對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內(nèi)溫度分布的數(shù)值模擬

孫陽，柴躍生，侯冰洋，張敏剛

（1．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；2．山西省鎂及鎂合金工程技術(shù)研究中心，山西太原030024；3．山西龍鎂偉業(yè)科技有限公司，山西太原030002）

·鑄造工藝·

對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內(nèi)溫度分布的數(shù)值模擬

孫陽1,2，柴躍生1,2，侯冰洋3，張敏剛1,2

（1．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；2．山西省鎂及鎂合金工程技術(shù)研究中心，山西太原030024；3．山西龍鎂偉業(yè)科技有限公司，山西太原030002）

簡要介紹了HTAC技術(shù)和數(shù)值模擬方法在燃燒過程研究中的應(yīng)用。針對HTAC燃燒機制的基本特征，建立了輻射傳播數(shù)學(xué)模型，并運用流體力學(xué)軟件FLUENT對HTAC燃燒機制下金屬鎂還原罐內(nèi)的溫度分布進行了數(shù)值模擬，研究了HTAC技術(shù)的特點，驗證了其應(yīng)用于煉鎂生產(chǎn)中的優(yōu)勢。

HTAC；數(shù)值模擬；金屬鎂還原罐

進入21世紀，資源與環(huán)境問題已成為人類可持續(xù)發(fā)展所關(guān)心的首要問題。鎂及鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好,尺寸穩(wěn)定性、切削加工性好和易于回收等優(yōu)點，被譽為“21世紀綠色工程結(jié)構(gòu)材料”［1］，正被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

我國是金屬鎂的資源大國，也是鎂的生產(chǎn)大國，其鎂產(chǎn)量居世界首位。目前我國的煉鎂方法主要是熱還原法，即用硅作還原劑把煅燒后白云石中的鎂加熱還原出來，反應(yīng)式為傳統(tǒng)的金屬鎂還原爐排煙溫度很高，且得不到較好的回收，造成熱量浪費嚴重，導(dǎo)致能耗居高不下［2］。因而，開發(fā)高效、節(jié)能的煉鎂新工藝顯得尤為重要。

1 HTAC技術(shù)

高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion，簡稱HTAC）技術(shù)，是20世紀90年代以來國際燃燒領(lǐng)域開發(fā)并得到大力推廣應(yīng)用的一項全新型燃燒技術(shù)。它通過蓄熱體極限回收煙氣余熱并將助燃空氣預(yù)熱到1 000℃以上，即使是熱值很低的燃料也能實現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒［3］。

HTAC技術(shù)若應(yīng)用于金屬鎂還原爐，既可以節(jié)能降耗，又不降低出爐膛煙氣的溫度，無疑是一條解決鎂還原能耗問題的捷徑。該技術(shù)的主要特征是：

1）采用蓄熱室式煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣，使之流經(jīng)蓄熱體，能夠在最大程度上回收高溫?zé)煔獾娘@熱；

2）將燃燒空氣預(yù)熱至800℃～1 200℃，形成與傳統(tǒng)火焰（諸如擴散火焰與預(yù)混火焰等）迥然不同的新型火焰類型，創(chuàng)造出爐內(nèi)優(yōu)良的溫度場分布，同時，由于助燃空氣達到了很高溫度，燃料的著火和穩(wěn)定燃燒條件得到極大改善，容易形成穩(wěn)定燃燒的條件；

3）通過組織低氧或貧氧狀態(tài)下的燃燒，不僅避免了通常情況下，高溫?zé)崃Φ趸颪OX的大量生成，而且在此基礎(chǔ)上，進一步大大降低了NOX生成與排放。因此，這項技術(shù)在實際應(yīng)用中，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益［4］。

