取向硅鋼高溫環(huán)形退火爐用低NOx 天然氣燒嘴的試驗(yàn)與數(shù)值模擬

潘書婷， 戴方欽， 郭 悅， 潘盧偉， 劉寶志， 李運(yùn)城

（1. 武漢科技大學(xué) 高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢430081；2. 威豐稀土電磁材料股份有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭014060； 3. 武漢山力板帶技術(shù)工程有限公司， 武漢430074）

取向硅鋼是制造變壓器（鐵芯）的重要材料［1］，高溫再結(jié)晶退火是取向硅鋼生產(chǎn)的重要工序，決定了取向硅鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量［2］.目前國(guó)內(nèi)外取向硅鋼生產(chǎn)普遍采用環(huán)形高溫退火爐、罩式爐和隧道式高溫退火爐.取向硅鋼高溫再結(jié)晶退火溫度一般在1 523.15 K以上，爐溫通常高達(dá)1 573.15～1 623.15 K，高溫會(huì)導(dǎo)致熱力型NOx生成速度加快.2017 年的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)鋼鐵行業(yè)排放的NOx達(dá)到了172 萬(wàn)t，約占總排放量的10%［3-4］；在近年來(lái)控制污染物排放的政策下，截至2020 年，我國(guó)鋼鐵行業(yè)NOx年排放量為111.4 萬(wàn)t.此外，鋼鐵行業(yè)中有關(guān)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的制定也愈加嚴(yán)格［5］：要求煙氣中NOx濃度低于150 mg／m3.

燒嘴是環(huán)形高溫退火爐和隧道式高溫退火爐中燃料與空氣混合燃燒的裝置，也是影響硅鋼加熱質(zhì)量以及NOx排放量的關(guān)鍵因素.對(duì)國(guó)內(nèi)取向硅鋼高溫退火爐煙氣排放中NOx濃度進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，某地區(qū)隧道式高溫退火爐排放的NOx濃度大于500 mg／m3，約為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.3 倍.因此，開發(fā)用于取向硅鋼高溫退火爐的超低NOx天然氣燒嘴并探明NOx燃燒生成機(jī)理對(duì)冶金爐窯的節(jié)能減排至關(guān)重要.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于降低燒嘴在燃燒過(guò)程中的NOx排放進(jìn)行了大量的研究［6-13］.本文中針對(duì)國(guó)內(nèi)高溫硅鋼退火爐爐內(nèi)溫度分布不均勻造成的硅鋼成材率低、煙氣中NOx濃度超標(biāo)等問題，基于燃燒傳熱機(jī)理分析，確定了一種低NOx天然氣燒嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)；采用CFD 數(shù)值模擬方法建立了燒嘴的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；研究了燒嘴多級(jí)空氣配比（一、二級(jí)風(fēng)量之和與總風(fēng)量之比）、空氣過(guò)量系數(shù)、空氣預(yù)熱溫度、煙氣再循環(huán)量等參數(shù)對(duì)NOx生成的影響.

1 燒嘴燃燒試驗(yàn)平臺(tái)及天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)

1.1 燒嘴燃燒及測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)

燒嘴燃燒試驗(yàn)爐及試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示.試驗(yàn)爐長(zhǎng)2.7 m，寬1.2 m，高1.2 m.燃燒試驗(yàn)平臺(tái)由燒嘴設(shè)備、試驗(yàn)爐爐體、氣路管道、流量測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng)及爐溫控制系統(tǒng)等組成.

