高炉煤气燃烧数值模拟在LOMA-MLB热风炉调试中的应用

李刚健

我公司LOMA®型热风炉适用于气体、液体和固体多种燃料的独立燃烧或混合燃烧，炉体耐热钢结构最高可承受750℃高温，燃烧室热损失小，炉体散热可以被工艺管路气流回收，热负荷调整灵活，供热能力0.5~60MW，可满足水泥、钢铁、电力等行业的物料烘干需求。LOMA-MLB是LOMA®系列热风炉中适用于气体燃料的炉型，既可垂直安装也可水平安装，国内已有多家用户配套该型热风炉，使用高炉煤气作为燃料为矿渣粉磨系统提供热风。本文将对使用Fluent软件数值模拟高炉煤气在热风炉中的燃烧情况进行介绍，验证热风炉调试时，配风所需的合适空燃比（空气与高炉煤气之比）以及不同空气过剩系数下，烟气温度的参考值。

LOMA-MLB热风炉整体结构示意见图1，LOMA-MLB热风炉炉膛顶部及炉内喷嘴组布置示意见图2，LOMA-MLB热风炉“气/风”室剖面示意见图3。

图2 LOMA-MLB热风炉炉膛顶部及炉内喷嘴组布置示意

图3 LOMA-MLB热风炉“气/风”室剖面示意

如图1所示，此热风炉的高炉煤气喷嘴组（以下简称为“喷嘴”）及其助燃空气配风装置布置于炉膛顶部，整体结构为圆筒形，内部分为上下两层，用隔板分离，上层进高炉煤气，下层进空气。

图1 LOMA-MLB热风炉整体结构示意

热风炉喷嘴为内、外套管结构（见图1、2）。内管是高炉煤气通道，高炉煤气经计量后由高炉煤气入口进入上层筒体，通过上层底板均布的多个圆孔进入各个高炉煤气喷嘴内管；
喷嘴外管与内管形成的环形区是助燃空气通道，计量后的助燃空气由下层筒体助燃空气入口进入，通过各个喷嘴外套管的环形通道在喷嘴出口处形成环形风。喷嘴内管高炉煤气的出口处设计有钝体（形状为锥角约60°的圆台，见图3），将高炉煤气分流到管壁侧面六个矩形出口，与环形助燃空气汇合形成混合气，进入炉膛（燃烧室）顶部。进入炉膛的混合气在出口附近被点火燃烧器点燃。低温的工艺系统风由工艺系统风入口进入炉膛周围的蜗壳风道后，向下通过冷却风多孔整流筒与炉膛出口高温烟气混合以达到工艺烘干的目的。

如图2所示，高炉煤气喷嘴中心处管道用于主燃烧器及点火燃烧器的安装，外围为各支煤气喷嘴，主燃烧器可设计为安装替代燃料的燃烧器，如燃煤的喷煤管等，下部炉膛也应做相应设计调整。

2.1 建模

通过建模，数值模拟热风炉运行时，高炉煤气燃烧的空燃比及燃烧温度。为了简化模型，降低计算量，不对热风炉整体流场建模，仅对一支高炉煤气喷嘴及其炉膛内的外流场进行建模计算。在热风炉实际燃烧过程中，虽然相邻的喷嘴相互之间会有一定影响，但可忽略。

建模采用ANSYS自带的SPACECLAIM软件，该软件与网格划分软件ICEM均为ANASYS集成的模块，兼容性好，模型在网格划分前不需再进行几何拓朴重建。

建立LOMA-MLB热风炉实体结构模型后，利用SPACECLAIM软件的体积抽取功能进行热风炉体积抽取，获得其流体域体积模型，见图4。假定流体域为ϕ300mm×990mm的圆柱体，高炉煤气与助燃空气的喷嘴入口位于圆柱流体域上表面中心，喷嘴在流体域内，圆柱下表面为出口，其他表面均设置为壁面。

图4 流体域体积模型

2.2 网格划分

将模型文件直接导入ICEM软件进行网格划分。为了降低网格数量，采用六面体结构网格方式进行网格划分。网格划分完成后的节点数量为686k，面网格最低质量为0.5，体网格最低质量为0.52（在“Determinant”行列式质量数据中查询所得），满足Fluent求解器计算要求。网格质量较低部分主要集中在喷嘴出口的钝体附近，由于存在三角形切面，此部分在块体划分时,需进行“Y”形切分,钝体“Y”形块体切分及其网格划分如图5所示。钝体的上下块体均需“Y”切，否则无法提高面网格质量，此操作后，网格最低质量由0.2提高至0.5。

图5 钝体“Y”形块体切分及其网格划分

在ICEM软件中完成网格划分后，导出扩展名为“.mesh”的Fluent格式网格文件，网格文件可以顺利导入Fluent软件并显示正常。在Fluent软件菜单“Domain-Mesh-Scale”中检查导入的网格尺寸并进行以下设置。