2 數(shù)值模擬在燃燒過程研究中的應(yīng)用

在數(shù)值模擬研究方法被引入燃燒過程的研究以前，燃燒理論和燃燒系統(tǒng)的研制主要依靠理論分析、大量試驗和傳統(tǒng)的經(jīng)驗、半經(jīng)驗設(shè)計方法進行，這些方法至今仍有著重要的價值。但隨著燃燒工藝技術(shù)和相關(guān)科技的發(fā)展，隨著激烈市場競爭對工藝優(yōu)化的要求，傳統(tǒng)的研究方法已不能適應(yīng)新形勢發(fā)展的需要。電子計算機的出現(xiàn)到普及，以及現(xiàn)代數(shù)學(xué)的迅速發(fā)展，使得數(shù)值方法模擬燃燒系統(tǒng)中的流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等過程已成為可能。利用計算機技術(shù)和相關(guān)服務(wù)性軟件，依靠數(shù)值模擬已成為燃燒過程研究的重要手段之一［5］。

數(shù)值模擬的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）提高對某些過程的基本現(xiàn)象、反應(yīng)機理、控制性環(huán)節(jié)的認識，為改善工藝過程和操作提供依據(jù)；

2）探索工藝過程各參數(shù)的變化規(guī)律及他們之間的定量關(guān)系，以優(yōu)化工藝和實現(xiàn)對工藝過程的自動控制；

3）對規(guī)劃和設(shè)計實驗室、中間規(guī)?；?qū)嵨镆?guī)模的實驗提供指導(dǎo)；

4）對新設(shè)計工藝技術(shù)的可行性和靈活性作出準確的估計；

5）在一定條件下，可替代中間試驗或現(xiàn)場實物的開發(fā)性試驗，以節(jié)省費用、加大開發(fā)進度。

在HTAC燃燒加熱過程中，輻射換熱占總換熱的90%以上［7］，因此在對HTAC過程的?；?，輻射源項的處理尤為重要。而輻射傳播方程構(gòu)成了輻射傳播的中心內(nèi)容，是研究輻射能量在介質(zhì)空間中傳播的基礎(chǔ)。輻射傳播方程表示的是單色入射輻射強度為Iλ在S方向上的空間立體角dΩ中隨傳播距離S的變化率：

式中：Ka，λ和Ks，λ分別為介質(zhì)在輻射波長λ下的單色吸收系數(shù)和散射系數(shù)，由溫度來決定；下標λ表示單色波長。

式中：σ——玻耳茲曼常數(shù)；

Eb——黑體輻射力。

由于溫度分布取決于能量的平衡，其中包括輻射傳播的能量，因而，輻射傳播方程需與能量方程聯(lián)立求解。文獻［8］等運用蒙特卡洛法對高溫空氣燃燒中的輻射換熱過程進行計算，取得了較好的結(jié)果。為了盡量精確地模擬工程實際，故采用蒙特卡洛法模擬HTAC中的輻射換熱過程［9］。

數(shù)學(xué)模型建立后，使用數(shù)值模擬的方法來進行研究還需要用流體力學(xué)軟件FLUENT完成以下工作：

1）研究對象幾何模型的建立，確定計算區(qū)域；

2）數(shù)字化幾何模型的離散，即劃分網(wǎng)格；

3）對所建立的數(shù)學(xué)模型，包括傳輸方程和代數(shù)方程，進行方程離散；

4）在所劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對離散化后的方程進行迭代求解。其中需要確定迭代步數(shù)、迭代方法、迭代收斂標準等；

5）對求解所得的結(jié)果進行處理，以獲取所需的定性圖片和定量數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬的計算結(jié)果與分析

圖1 應(yīng)用HTAC技術(shù)的鎂還原罐溫度分布曲線圖

利用流體力學(xué)軟件FLUENT可以得到如下所所示的各種定性圖片（圖1～圖3）。由圖4可以看到，HTAC燃燒機制下的鎂還原罐內(nèi)并沒有傳統(tǒng)燃燒方式所具有的明顯的火焰高溫區(qū)，還原罐內(nèi)的整體溫度分布在各個時刻都十分均勻，這樣既可以提高單罐的煉鎂產(chǎn)量，還可以降低噸鎂煤耗，并且能夠延長還原罐的使用壽命，極大程度的增加煉鎂企業(yè)的經(jīng)濟效益。