圖1 燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Combustion test system

1.2 低NOx 天然氣燒嘴

本文中研究的低NOx天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，燒嘴設(shè)計(jì)能力為100 kW.燒嘴采用空氣三級(jí)燃燒技術(shù)設(shè)計(jì)，其中一級(jí)進(jìn)風(fēng)口分兩排分布，每排沿圓周方向均勻分布4 個(gè)直徑為3 mm 的圓形進(jìn)氣孔；二級(jí)進(jìn)風(fēng)口為6 個(gè)直徑4 mm 的圓形進(jìn)氣孔，三級(jí)進(jìn)風(fēng)口為8 個(gè)直徑10 mm 的圓形進(jìn)氣孔，均以燒嘴軸線為中心均勻分布.天然氣從燃料噴嘴噴出前，先與一級(jí)空氣混合，噴出后的天然氣和一級(jí)空氣的混合物在燃燒杯中與高速噴出的二級(jí)空氣混合，進(jìn)行富燃料燃燒，形成的還原氣氛可以抑制NOx的生成；預(yù)混燃燒的煙氣混合物在燒嘴內(nèi)與高速噴出的三級(jí)空氣混合，CO 等還原產(chǎn)物在較低溫度下進(jìn)行充分的二次燃燒.試驗(yàn)中通過(guò)空氣的多級(jí)加入實(shí)現(xiàn)還原氣氛下的富氧燃燒，通過(guò)控制火焰溫度和高溫區(qū)氧濃度抑制熱力型NOx的生成.

圖2 燒嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of burner

1.3 天然氣成分

表1 天然氣成分（體積分?jǐn)?shù)）Table 1 Natural gas composition table（volume fraction） %

2 數(shù)值模型及計(jì)算方法

燒嘴物理模型采用SolidWorks 建模，在ICEM中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)量約為106 萬(wàn)個(gè)，且通過(guò)5 套不同的網(wǎng)格數(shù)量驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性.湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，輻射傳熱模型選用DO 輻射模型，燃燒模型采用組分運(yùn)輸模型，壓力速度算法采用Coupled 算法.在熱力場(chǎng)和流動(dòng)計(jì)算迭代收斂后，打開NOx污染物模型計(jì)算產(chǎn)生的NOx濃度.

對(duì)于天然氣等不含N2的燃料，根據(jù)生成機(jī)理的不同，可將燃燒過(guò)程中生成的NOx分為熱力型NOx和快速型NOx.熱力型NOx是由氮原子和氧原子在高溫下反應(yīng)生成，其生成機(jī)理最早被蘇聯(lián)學(xué)者Zel′dovich 發(fā)現(xiàn)，在溫度低于1 500 K的環(huán)境下熱力型NOx的生成量較少.快速型NOx則是在熱力型NOx產(chǎn)生之前，通過(guò)氮原子與碳?xì)浠衔镏g復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成的，由Fenimore［14］發(fā)現(xiàn)并命名，生成量相對(duì)熱力型NOx較少.

本文中計(jì)算熱力型NOx模型的控制方程是基于Zel′dovich 機(jī)理.表2 中列出了熱力型NOx生成的化學(xué)式及對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率，其中v+1，v+2，v+3是生成NO 的正向反應(yīng)速率，v-1，v-2，v-3是對(duì)應(yīng)的反向反應(yīng)速率.

表2 熱力型NOx 生成的反應(yīng)方程式Table 2 Reaction equation of thermal NOx formation

而在低溫和富燃料燃燒狀態(tài)下，仍有部分快速型NOx生成［15］.快速型NOx的生成需要考慮碳?xì)浠衔锛捌淙紵闹虚g產(chǎn)物，生成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)如下：

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

圖3 為兩種工況下爐膛中心線上試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算的溫度對(duì)比圖.兩種工況下天然氣流速均為10 m3／h，天然氣與空氣溫度均為常溫.圖3（a）所示的工況A 的空氣過(guò)量系數(shù)為1.1，圖3（b）所示的工況B 的空氣過(guò)量系數(shù)為1.2.圖中L為燃燒室長(zhǎng)度.由圖3（a）可知，數(shù)值計(jì)算的溫度與試驗(yàn)測(cè)量的溫度在爐膛后半部分貼合較好.將數(shù)值模型的邊界條件更改為試驗(yàn)所測(cè)邊界條件，在工況B 的條件下再次驗(yàn)證.圖3（b）中顯示，數(shù)值計(jì)算的溫度與試驗(yàn)測(cè)量的溫度貼合較好.在工況A 試驗(yàn)條件下，爐膛煙氣出口處測(cè)量的NOx濃度 為 116 mg／m3， 數(shù) 值 計(jì) 算 的 NOx濃 度 為124 mg／m3，計(jì)算誤差為6.90%.而在工況B 試驗(yàn)條件下，爐膛煙氣出口處測(cè)量的NOx濃度為245 mg／m3，數(shù)值計(jì)算的NOx濃度為266 mg／m3，計(jì)算誤差為8.57%.兩種工況下的溫度誤差均在10%以內(nèi).

