蓄热式加热炉中温度场分析(修改稿)

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1、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

2、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NOX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

3、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1a)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

4、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1c)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。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

5、控制方程可统一写成如下形式：（1）式中r为密度；ui为速度分量；f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e，总焓h，气体混和分数f，燃气混和分数ffu及f的脉动量g共九个物理量；Sf为源项；Gf为有效扩散系数。具体的数学表达式如表1：表1Sf和Gf的数学表达式[6]方程fGfSf连续性方程100x方向的动量方程umey方向的动量方程vmez方向的动量方程wmek方程kme/ske方程eme/sef方程fme/sf0mfu方程mfug方程gme/sgh方程hme/sk式中的各源项分别为：（2）

6、（3）（4）4、结果与分析图2辅助面示意图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

7、/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助燃空气速度与炉温关系曲线图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

8、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。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]45505560最