圖2 應(yīng)用HTAC技術(shù)的鎂還原罐在加熱55 min時刻的橫截面溫度分布圖

圖3 應(yīng)用HTAC技術(shù)的鎂還原罐的網(wǎng)格劃分圖

4 結(jié)論

通過對應(yīng)用HTAC技術(shù)的煉鎂還原罐內(nèi)的溫度分布進行數(shù)值模擬，得出了罐內(nèi)溫度在各個時刻都均勻分布的重要結(jié)論，驗證了HTAC技術(shù)在節(jié)能減排方面的突出優(yōu)勢，為煉鎂行業(yè)進一步引進和發(fā)展HTAC技術(shù)提供了示范與指導(dǎo)。此外，利用數(shù)值模擬技術(shù)來進行實際生產(chǎn)過程的分析，可以在很大程度上降低試驗成本，提高工作效率，且得出的結(jié)果一般都可以滿足熱工工程分析的要求。

［1］劉靜安.鎂合金加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與開發(fā)應(yīng)用前景［J］.四川有色金屬，2005（4）：1-10.

［2］陳振華.鎂合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：5-6.

［3］李宇紅，祁海鷹，苑皎，等．預(yù)熱溫度影響甲烷高溫空氣燃燒特性的數(shù)值分析［J］．工程熱物理學(xué)報，2001（6）：4.

［4］夏德宏，趙禹民.高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC）［J］.金屬世界，2002（2）：2-7.

［5］張會強，陳興隆，周力行，等.湍流燃燒數(shù)值模擬研究的綜述［J］.力學(xué)進展，1999，29（4）：567-572.

［6］潘飛.蓄熱式加熱爐熱過程數(shù)值模擬［A］.東北大學(xué)學(xué)位論文集［D］.沈陽：東北大學(xué)出版社，2006.

［7］Hsiao T C，Yoshikawa K等.Proceedings of Beijing Symposium on High Temperature Air Combustion［M］.Beijing：The Federation of Engineering Societies of Chinese Association for Science and Technology,1999：125-137.

［8］Blasiak W，Yang W H等.High Temperature Air Combustion,The Quest of Zero Emissions in Industrial Fumace［M］.Stockholm：International Flame Research Foundation and Swedish Flame Research Committee,2003：211.

［9］歐儉平.高溫空氣燃燒技術(shù)在冶金熱工設(shè)備上的應(yīng)用及數(shù)值仿真和優(yōu)化研究［A］.中南大學(xué)學(xué)位論文集［D］.長沙：中南大學(xué)出版社，2004.

Numerical Simulation of Temperature Distribution in Magnesium Reduction Can Under the HTAC Combustion Mechanism

SUN Yang1,2,CHAI Yue-Sheng1,2,HOU Bing-Yang3,ZHANG Min-Gang1,2
（1.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China；2.Mg&Mg-Alloy Eng.Tech.Research Center of Shanxi Province,Taiyuan 030024，China；3.Shanxi LongMei Cause Technology Co.,Taiyuan 030002，China）

HTAC,numerical simulation,magnesium reduction can

TG146.2

A

1674-6694（2010）04-0032-03

2010-06-23

孫陽（1985-），男，碩士研究生，研究方向：新材料的設(shè)計與優(yōu)化。

太原市科技項目（№20091081609）

Abstrcat:This paper briefly introduces the HTAC technology and numerical simulation method in the combustion process application.According to the basic characteristics of HTAC combustion mechanism,the radiation propagation mathematical model was established.Then using fluid mechanics software FLUENT to numerical simulate temperature distribution in magnesium reduction can under the HTAC combustion mechanism,researching the characteristics of HTAC technology,and the advantage of its application in the refining of magnesium in the production was verified.