圖3 兩種工況下爐膛中心線上的溫度對(duì)比Fig.3 Temperature comparison of furnace center line under two working conditions

3.2 多級(jí)空氣配比對(duì)燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

本次數(shù)值模擬計(jì)算的燒嘴是等比例建模的低NOx天然氣燒嘴，通過(guò)調(diào)整一、二級(jí)進(jìn)風(fēng)口面積，改變一、二級(jí)風(fēng)量之和與三級(jí)風(fēng)量之比，探究多級(jí)空氣配比對(duì)NOx生成的影響.表3 列舉了六種不同的一、二級(jí)進(jìn)風(fēng)口面積的結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的多級(jí)空氣配比，其中結(jié)構(gòu)3 代表原始燒嘴結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1 和2 代表減少進(jìn)風(fēng)口面積的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)4 ～6 代表增大進(jìn)風(fēng)口面積的結(jié)構(gòu).

表3 一、二級(jí)進(jìn)風(fēng)口面積變化參數(shù)Table 3 Variation area parameters of the first and the secondary air inlet

圖4 顯示了不同結(jié)構(gòu)燒嘴燃燒室出口處NOx濃度.圖中表明，將多級(jí)空氣配比從原結(jié)構(gòu)的15.370 %增加至17.822%時(shí)，生成的NOx濃度從124 mg／m3降至53 mg／m3，而將多級(jí)空氣配比增加至18.742%時(shí)，生成的NOx濃度不再繼續(xù)降低，而是回升到95 mg／m3；將多級(jí)空氣配比從原結(jié)構(gòu)的15.370%減少至13.367%時(shí)，生成的NOx濃度增至351 mg／m3.圖中也對(duì)多級(jí)空氣配比和生成的NOx濃度的關(guān)系進(jìn)行了曲線擬合，結(jié)果顯示，最優(yōu)的多級(jí)空氣配比在17.5%左右，增大或減少配比都會(huì)導(dǎo)致生成的NOx濃度升高.

圖4 不同多級(jí)空氣配比下爐膛出口處的NOx 濃度Fig.4 NOx concentration at outlet of furnace with different multistage air ratios

圖5 顯示了六種結(jié)構(gòu)的燒嘴燃燒局部溫度分布，圖中L 為燃燒室長(zhǎng)度，H 為燃燒室高度.由圖可知，當(dāng)多級(jí)空氣配比為13.367%時(shí)，燒嘴出口位置溫度最高，高溫區(qū)范圍也最大.而當(dāng)多級(jí)空氣配比為17.822%時(shí)，燒嘴出口位置溫度最低，高溫區(qū)范圍最小.

目前，醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)難以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的新形勢(shì)，存在著課程地位認(rèn)識(shí)不足、教學(xué)內(nèi)容支撐專業(yè)應(yīng)用和社會(huì)應(yīng)用力度不夠、質(zhì)量評(píng)價(jià)體系有待改進(jìn)等方面的問題。只有積極思考和探索具有醫(yī)學(xué)特色的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革，以培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的計(jì)算思維能力為主要任務(wù)，使其具有利用計(jì)算科學(xué)對(duì)醫(yī)學(xué)相關(guān)問題進(jìn)行分解、提煉歸納、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，為計(jì)算機(jī)學(xué)科與醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科的交叉融合做好必要的知識(shí)儲(chǔ)備和應(yīng)用能力的鋪墊。

圖5 不同多級(jí)空氣配比下爐膛中心面上的溫度云圖（局部）Fig.5 Temperature cloud diagram of furnace central surface with different multistage air ratios（local）

更改多級(jí)空氣配比改變了燒嘴的燃燒溫度、高溫區(qū)范圍和燃燒區(qū)域的氧濃度.一、二級(jí)進(jìn)風(fēng)口面積增加20 %，且多級(jí)空氣配比為17.822 %，是有利于控制NOx生成的較優(yōu)結(jié)構(gòu)與合適的多級(jí)空氣配比.

