蜂窝陶瓷蓄热室内气体传热过程数值模拟研究

2021-11-12汪建新王恩浩吴启明

工业加热 2021年10期

汪建新，王恩浩，吴启明，江华

(1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014000；2.北京凤凰工业炉有限公司，北京 100083)

20世纪80年代被开发并广泛推广的蓄热式燃烧技术[1]又被称为高温空气燃烧技术，因其显著的节能效果与特殊的燃烧过程，得到了国际工业炉领域的普遍应用[2-4]。相比于传统的燃烧方式，蓄热式燃烧技术实现了超低NOx排放，缓解了环境污染问题。由于预热空气温度可以达到1 000 ℃以上，排烟温度普遍在200 ℃左右，在大幅提高燃料利用率的同时减少了燃料的损耗。常温空气被预热到接近高温烟气的温度，空气与燃料可以在炉膛内充分混合，实现贫氧燃烧。同时，加热炉没有预热段，炉膛内燃烧平缓、均匀，使钢坯在炉内被迅速加热，缩短了工作时间，产品质量相比其它燃烧方式有大幅提高[5]。

蓄热室是工业炉中余热回收的重要装置[6-7]。蓄热室内规则地放满蓄热体，为了减少热量损失，并使蓄热室拥有足够的强度和气密性，蓄热室外侧还采用耐火材料与钢板覆盖，蓄热室结构与参数以及蓄热体材料与结构是技术的关键。目前国内普遍采用的蓄热体有蜂窝陶瓷蓄热体和陶瓷球蓄热体等，阻力特性和换热特性是蓄热室的两个重要的指标，以蜂窝陶瓷蓄热体为例：

(1)阻力特性[8]：是指通过蓄热室的气体与其相应的阻力损失之间的关系。它是体现蓄热室和蓄热体工作性能的重要参数之一，直接影响到蓄热室的设计和工业炉供风系统、排烟系统的选择。蓄热室内的阻力损失与蓄热体的高度和蓄热室内气体空塔的流速成正比，与蓄热体的孔径成反比。

(2)换热特性[9]：是指通过蓄热室的气体与蓄热体间热量转移的关系。蓄热室的换热过程较为复杂，主要包括对流、辐射及传导等非稳态换热过程。对于一定材质的蓄热体，综合换热系数随蓄热体孔径的增大和换热时间的增加而减小。

与传统燃烧方式相比，蓄热式燃烧技术余热利用更加成熟，具有较大潜力和发展前景。虽然被广泛推广应用，依然存在一些尚未有效解决的问题。对于蓄热室，其作为储热装置，在工作时被反复加热和冷却，既要承受疲劳热应力，又要经受高速气流冲刷，长期使用后易形成结构变形、开裂或漏热等故障。针对蓄热室内气体传热过程的仿真研究，通过引入流体域和多孔介质建立蓄热室三维模型，分析其在传热过程中的导热特点，得出蓄热室工作时温度、压力的分布，深入了解气体在蓄热室内的流通，从而进一步探索蓄热室出现故障的原因及规律。

1 工作过程

工业炉工作分为加热期和冷却期，原理如图1所示：开始工作时，常温空气通过右侧通道进入蓄热室1被高温蓄热体预热，与燃料混合后经右侧烧嘴B喷出后燃烧，左侧的烧嘴A用于排出烟气，高温烟气进入蓄热室2内将大部分热量传递给蓄热体完成热量交换后以200 ℃左右的温度排入大气，到达换向时间后，换向装置改变空气与燃料的流动方向，常温空气进入蓄热室2被高温蓄热体预热到较高温度后，与燃料混合通过左侧通道经烧嘴A喷出燃烧，此时烧嘴B用于排出烟气，高温烟气进入蓄热室1后将大部分热量传递给蓄热体后成为低温烟气排放到大气内，到达设定时间后再次换向，如此实现工业炉的连续运作。

图1 蓄热式燃烧器工作原理图

蓄热式烧嘴在工业炉中成对存在交替工作，当一侧的烧嘴用于加热常温空气时另一侧的烧嘴用于排出高温烟气，常温空气经过换向阀进入一侧蓄热室后，被预热至接近蓄热体的温度，然后以较高温度进入到炉膛当中，此时炉膛内氧含量少空气稀薄，高温空气与燃料混合后在贫氧环境下燃烧，产生的高温烟气经过另一侧蓄热室，将大部分热量传递给蓄热体后成为低温烟气被排出。

