数值计算，与现 (5) 场试验结果进行对比，验证模型的可靠性 8方程， 所研究的120kW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 div(pUs)=div [(+2)gm]+n.-cpg 置在烧嘴外围，加热二次风后再进入空气预热器.助 (6) 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 G表示切产生项表达式为6能（偿）徐 钱等: 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 炉中[1鄄鄄2] . 辐射管的燃烧产物不与被加热元件直接 接触,便于控制炉内气氛和加热温度,可以防止加热 过程中金属的过热、过烧、脱碳和氧化,辐射管热处 理炉已日益成为生产高附加值产品不可或缺的热处 理设备[3鄄鄄5] . 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鄄鄄8] . 近些年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鄄鄄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,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,急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,减少烟气中 CO2和 NOx 含量[14] . 之前 的研究得出双 P 型辐射管及分区分级燃气辐射管的流 场、气体温度场、壁面温度场和传热特性的对比研究, 经计算可以发现,分区分级燃气辐射管在温度均匀性 方面更具有优势,而分区燃烧的气体可以采用空气也 可以将燃气进行分区燃烧. 本文将针对分区分级燃气 辐射管中分级的气体成分及分级比的影响状况进行研 究与分析,探究分区气体成分对辐射管性能的影响,通 过改变支管通入气体成分,并改变主管和支管气体分 级比例,得到分区气体成分和分级比对辐射管性能的 影响规律[15鄄鄄16] . 1 模型建立 1郾 1 物理模型 本节针对双 P 型燃气辐射管模型,建立对应的物 理模型、数学模型以及求解条件,通过数值计算,与现 场试验结果进行对比,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 管与回流管后,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. 图 1 双 P 型辐射管基本结构图(单位:mm) Fig. 1 Structure of a double P type radiant tube (unit: mm) 1郾 2 数学模型 1郾 2郾 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 使用的模型进行了以下假设: (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郾 2郾 2 数学模型 采用 FLUENT 软件进行求解,控制方程如下. 连续性方程: div(U) = 0. (1) N鄄鄄 S 方程:x 方向, div(uU) = div(淄gradu) - 1 籽 鄣p 鄣x . (2) y 方向, div(bU) = div(淄gradb) - 1 籽 鄣p 鄣y . (3) z 方向, div(wU) = div(淄gradw) - 1 籽 鄣p 鄣z . (4) k鄄鄄着 方程:k 方程, div(籽Uk) = div [ ( 浊 + 浊t 滓 ) k gradk ] + 浊tGk - 籽着. (5) 着 方程, div(籽U着) = div [ ( 浊 + 浊t 滓 ) 着 grad着 ] + c1浊tGk 着 k - c2 籽 着 2 k . (6) Gk 表示剪切产生项,表达式为 Gk = 鄣ui 鄣x ( j 鄣ui 鄣xj + 鄣uj 鄣x ) i ,ui ·97·