蓄热式加热炉中温度场分析(修改稿)

蓄热式加热炉中温度场分析刘赵淼1郝海舟1叶红玲1马重芳2（1北京工业大学机电学院北京100022）（2北京工业大学环能学院北京100022）摘要：蓄热式高温空气燃烧技术具有高效节能，低污染物排放等特点。

本文以一套实际用蓄热式加热炉为物理模型，数值分析了加热过程中燃气速度、助燃空气速度、助燃空气预热温度以及助燃空气中氧含量对加热炉中钢坯附近区域温度场分布的影响，得出了这些因素对加热炉中钢坯位置附近温度的影响情况与影响规律。

研究结果将为蓄热式加热炉在我国的推广与设计提供技术参数和参考模型。

关键词：蓄热式加热炉，温度场，数值分析1、引言蓄热式高温空气燃烧技术，是一种新型的高效低污染燃烧技术。

通过将助燃空气温度预热到800℃以上，稀释氧含量使其低于10%，从而达到节约燃料、提高热效率、降低NO X 排放和减少设备尺寸的效果[1]。

目前蓄热式高温空气燃烧技术已经广泛的应用到了工业炉领域。

蓄热式加热炉是将蓄热式高温空气燃烧技术运用到了加热炉中的一种新型的炉型，该炉型具有高效节能低污染的特点，可以有效解决我国目前加热炉高耗低效、污染排放严重的局面[2]，是目前与今后很长时间内加热炉的发展方向。

炉膛中的温度高低与分布是加热炉的一项重要指标，加热炉的作用是给钢坯加热，而炉膛中温度高低与温度分布是钢坯能否达到加热程度与加热效果的重要表现。

本文对一套实际工业炉[3]炉膛中加热钢坯附近区域的温度场进行了分析，研究了燃气速度、助燃空气速度、助燃空气预热温度、助燃空气中氧含量等对温度场的影响。

2、几何模型图1 a)所示为日本钢管公司福山热轧厂的230t/h步进式加热炉[3]，尺寸为31.0m×8.3m ×4.4m，加热炉中间为加热钢坯层，钢坯由下面的传送系统控制其在加热炉中的运动。

可以简单的将加热炉分为两层，在该模型中，取上下两层高度都为 2.2m，该模型大致可分为四个区域，分别为第一预热区、第二预热区、加热区以及均热区四个区域。

烧嘴都采用侧置，两侧上下共28对烧嘴[4]。

由该加热炉中烧嘴上下对称的分布特点，为了节省计算时间和减小计算量，计算将从四个区域中任取两侧上下四个烧嘴所构区域作为研究对象，如图1b)所示。

几何模型中的烧嘴结构如图1 c)所示，是HRS型燃烧器[5]，中心为空气射流喷口，燃料喷口对称布置在两侧对角线上一定距离处。

3、数学模型根据燃料与氧化剂分开供入的特点，可以认为燃烧按照扩散燃烧方式进行。

在直角坐标系中，描述各物理现象的控制方程可统一写成如下形式：φφφφρS x Γx u x jj j j +∂∂∂∂=∂∂)()( （1）式中ρ为密度；u i 为速度分量；φ为通用变量，可分别表示湍流流动的速度u ，v ，w ，湍动能k ，湍动耗散能ε，总焓h ，气体混和分数f ，燃气混和分数f fu 及f 的脉动量g 共九个物理量；S φ为源项；Γφ为有效扩散系数。

具体的数学表达式如表1：表1 S φ和Γφ的数学表达式[6]式中的各源项分别为：a) 加热炉物理模型b) 计算所用模型 c) 烧嘴示意图图1 相关模型示意图⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=ij j i ji eK x u xu x u G μ（2）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=222z f y f x f G e g μ（3）()⎪⎪⎭⎫⎝⎛ΩΩ-=⎰=Ωπσ44,414d r I T k R a rad（4）4、结果与分析数值分析助燃空气预热温度、助燃空气速度、燃气速度和助燃空气氧含量这四种因素对加热炉中钢坯附近区域中温度的影响。

在几何模型中相邻两个烧嘴之间做一个辅助面，通过对辅助面上温度分布的研究达到对炉膛中钢坯周围温度分布的研究。

图2为该板在炉膛中所处位置的示意图，该辅助面正好处在相邻两个烧嘴的燃烧火焰相交的位置，也同时为所要加热的钢坯位置。

4.1 助燃空气速度对温度分布特性的影响为了分析助燃空气的流速对温度分布的影响，对助燃空气取四种不同的速度，分别为45m/s 、50m/s 、55m/s 和60m/s 。

烧嘴间距为2.0m ，空气预热温度为1323K ，氧含量为4%，燃气速度为90m/s ，对炉壁做绝热假设。

图3为助燃空气速度与辅助面温度关系曲线图。

辅助面位置处最高温度和平均温度都随助燃空气速度的增加而增大，并且在最高温度与平均温度增大的同时，二者的差值也基本保持为一定。

四种工况的温度分布都比较均匀，在辅助面中间的大范围区域中温度基本保持在各自的高温段，并且变化幅度也较小，只有在辅助面的两侧温度才有比较明显的降低。

这里所提到的辅助面两侧与加热炉炉壁接近，钢坯不会在这个区域中进行加热，所以单从高温区域和均匀范围来说，这几种结果都很好。

表2所示为四种不同工况下的最高温度与平均温度的列表。

可以明确地看出，随着助燃空气速度的增加，辅助板上的最高温度与平均温度值也都随之逐渐增大；并且钢坯附近的温度分布比较均匀，能很好的满足钢坯的加热要求。

图2 辅助面示意图图3 助燃空气速度与炉温关系曲线表2 不同速度助燃空气下计算结果在辅助面上温度的特征值 [K]4.2 燃气速度对温度分布特性的影响为了分析燃气速度对加热炉温度分布的影响，共做了四组数值试验，分别为：85m/s ，90m/s 、95m/s 、100m/s 四种情况。