3.1 流体域湍流模型

流体域湍流模型采用k-epsilon（2 eqn）标准模型默认参数。激活能量方程选项，辐射模型选择P1模型，P1辐射模型的计算结果精度低于DO模型，但其计算速度快，可以减轻CPU的运行负担。

3.2 燃烧模型

燃烧模型选择非预混燃烧模型“Non-Premixed Combustion”，该模型用于处理未经预混合的燃料与空气，在分别送入燃烧设备后，采用边混合边燃烧的燃烧方式。该模型假设反应受混合速率控制，组分间已达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度控制，用化学平衡处理化学反应，无需添加表明化学反应机理的化学反应式。

高炉煤气主要燃烧成分是一氧化碳，含有少量氢气和几乎可以忽略的甲烷，各组分的比例可用质量分数或摩尔分数表示，氧化剂为空气。当实验数据各组分比例总和<100%时，在设置模型参数时需补足到100%。本案例设置模型参数时，将实验数据不足的0.1%加入到氮气组分中，氮气由实测的47.8%调整至47.9%，以满足软件要求，氮氧化物的反应在模拟燃烧开始时不需要开启，不会对模拟结果造成大的影响。实际使用的高炉煤气成分，除了氮气用调整后的数据外，其他组分的数据均根据表1所列实验数据，输入到“Species Model-Non-Premixed Combustion-Boundary”菜单中，并选择对应的摩尔分数。

*表1 高炉煤气成分，%

3.3 生成PDF（概率密度函数）文件

完成高炉煤气的组分数据添加后，需在“Species Model-Chemistry-Model Settings”菜单下设置“Fuel Stream Rich Flammability Limit”，即，“富燃限值”。此案例中，富燃限值为估计值0.8，比化学反应当量值高14%，符合软件的要求范围；
由非预混模型的燃烧过程计算表生成器生成PDF文件，保存并用于后续的迭代求解计算。通过燃烧过程计算表可以预测燃气完全燃烧后，烟气的最高燃烧温度及空燃比。

高炉煤气与空气的初始温度均设定为300K，通过燃烧过程计算表可以得到高炉煤气质量分数变化与燃烧后烟气温度关系的二维、三维图表。用于计算的二维图表如图6所示。

软件显示出二维、三维图表的同时，软件控制台中显示“Maximum of Mean Temperature[K]is 1.721527e+03 and occurs at Mean Mixture Fraction=5.995813e-01”，即，当高炉煤气与空气混合后，高炉煤气所占的质量分数为0.5 995 813（以下使用0.6）时，高炉煤气完全燃烧形成烟气，且烟气中无过剩空气，烟气最高温度达1 721K（1 448℃）。

3.4 空燃比计算

理论燃烧时，“空燃比”为“烟气达到最高温度时的空气与燃气的质量分数比例”。本案例按照PDF图表计算结果，简单计算为4：6；
根据高炉煤气组分计算标况下，高炉煤气的密度为1.360kg/m3，空气密度为1.293kg/m3，空燃比的体积比由空气与高炉煤气质量除以各自的密度得到为0.701：1，即每燃烧1m3高炉煤气，理论所需助燃空气为0.701m3。按体积计算空燃比是由于工厂通过测量体积流量进行配风计算及自控调节。图6中，折线到达拐点前的左半段，即高炉煤气质量混合比<0.6前，可看作空气过量时的燃烧温度；
随着高炉煤气比例的增加，烟气温度逐渐上升，可根据实际将高炉煤气在混合气中的质量分数与烟气温度转化为过剩空气系数与烟气温度关系的曲线，见图7。

图6 PDF二维图表

图7 过剩空气系数与烟气温度关系曲线

在计算的基础上设定热调试参数，并根据现场实测加以修正，以最大程度缩短调试时间，快速确定工艺参数。图7显示的烟气温度可能会比实际燃烧的烟气温度高，这是由于PDF计算采用绝热燃烧方式（没有热损失），与实际生产中存在表面散热、漏风甚至高炉煤气质量波动不同。

3.5 边界条件设置

以理论助燃空气比例计算设置其速度入口并设定边界条件。助燃空气速度入口：温度设为300K，混合组分比例为0，水力直径18mm，质量流量0.018 2kg/s，工况流速6.52m/s；
高炉煤气速度入口：温度设为300K，混合组分比例为1，水力直径75mm，质量流量0.027 4kg/s，工况流速5m/s；
烟气出口：设为压力出口，水力直径250mm，回流温度700K；
壁面：所有壁面温度均设为300K，边界类型为温度边界，温度边界不属于绝热边界，会产生传热而本身并无热量产生，其他保持默认设置。所有边界温度设置为低于点火温度（1 000K），以便确认火焰形成是由后续设置的“点火器”来点燃。

