推鋼式加熱爐內(nèi)煤燃燒的傳熱及離散相模擬研究

王 晶

（商洛學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000）

鋼鐵工業(yè)是全球能源的主要消費行業(yè)之一。它們主要依靠不可再生能源用于加熱鋼鐵熔煉爐[1-3]。鋼坯在進入軋鋼廠進行進一步加工之前，在再結晶溫度以上進行加熱。在亞洲發(fā)展中國家煤炭是主要的能源來源，大多數(shù)加熱爐使用煤炭作為燃燒燃料[4-5]。但煤是一種不可再生的能源，也是最具污染性的燃料之一，因其在燃燒過程中會產(chǎn)生了煙塵和灰燼微粒、碳、氮和硫的氧化物[6-7]。因此，研究煤的燃燒過程以及由此產(chǎn)生的熱傳遞到鋼坯的過程，對于其在加熱爐中的最佳使用是至關重要的。

由于目前實驗研究中存在著大量的困難，因此本文采用數(shù)值模擬的方法將實際的瞬態(tài)問題是轉(zhuǎn)化為爐內(nèi)穩(wěn)態(tài)燃燒與瞬態(tài)耦合的熱擴散問題。三維穩(wěn)態(tài)反應流利用ANSYS Fluent 15.0 對推料器進行了數(shù)值模擬。煤燃燒的兩步整體反應機理用于確定鋼坯的流量分布。采用用Matlab編寫擴散代碼。這種耦合在燃燒之間模擬和擴散在鋼坯中重復多次，直到實現(xiàn)了合理的收斂。最后模擬結果與目前工業(yè)實際數(shù)據(jù)進行對比驗證，確定模擬結果的真實可靠性。

1 數(shù)值模擬

如圖1所示，由于爐壁形狀、鋼坯插入和三個軸向環(huán)形燃燒器陣列的存在，推進式加熱爐的幾何結構非常復雜，煤-空氣混合物通過這些燃燒器進入爐內(nèi)[8-9]。煙氣從爐底的兩個出口向后端排出。鋼坯從后端插入，朝著與熱燃燒氣體流動相反的方向移動。鋼坯通過滾筒間歇和瞬間向前輸送，每個位置的停留時間為337.5 s，最后通過側壁上的一個小卸料門推出熔爐。為了保持簡單性，不損失數(shù)值模擬的精度，將卸料門和輥排除在模型之外。

在ANSYS ICEM采用結構化網(wǎng)格對加熱爐的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，對進出口采用O 型網(wǎng)格進行網(wǎng)格優(yōu)化處理，圖2為加熱爐的加熱爐網(wǎng)格模型。

圖1 加熱爐幾何模型

圖2 加熱爐網(wǎng)格模型

2 結果與討論

2.1 溫度場

圖3為加熱爐內(nèi)溫度場和鋼坯溫度場，可以燃燒器進口處有一個明顯的低溫區(qū)域，這主要是因為燃料剛進入爐體內(nèi)還未充分燃料此時溫度比較低，燃料通過加熱區(qū)溫度達到最高。從對應的鋼坯溫度場可以看出鋼坯頂端的溫度最高（1 400 K），隨著逐漸進入預熱冷卻區(qū)鋼坯的溫度逐漸降低，鋼坯末端溫度為400 K。

圖4所示為鋼坯軸向溫度變化和散射圖，可以看出在鋼坯頂部表面的溫度較高，這主要是因為氣流從鋼坯表面掠過表面直接跟燃燒室直接接觸溫度較高，而鋼坯的中部及底部主要靠頂部的熱傳導溫度略微低于頂部溫度，而在鋼坯與爐底接觸的表面因為爐底與室外空氣直接接觸，熱擴散的速率較快，因此在進入鋼坯末端時溫度迅速下降。

圖3 溫度云圖

圖4 鋼坯軸向溫度變化和散射圖

圖5為鋼坯表面溫度的模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比曲線圖，從圖中可以看出模擬結果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合可以驗證模擬結果的基本可靠性。

圖5 鋼坯表面溫度模擬與實驗數(shù)據(jù)對比

2.2 速度場

圖6為加熱爐內(nèi)速度場云圖，從圖中可以看出燃料口噴出的燃料煤粉迅速向整個爐體擴散，進口處速度達到40 m/s 以上，在進入加熱區(qū)速度基本維持在18～24 m/s。圖7為煤粉顆粒運動軌跡圖，可以看出煤粉顆粒與速度場規(guī)律分布基本相同，但可以看出從進口噴出的煤粉顆粒會在中心軸兩側形成回流，這樣可以使得煤粉在進入加熱區(qū)前進行充分混合燃燒。

圖6 速度云圖

圖7 煤粉顆粒運動軌跡圖

3 結 論

采用計算流體力學軟件ANSYS FLUENT對推鋼式加熱爐內(nèi)煤粉燃燒的溫度場、速度場及煤粉運動軌跡進行模擬分析，計算結果與實驗的數(shù)據(jù)進行對比充分驗證了本文采用的計算模型合理，從而為推鋼式加熱爐的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。