3.3 空氣過(guò)量系數(shù)對(duì)燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

在上一節(jié)討論中，選定了一、二級(jí)進(jìn)風(fēng)口面積增加20%的燒嘴為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，故后續(xù)討論均建立在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上.本節(jié)中分析了天然氣流速為10 m3／h，空氣過(guò)量系數(shù)從0.7 增加到1.25，天然氣和助燃空氣的溫度均為室溫時(shí)燒嘴的燃燒情況.圖6 是天然氣流速為10 m3／h，空氣過(guò)量系數(shù)分別為1.0，1.1，1.2，1.25 時(shí)中心面上的溫度分布云圖.由圖6 可知，隨著空氣過(guò)量系數(shù)的增大，燒嘴出口溫度逐漸升高，但燃燒室整體溫度降低、溫度梯度增大.圖7 為空氣過(guò)量系數(shù)從0.7 增至1.25 時(shí)，在燃燒室出口處NOx和CO 的濃度變化圖.圖7 表明，減小空氣過(guò)量系數(shù)，NOx濃度也隨之降低.

圖6 不同空氣過(guò)量系數(shù)下爐膛中心面上的溫度云圖Fig.6 Temperature cloud diagram of furnace central surface under different air excess coefficients

但由于空氣量的減少，天然氣燃燒不完全，燃燒室出口處CO 濃度增加.當(dāng)空氣過(guò)量系數(shù)小于1時(shí)，CO 濃度顯著增加， 從空氣過(guò)量系數(shù)為1 時(shí)的104 mg／m3增加到空氣過(guò)量系數(shù)為0.7 時(shí)的342 mg／m3；而空氣過(guò)量系數(shù)為1.1，1.2，1.25 時(shí)，出口處幾乎不存在CO.若想兼顧燃料利用率，即CO 含量低并控制污染物NOx的生成量，則空氣過(guò)量系數(shù)應(yīng)為1.05（即圖7 中兩條曲線的交點(diǎn)），此時(shí)生成的CO 與NOx的濃度均為45 mg／m3.

圖7 不同空氣過(guò)量系數(shù)下爐膛出口處的NOx 和CO 濃度Fig.7 NOx and CO concentration at furnace outlet under different air excess coefficients

3.4 空氣預(yù)熱溫度對(duì)燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，常將煙氣余熱回收用來(lái)預(yù)熱助燃空氣，以提高爐窯熱效率，故需要研究空氣預(yù)熱溫度對(duì)燒嘴NOx生成的影響.在天然氣流速與空氣量不變、空氣過(guò)量系數(shù)為1.1 的情況下，將空氣預(yù)熱溫度分別設(shè)置成298.15，573.15，773.15，973.15 K 四種計(jì)算條件，探討空氣預(yù)熱溫度對(duì)燒嘴燃燒和NOx生成的影響.

圖8 是在天然氣流速為10 m3／h、空氣過(guò)量系數(shù)為1.1 時(shí)，不同空氣預(yù)熱溫度下燃燒室中心面上溫度分布云圖.由圖8 可知，增加空氣預(yù)熱溫度后，燃燒室整體溫度顯著上升，同一位置的溫度上升值約為120 K.圖9 給出了空氣預(yù)熱溫度與生成NOx濃度的函數(shù)擬合曲線.由圖可知，當(dāng)預(yù)熱溫度分別為298.15，573.15，773.15，973.15 K 時(shí)，對(duì)應(yīng)的NOx濃度分別為53，342，720，1 221 mg／m3；且增加空氣預(yù)熱溫度會(huì)顯著增加NOx濃度.

圖8 不同工況下爐膛中心面上的溫度云圖Fig.8 Temperature cloud diagram of furnace central surface under different working conditions

圖9 不同空氣預(yù)熱溫度下的爐膛出口處NOx 濃度Fig.9 NOx concentration at furnace exit at different air preheating temperatures

分析認(rèn)為，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度升高時(shí)，燃燒的最高溫度和燃燒室整體溫度都隨之升高，而過(guò)高的溫度對(duì)NOx的生成具有促進(jìn)作用.

