高辐射覆层技术应用于焦炉燃烧室的数值模拟研究

周惠敏1，张浩2，严文福3，罗时政4，刘成雷4，陈昌华4，李亮1，王远成2

(1．山东慧敏科技开发有限公司，济南，中国，250100；2．可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，济南中国，250101；3．安徽工业大学，马鞍山，中国，243032；4．山东钢铁股份有限公司济南分公司，济南，中国，250001)

摘 要：本文研究微纳米高辐射覆层对焦炉燃烧室燃烧和传热过程的影响，建立了焦炉燃烧室内部的质量、动量和能量传递的数学模型和物理模型，并使用CFD软件对焦炉燃烧室三维燃烧过程进行了数值模拟。基于模拟结果分析燃烧室立火道内的速度场、温度场和炉墙的温度分布，并且对比分析了微纳米高辐射覆层对焦炉燃烧室传热过程的影响。模拟结果表明涂覆覆层后提高了炉墙表面的黑度，降低了立火道内烟气与炉墙之间的换热热阻，强化了火焰与炉墙表面之间的换热，使得火焰携带热量更易于传递到炭化室，同时焦炉燃烧室立火道内流速还更加均匀化，降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。该技术有助于提高焦炉的产能，优化焦炉的运行。

关 键 词：微纳米高辐射覆层；焦炉燃烧室立火道；辐射换热；数学模型

1 引言

焦炉是一种复杂的工业炉，既是高温化学反应器，又是庞大而复杂的热工设备。它主要部分为炭化室、燃烧室和蓄热室组成。炭化室是焦炉生产的主体部分，燃烧室和蓄热室是焦炉的加热系统，每个燃烧室又包括一定数量的立火道，其中每两个立火道作为一对，组成一个气体通路，其两端分别和下面的蓄热室相连。煤气和空气在众多的燃烧室立火道内混合燃烧，通过炉墙将热量传递给炭化室中的煤料，使之逐渐焦化而成为焦炭。为使炭化室均匀加热和充分利用废气余热，定时改变废气流向，通过蓄热室来加热进入燃烧室的空气和煤气。

本文研究微纳米高辐射覆层对焦炉燃烧室燃烧和传热过程的影响，根据燃烧室烟气与炉墙的换热以及焦炉煤气燃烧的能量变化之间的平衡关系，建立了燃烧室内部的质量、动量和能量传递的数学模型，并使用CFD软件对焦炉燃烧室进行数值模拟。重点对8号焦炉(有覆层)和9号焦炉(无覆层)的燃烧室的速度场、温度场的变化和炉墙的温度变化进行了定量分析。

2 燃烧室的数学模型和物理模型

2．1 燃烧室的物理模型和网格划分

本文以济钢焦化厂8#、9#焦炉的燃烧室为研究对象，8#焦炉于2009年9月1日点火烘炉，12月7日投产，9#焦炉于2009年7月27日烘炉，11月17日投产。炉型为JN60型2×60孔。8#焦炉为国内应用山东慧敏科技开发有限公司的专利技术：“高辐射覆层技术”，在焦炉砌筑过程中位于61×32个立火道内和蓄热室格子砖上部涂覆了高辐射覆层的“杰能王”节能涂料。为了进行对比试验，9#焦炉没有采用该项技术[1-3]。

为便于研究立火道的燃烧传热，由于对称性，不必研究每一个燃烧室的所有火道，只从中挑选一对火道作为研究对象，而该结果可以推广适用于其它任何火道。燃料(焦炉煤气)和空气从火道底部由喷咀处喷入，在入口处混合，开始燃烧，最终和所有的立火道墙面接触，并且燃料完全燃烧，废气经过跨越孔到另一个火道，从其底部流到蓄热室，再经过烟囱送到大气中去。本文建立的焦炉燃烧室的物理模型如图1所示。对求解域的离散采用六面体结构化网格，网格总数约80万，其网格划分如图2所示。

2．2 燃烧室的数学模型

在建立火道燃烧传热模型之前首先要做些假设：

(1)焦炉生产操作正常，调火正常，则不同的燃烧室及炭化室的热状态是周期性变化的。

(2)认为立火道的墙表面是灰体。

(3)在火焰燃烧辐射传热中，认为只有二氧化碳和水蒸汽是辐射物质。其它的气体物质认为是没有辐射作用的。

(4)燃料在火道内的燃烧是迅即完成的，即燃烧速度比热传导速率要大的多。

(5)忽略燃烧室气体换向的影响。

因此建立描述燃烧室内流动、燃烧和传热传质现象的控制方程组如下[4-6]；

连续性方程

式中，ρ为流体密度，kg／m3；ui为i方向速度，m/s。

式中：方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，kg／(m·s)；Gb是由浮力产生的湍流动能，kg(m．s)；YM是由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动，kg／(m·s)；k是湍动能，m2／s；ε是湍动能耗散率，m2／s；Cε=0．07～0．09，C１ε=1．41～1．45，C2ε=1．9～1．92。

式中：a为吸收系数，σ5为散射系数，G为入射系数。

2．3 数学模型的定解条件和求解

2．3．1 定解条件

数学模型的求解需要设定焦炉燃烧室进口和出口边界条件。空气入口，设定质量流量和初始温度；焦炉煤气入口，设定质量流量和初始温度，焦炉煤气的充分请见表1[1]。废气出口，采用压力出口边界。