蓄热室的结构以某工业炉公司设计的半工业试验蓄热室为原型，使用的煤气为热值3 140 kJ/m3的高炉煤气，蓄热室内填充的单块蜂窝陶瓷蓄热体尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，孔型是正六方形，孔数为23×20，孔径4 mm，开孔率为64%，比表面积为608 m2/m3，空格宽度为2.45 mm，进入蓄热室的常温空气为288.15 K，进入蓄热室的高温烟气温度为1 423.15 K，空气的预热温度可到1 273.15 K，陶瓷蓄热体内空气流速为1.3 m/s，烟气流速为1.6 m/s，烧嘴前空气与高炉煤气压力不低于3.5 kPa，加热炉的换向时间为70 s[10]。

由于蓄热体数量较多，蓄热室的内部整体结构过于复杂[11-12]，温度变化十分剧烈，给计算带来了很大的困难和不确定因素，为了减轻计算负担，提高计算精度，将三维模型简化为多孔介质模型，简化后的三维模型空隙率为64%，垂直于气体流动方向的黏性阻力为无穷大。

2 假设条件

为了便于计算，做出以下假设[13]：

(1)进入蓄热室的气体为理想气体；

(2)将蜂窝陶瓷蓄热体存在的区域简化为多孔介质；

(3)大气压强P0=101 325 Pa，常温空气T0=288.15 K；

(4)各个壁面封闭性良好且为非绝热壁面，与外界存在能量交换但没有物质交换；

(5)垂直于气体流动方向上的黏性阻力为无穷大。

3 有限元模型与边界条件的确定和施加

1)湍流模型

由于采用了结构化网格划分，网格质量较好，能较好地满足计算需求，湍流模型采用精度、可信度较高的SSTk-o模型。

2)辐射传热模型

辐射模型选择精度较高DO模型，能够求解大多数燃烧问题中的辐射问题，且对于计算机的要求比较适中。

3)边界条件

进口边界条件：高温烟气和常温空气的进口速度、温度以及组分各占体积分数值的给定。湍流模型的变量，指定进口的水力直径，湍流强度值为5%。

出口边界条件：采用压力出口边界条件，给定出口值为-3.5 kPa。

在加热期期间，高温烟气为传热介质，进口类型为velocityinlet，出口类型为outflow；在冷却期期间，常温空气为传热介质，进口类型为velocityinlet，出口类型为pressureoutlet。各计算域之间用interface接口连接用于数据传输。

4)网格划分及数值计算

网格划分是数值模拟过程中最重要的环节之一，网格的质量是模拟计算能否成功的关键，它对于结果的准确性、收敛性和计算速度等至关重要[14]。网格数量的多少和质量的高低对计算精度和计算速度起着决定性作用。本文使用solidworks创建物理模型，使用ICEM划分结构化网格，应用了“O”型网格生成技术添加边界层网格，y+值在40～150，满足湍流方程的需求。整个计算区域总网格数量接近250万，网格质量较好且全部在0.57以上，求解器选用segregated solver，采用coupled算法和二阶迎风格式，标准湍流模型的残差小于10-4。

4 数值模拟结果及分析

4.1 压力分布

由图2可以看出，随着燃烧器炉膛温度的不断升高，蓄热室内部的压力也随之升高。蓄热室内的压力分布大致可分为四个梯度，沿着蓄热室的长度方向逐渐降低，负压升高，煤气出口处鼓风机提供的负压为3.5 kPa，由图2知，随着蓄热室减小出口压力，蓄热室内部的压力也随之下降。相比于出口压力，煤气入口压力约为600 Pa，到达第一层蓄热体时的压强约为100 Pa，到达最后一层蓄热体时的压强约为-300 Pa，平均每层蓄热体的压降约为40 Pa，因此，经过十层蓄热体排烟，蓄热室总的压力损失约为400 Pa。

图2 蓄热室压力分布图

4.2 温度分布

在传热初期，随着炉膛温度的升高和气体流动速度的加快，蓄热室内的温度随之不断升高。当工业炉进入稳定工作状态时，蓄热室内温度分布如图3所示。蓄热式燃烧器经过前、后两个周期的不断交替运行后，蓄热室内的温度也逐渐进入稳定状态，由图3知，高温烟气入口处的温度在1 400 K左右，常温空气入口处的温度在500 K左右，与实际情况较为符合；蓄热室两端的温度略高于蓄热体的温度。温度在蓄热体内的温度分布较为均衡，沿蓄热室长度方向的蓄热体受热较为均匀，在接近蓄热室四周内壁的区域温度略高于其他地方。

图3 蓄热室温度分布图

4.3 形变

蓄热室形变分布图如图4所示。在流固耦合中，将蓄热室的材料设置为硅[15]，整个蓄热室的应变由下到上呈扇形逐渐增大，形变最大的地方出现在高温烟气入口上方的直角处，形变的最大值约为0.28 mm，收缩百分比为0.05%，应变最小值出现在蓄热室的底部，应变几乎为0，蓄热室顶端四个直角处的应变大于中间区域。