3.5 煙氣再循環(huán)量對(duì)燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

圖9 表明，采用優(yōu)化燒嘴工藝結(jié)構(gòu)的方法并不能保證空氣預(yù)熱溫度為723.15 K 時(shí)的低NOx排放要求.為了實(shí)現(xiàn)燒嘴低NOx排放的目標(biāo)，研究中采用煙氣再循環(huán)的方法，將煙氣與天然氣按照一定比例混合后再燃燒，觀察煙氣再循環(huán)量對(duì)燒嘴燃燒和NOx生成的影響.

為保證煙氣與天然氣混合后天然氣的燃燒量不變，需根據(jù)煙氣與天然氣混合的比例來(lái)增大天然氣管道直徑，重新建立物理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.圖10 中列舉了天然氣流速為10 m3／h，空氣過(guò)量系數(shù)為1.1，空氣預(yù)熱溫度為723.15 K，煙氣再循環(huán)量與天然氣流量比分別為0 ∶100，5 ∶95，15 ∶85，25 ∶75，35 ∶65，45 ∶55（此時(shí)煙氣再循環(huán)率分別為0，5%，15%，25%，35%，45%）時(shí)，爐膛中心截面的溫度分布云圖.由圖可知，隨著煙氣再循環(huán)量的升高，爐膛燃燒最高溫度從1 986 K下降到1 732 K，高溫區(qū)面積不斷縮小，溫度均勻性提升.

圖10 六種煙氣再循環(huán)率下的爐膛溫度云圖Fig.10 Furnace temperature cloud diagram at six flue gas recirculation rates

圖11 顯示了煙氣再循環(huán)量與天然氣流量比從0 ∶100 到50 ∶50時(shí)，爐膛出口處NOx濃度隨煙氣再循環(huán)率的變化，并對(duì)煙氣再循環(huán)率與生成的NOx濃度的關(guān)系進(jìn)行了函數(shù)擬合.由圖可知：隨著煙氣再循環(huán)率的增加，出口處NOx的濃度下降；但繼續(xù)增加煙氣再循環(huán)率，NOx濃度下降幅度放緩.當(dāng)煙氣再循環(huán)量與天然氣流量比達(dá)到50 ∶50時(shí)，爐膛出口處NOx濃度為62 mg／m3（此時(shí)煙氣再循環(huán)率為50%）.分析認(rèn)為，隨著煙氣再循環(huán)量的增加，煙氣中惰性氣體的吸熱量也逐漸增大，這是爐膛溫度整體降低的主要原因；并且隨著煙氣再循環(huán)量的增加，高溫區(qū)的氧濃度降低，這都有利于減少NOx的生成.

圖11 七種煙氣再循環(huán)率下爐膛出口處的NOx 濃度Fig.11 NOx concentration at the furnace outlet under seven flue gas recirculation rates

4 結(jié) 論

（1）確定了一種低NOx天然氣燒嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立數(shù)值模型，搭建燃燒試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性.

（2）該天然氣燒嘴的最佳多級(jí)空氣配比為17.822%.在該多級(jí)空氣配比下，煙氣中NOx濃度可降低至53 mg／m3.

（3）隨著空氣過(guò)量系數(shù)的增大，煙氣中NOx濃度也會(huì)增大；但一味降低空氣過(guò)量系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較高濃度的CO 生成.空氣過(guò)量系數(shù)為1.05 時(shí)，NOx及CO 生成量均較低，均為45 mg／m3.

（4）NOx濃度隨空氣預(yù)熱溫度的升高而不斷增大. 當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從298.15 K 升高至973.15 K 時(shí)， 煙 氣 中 NOx濃 度 增 加 到1 221 mg／m3；但提高空氣預(yù)熱溫度一定程度上也提升了爐膛溫度的均勻性.

（5）當(dāng)采用高溫空氣燃燒時(shí)，需要采用煙氣再循環(huán)的方法降低煙氣中NOx的濃度.隨著煙氣再循環(huán)量的升高，生成的NOx濃度逐漸降低.當(dāng)空氣預(yù)熱溫度為723.15 K，煙氣再循環(huán)量與天然氣流量比達(dá)到50 ∶50 時(shí)，爐膛出口處NOx濃度可以降至62 mg／m3.