2．3．2 模型的求解

数学模型的求解采用了全隐式的耦合求解，收敛更加稳定且速率更快。对流项，扩散项分别运用二阶精度迎风格式以及形状函数完成离散。离散所得代数方程组通过基于多重网格技术的矩阵分解算法进行求解，计算精度为相对误差小于10-4[5]。

3 计算结果与分析

3．1 燃烧室立火道流场分布的比较

焦炉燃烧室立火道中心截面的流场分布如图3所示。从图中可以看出除了在空气入口处和煤气入口处流速比较大之外，在其它位置烟气流分布比较均匀，没有出现局部的高速度再循环流。立火道内烟气流的分布影响烟气与炉墙的热传递、炉墙磨损等，而烟气流的停留时间影响废气的排放温度。在立火道内，烟气被冷却，炉墙被加热，高温烟气位于烟道中部不与炉壁接触，辐射是主要的热传递方式。通过对比未涂覆高辐射覆层的立火道(8#焦炉)和涂覆高辐射覆层的立火道(9#焦炉)的流场分布可知：涂覆高辐射覆层后，立火道内中间截面的流速的峰值略低于未涂覆覆层的立火道(9#焦炉)，但流速的平均值变化幅度略小。这说明涂覆覆层后：焦炉燃烧室立火道内流速更加均匀化，同时增加了烟气在立火道内的停留时间，因此增加了烟气与炉墙之间的换热时间，降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。

3．2 燃烧室立火道温度场分布的比较

立火道中心截面的温度分布如图4所示。从图中显示，在火焰中心的辐射对流作用下，其周围气体温度相对比较高，随着流动过程进行，气体通过隔墙散热(即为炭化室供热)，其温度会逐渐降低。同时，靠近加热点附近的气体局部温度相对较高，这是由于受到底部加热点火焰辐射的作用。通过对比未涂覆高辐射覆层的立火道(8#焦炉)和涂覆高辐射覆层的立火道(9#焦炉)的温度分布可知：涂覆高辐射覆层后，立火道内火焰的中心温度和平均温度均低于未涂覆覆层的立火道(9#焦炉)。这说明涂覆覆层后降低了立火道内烟气与炉墙之间的换热热阻，增加了两者之间的辐射换热系数，因此强化了火焰与炉墙表面之间的换热，使得火焰携带热量更易于传递到炭化室，同时还降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。

3．3 燃烧室立火道炉墙温度分布的比较

燃烧室立火道炉墙表面的温度分布如图5所示。从图中显示，沿着炉墙高度方向表面温度先迅速上升达到最大值，然后逐渐降低，最后基本趋于定值。通过对比未涂覆高辐射覆层的炉墙表面温度的分布(8#焦炉)和涂覆高辐射覆层的炉墙表面温度分布(9#焦炉)可知：涂覆高辐射覆层后，立火道炉墙表面温度的最大值和平均值均高于未涂覆覆层的立火道炉墙表面温度(9#焦炉)。这说明涂覆覆层后增加了立火道内烟气与炉墙之间的辐射换热系数，强化了火焰与炉墙表面之间的换热。由于吸热快提高了炉墙吸热能力，故增加了传热量，提高传热推动力。同时两个立火道之间的隔墙涂覆高辐射覆层后，有利于立火道与炭化室的炉墙吸热。使得火焰携带热量更易于传递到炭化室，同时还降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。

4 结论

本文基于焦炉燃烧室燃烧和传热过程的特点，建立了焦炉燃烧室内部的质量、动量和能量传递的数学模型和物理模型，对焦炉燃烧室三维燃烧过程进行了数值模拟。分析燃烧室立火道内的速度场、温度场和炉墙的温度分布，并且对比分析了微纳米高辐射覆层对焦炉燃烧室传热过程的影响。主要结论如下：

(1)涂覆高辐射覆层使得焦炉燃烧室立火道内流速更加均匀化，同时增加了烟气在立火道内的停留时间，因此增加了烟气与炉墙之间的换热时间，降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。

(2)涂覆高辐射覆层后提高了炉墙表面的黑度，降低了立火道内烟气与炉墙之间的换热热阻，强化了火焰与炉墙表面之间的换热，使得火焰携带热量更易于传递到炭化室，同时还降低了废气排放的温度，从而达到了提高焦炉热工效率、降低炼焦耗热量并节约煤气的效果。

参 考 文 献：

[1]   周惠敏，罗时政，严文福．焦炉应用高辐射覆层节能涂料的研究．全国能源与热工2010年会：442—445．

[2]   严文福，郑明东．焦炉加热调节与节能[M]．合肥：合肥工业出版社出版，2005．

[3]   王晓婷，刘成雷，严文福，周惠敏．高辐射覆层节能涂料的焦炉应用[J]．冶金能源，2012．31(6)：38—41．

[4]   金珂，冯妍卉，张欣欣等．耦合燃烧室的焦炉炭化室内热过程的数值分析[J]．化工学报，2012，63(3)：788—795．

[5]   张安强，冯妍卉，张欣欣等．焦炉燃烧室—炭化室热过程数值模拟及解耦算法[J]．化工学报，2012，63(2)：455—462．

[6]   金珂，冯妍卉，张欣欣等．耦合分级燃烧的大容积焦化过程仿真[J]．中国电机工程学报．32(35)：13—20．