求解器选择压力-速度耦合的稳态迭代求解，“Hybrid”初始化使残差收敛至“1e-6”以下后，使用“Solution-Patch”功能，在喷嘴前端流域内设置一个温度为1 000K、形状为ϕ15mm的圆球区域，用作点火器模拟高炉煤气的点火。CO理论燃点约667℃，高炉煤气经验燃点约700℃，实际应用中，点火器使用柴油枪（也可以使用其他气体燃料）雾化后，在炉顶中心区域点火，形成火焰后再打开高炉煤气阀组供风供气。期间会有短暂的油气混燃，使高炉煤气喷嘴火焰的形成由点火区域喷嘴向周边传递，确保全部喷嘴被点燃，实际点火温度高于模拟温度。点火位置设置在距喷嘴出口一定距离的球形区域内。

点火区域设置完成后开始计算，约2 000步时，所有参数的残差均收敛到设定的“1e-6”以下，运算自动停止。

5.1 燃烧反应的质量平衡

数值模拟计算完成后，可在“Result-Surface Flux Report-Mass Flow Rate”菜单查询到反应物的质量平衡情况。助燃空气入口质量流量为0.018 1kg/s，高炉煤气入口质量流量为0.027 4kg/s，出口烟气质量流量为0.045 5kg/s。系统的进出口质量流量差值仅为5.24e-6，低于软件评估标准举例的0.5%，表明模拟计算中的质量传递过程基本完成。如果运算迭代后收敛的残差仍然较大，那么系统的进出口质量流量差值可能会增高，结果的可靠性会降低。

5.2 燃烧发热能力

单个喷嘴的发热能力可达200kW，从菜单“Result-Surface Flux Report-Total Sensible Heat Transfer Rate”中可以查询到模拟的燃烧发热能力为77 255W，而实验数据计算的发热能力为77 961W，实验室数据比模拟数据计算的热值稍高，但误差不到1%，可以认为二者互相验证，模拟结果与实际吻合。

5.3 模拟燃烧的燃尽程度

“Result-surface Integrals-area Weighted Aver⁃age”菜单可以查询出口处CO的残余量，“Outlet”截面CO组分的摩尔分数均值为6.58e-6，即6.58ppm。

将计算结果导出到Tecplot 360软件，生成CO摩尔分数云图，见图8。图中CO浓度从喷嘴出口即开始急速下降，火焰快速燃烧，中部焰心处CO浓度稍高，但也仅约420ppm，到外焰边缘处几乎消耗殆尽，总体评估模拟燃烧燃尽率高。

图8 CO摩尔分数云图

5.4 燃烧火焰温度

燃烧火焰温度云图见图9。图中的温度分布显示，1 000K模拟点火可以点燃高炉煤气，并形成火焰。火焰温度向外扩散，与常温空气换热后，逐渐下降。火焰中心最高温度为1 595K，较完全燃烧的理论温度1 721K低约7%，原因可能与壁面及喷嘴出口回流温度设置偏低及传热有关，且计算域内初始状态是低温空气，造成火焰温度偏低。如果将壁面传热类型“Temperature”设置改为“Heat Flux”，并将其值设为“0W/m2”，没有壁面的热传导损失，其他参数不变进行模拟，则火焰最高温度可以提高至1 624K。

图9 燃烧火焰温度云图

5.5 污染物NOX分布预测

燃烧模拟计算结束后，激活NOX模型，选择“Thermal NOX”与“Promot NOX”进行污染物预测计算，Fluent软件内部没有氮氧化物的ppm选项，需自定义公式，将氮氧化物的摩尔分数值转化为干烟气中的体积比，以ppm值显示。NOX分布云图见图10，图中显示氮氧化物在火焰高温区域的最高含量仅有0.115ppm，且氮氧化物含量由焰心向外快速降低。这说明在此燃烧环境下，热力型氮氧化物形成不多。喷嘴的设计合理利用了燃料中的CO，完成了大部分氮氧化物在离开火焰前的还原，出口处氮氧化物含量仅为0.008 6ppm。

图10 NOX分布云图

5.6 流体矢量云图

流体矢量云图见图11。流体矢量云图使用静压渲染，图中清晰可见，在钝体的下方高炉煤气形成了低压区域，断面形成两组旋向相反的涡旋，有较强涡流形成，有利于燃料与空气的混合，并会卷吸局部高温烟气回流加热或引燃刚出喷嘴的混合气体，有利于保持火焰的连续性和稳定性，实现了钝体的设计目标。

图11 流体矢量云图

数值模拟高炉煤气在LOMA-MLB热风炉中燃烧时，过剩空气系数值设为1，实际生产配风时适当提高，以利于完全燃烧；
同时，降低火焰温度，抑制热力型氮氧化物的产生。一氧化碳的着火低限浓度约12.5%，浓度太低时易熄火，因此，用于喷嘴的助燃空气（一次风）不能配置过量。为了在保持火焰温度的同时，避免炉膛内局部温度过高，该热风炉在炉膛切向设计有进风口，用于调节出炉烟气温度。借助数值计算技术模拟高炉煤气燃烧的情况，通过Fluent软件计算可得到准确的空燃比，便于配置助燃空气量，并能得到不同空气过剩系数下高炉煤气燃烧的烟气温度，也可以预测火焰高温区分布位置，优化隔热保温材料的设计，为确定生产工艺参数提供依据。

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