燃烧嘴间距为2.0m ，助燃空气预热温度为为1323K ，氧含量为4%，空气流速为50m/s ，炉壁为绝热假设。

表3所示为四种不同工况下的最高温度与平均温度的列表，给出了钢坯附近的一些温度分布特性。

当燃气速度在范围85m/s ～100m/s 时，随着燃气速度的增加，加热炉中的最大值与平均值都在减小，并且最大值与平均值之差都基本上保持在100 K 左右。

表3 不同燃气速度下计算结果在辅助面上温度的特征值[K]图4为燃气速度与辅助面上温度关系曲线图。

辅助面上最高温度与最低温度都随燃气速度的增大而减小，并且这种变化关系很稳定。

随着燃气速度的增加，钢坯附近区域温度逐渐减小，并且每种工况下温度分布在很大范围中都很均匀，这个范围基本上可以覆盖被加热钢坯区域。

4.3 不同预热温度对温度分布特性的影响考虑助燃空气预热温度对加热炉燃烧特性的影响，主要研究单预热（助燃空气预热），共做了4组数值试验，分别为1250K 、1300K 、1350K 、1400K 。

燃烧嘴间距为2.0m ，空气流速为50m/s ，氧含量为4%，炉壁为绝热假设，燃气速度为90m/s 。

表4为四种不同预热温度下的一些温度计算特征值。

可以很确切地看出，随着预热温度的增加，加热炉中最高温度与平均温度都在逐渐减小，最大值与平均值之差基本上保持在100K 左右，从差值小这个特征也可以得出辅助面附近较均匀的温度分布。

表4 不同空气预热温度下计算结果在辅助面上温度的特征值 [K]图4 燃气速度与炉温关系曲线图5为辅助面上最高温度与平均温度随空气预热温度变化的曲线图。

最高与平均温度都随预热温度的增加而减小，这种变化规律很稳定，并且它们的差值也比较稳定，基本保持不变。

随着预热温度的增加，燃烧炉中钢坯附近的温度最大值与平均值都在逐渐减小，并且钢坯位置附近的温度分布也都很均匀。

4.4 助燃空气中氧气含量对温度分布的影响研究助燃空气中氧含量对加热炉温度分布特性的影响，共对四种不同的氧气浓度做了数值试验，对应的氧含量分别为2%、4%、8%、12%。

其它边界条件为：烧嘴间距为2.0m ，空气流速为50m/s ，氧含量为4%，预热温度为1323K ，炉壁为绝热假设，燃气速度为90m/s 。

表5为助燃空气中不同氧含量计算结果所对应的辅助面上的温度特征值。

可以明显地看出，随着氧含量的逐渐增加，辅助面上的最高温度与平均温度都逐渐增加，但最高与平均温度之差基本保持不变，都保持在120 K 左右。

表5 不同氧气浓度的计算结果在辅助面上温度的特征值 [K]图6为助燃空气中氧含量与炉温关系曲线图。

辅助面上最高温度与平均温度都随着助燃空气中氧含量的增加而增大，从分别代表最高温度与平均温度的曲线平行走势，也可以看出，最高与平均温度之差基本保持不变。

由上述分析可得，随着助燃空气中氧含量的增加，加热炉中最高温度与平均温度值也都随之逐渐增大，并且辅助面的温度分布比较均匀，能很好的满足加热炉中钢坯的加热要求。

5、结论本文数值研究了蓄热式加热炉[3]中钢坯附近的温度场分布。

在高温低氧情况下，通过调节助燃空气预热温度、助燃空气速度、助燃空气中氧含量以及燃气速度，可以使燃烧炉中温度场分布均匀，平均温差基本稳定，达到规定的工艺温度要求。

另外，燃烧炉中燃料燃烧充图5 预热温度与炉温关系曲线图6 助燃空气中氧含量与炉温关系曲线分，有效地节约了燃料，并提高了热效率。

研究结果进一步表明，蓄热式高温空气燃烧技术有助于节约能源，减少环境污染，值得大力推广应用。

参考文献1 饶文涛. 高温空气燃烧技术. 工业加热，2003; 6: 1-42 罗国民，温志红，张少忠等. 蓄热式燃烧技术在工业炉上的应用与分析. 节能. 2005, 4:33-353 M. Uede, K. Tanaka. The Optimization for the Reheating Furnace with the Technique of the HighlyPreheated Air Combustion. Proceedings of 2000 international Joint Power Generation Conference Miami Beach, Florida, July, 20004 Y. Suzukawa. Regenerative burner heating system. Proceeding of High Temperature Air CombustionSymposium. Beijing, Oct, 1999: 169~1805 Company samia s r l. Environment as Investment by the Use of HRS System. Proceeding of the 4thInternational Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification. Editor: ENEA of Italy, 2001, 106 范维澄，万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算.中国科学技术出版社,1992,第六章The Analysis of Temperature Distribution in Regenerative FurnaceZhaomiao LIU1, Haizhou Hao1, Hongling YE1, Chongfang Ma2(1 College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology,Beijing 100022, China)(2 College of Environmental & Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)Abstract: Regenerative high temperature air combustion is a hot point of research in industrial furnace field at present and in the future, which could save energy and decrease emission of pollutant. In the paper, an industrial heating furnace model is selected as the physics model, the influence of air velocity, air preheating temperature, oxygen concentration and fuel velocity on temperature distribution in vicinity of billet are analyzed separately. The analysis results would provide the reference for the design or reform of present heating furnace.Keywords: regenerative furnace, temperature distribution, numerical simulation。