富氧燃烧条件下钢坯加热特性的数值模拟

张 斌, 尹少武,2, 张文聪, 卢世杰, 童莉葛,2, 王 立,2

(1. 北京科技大学 能源与环境工程学院, 北京 100083;2. 北京科技大学 冶金工业节能减排北京市重点实验室, 北京 100083)

在钢铁工业中,轧钢加热炉的作用是加热钢坯,使钢坯内外温度均匀和提高钢坯的塑性,以满足轧制工艺的要求[1-2]。在世界能源短缺和全球气候变化的过程中,发展绿色低碳的工艺和提高产品质量是十分必要的[3]。富氧燃烧作为一种高效的燃烧节能技术,与传统的空气燃烧相比,富氧燃烧可以提高火焰温度,强化炉内辐射传热,减少排烟热损失,提高烟气中CO2体积分数,有利于CO2的捕集[4]。同时氧气生产成本太高,限制了氧气在燃烧过程中的广泛应用。此外,如果在现有的加热炉上直接采用氧气助燃,由于火焰结构和耐火材料性能等问题,需要对加热炉的燃烧器和炉体等结构进行大幅度改造。可能的解决方案是在常规的燃烧器中采用富氧气体助燃时降低氧气浓度。

Karimi等[5]采用FVM法对加热炉内辐射热通量进行模拟,研究了不同富氧条件下吨钢能耗、产量增长和热效率。结果表明,富氧浓度的最佳范围为21%～45%(体积分数)。Gao等[6]研究了氧气体积分数为26%的富氧燃烧对脉冲燃烧间接加热炉性能的影响。研究表明,与空气燃料燃烧相比,富氧燃烧的板坯出炉温度提高了2.9%。Prieler等[7]模拟了步进式加热炉在氧气体积分数25%下的燃烧情况,发现与空气-燃料燃烧相比,富氧燃烧加热区的加热速率更高并且富氧可节省8%的燃气。伞俊博等[8]对富氧MILD燃烧步进式加热炉内流场与温度场进行数值模拟。结果表明,在高速射流卷吸作用下,射流速度急剧下降,炉内温度分布更加均匀。Mayr等[9]采用CFD计算高温炉膛内固体和气体辐射对总辐射热流的影响。研究表明,随着氧化剂中氧浓度的增加,加热炉热效率也随之提高,还发现炉壁辐射对总热流的贡献最大,而气体辐射的贡献较小。王乃帅等[10]编制了加热炉加热过程的系统仿真软件,研究氧气浓度对钢坯加热过程的影响。结果表明,在相同炉温制度下,氧气浓度为50%时,加热炉热效率提高了9.2%,吨钢燃耗降低了8.3%,单位时间内产量增加了13%。

据调查,现有的大多数研究人员在加热炉数值模拟研究过程中忽略了加热炉一些重要结构,或者在富氧条件下只考虑加热炉热效率、燃料消耗等,并未对富氧时钢坯本身进行系统的研究。本文将使用Fluent软件对加热炉中钢坯加热过程进行模拟仿真,并通过用户自定义函数(UDF)将钢坯的温度从上一个位置传递给下一个位置。在稳态计算的基础上,将瞬态的气体流动燃烧和固体导热一起耦合求解。建立的模型中包括水冷梁等结构,并且考虑其散热对钢坯的影响,研究不同低水平富氧条件(氧气体积分数为25%、30%、35%)对钢坯加热特性的影响。

1.1 流动与能量方程

(1)

对于笛卡尔坐标系,连续性、动量和能量方程可以写为[11-12]:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:部分变量上方的“～”表示密度加权平均值,“-”表示时间平均值,“″”表示密度加权平均值的脉动值;t为时间,s;ui、uj、uk分别为i、j、k方向的速度分量,m/s;ρ为密度,kg/m3;p为压力,Pa;h为比焓,J/kg;μ为动力粘度,Pa·s;Sh为化学反应和辐射引起的源项;μt为湍流粘度,Pa·s;σh为模型常数,值为0.7,Cμ为取决于平均应变和旋转速率以及湍流场的函数[13]。

由于炉内的气体流动均处于湍流状态。本文将采用Realizablek-ε模型[13]模拟炉内湍流过程。根据该模型,湍流动能k和涡耗散率ε被建模为:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:S为应变弧量;Gb为由于浮力而产生的湍流动能;T为温度,K;β为热膨胀系数,1/K;gi为重力矢量在i方向上的分量,m/s2;Sij为平均应变率张量,1/s;η为有效因子;v为流体平行于重力的速度分量,m/s;u为流体垂直于重力的速度分量,m/s;σk、σε、C1ε、C2和Prt为模型常数,分别等于1.0、1.2、1.44、1.9和0.85。

1.2 湍流燃烧模型

加热炉内燃气和助燃物进入炉膛前没有经过混合直接进行燃烧,属于非预混燃烧,选择平衡混合分数(PDF)模型[14]模拟加热炉中的瞬态湍流燃烧过程。在一定的假设条件下,流体瞬时热化学状态与一个守恒标量有关,称为混合分数f,其定义为:

(13)

(14)

(15)

(16)

式中,常数σt、Cg和Cd的值分别为0.7、2.86和2.0。湍流波动的影响由引入守恒标量f的PDF进行考虑,基于密度加权平均PDF表示如下:

(17)

式中,ρe(f)是平衡态密度。然后,绝热系统中组分质量分数和温度的密度加权平均值根据公式(17)计算:

(18)

1.3 辐射模型

采用离散坐标(DO)模型来处理炉膛内的辐射传热。DO模型需求解有限数量离散立体角的辐射传输方程(RTE)。任意位置r沿路径s在经过吸收、发射和非散射介质后的辐射强度可通过以下公式得出[15]:

(19)

因为烟气由N2、CO2、O2和H2O组成,但只有CO2和H2O有助于热辐射。空气-燃气燃烧产生的烟中含有高浓度N2和低浓度CO2和H2O,此时烟气的吸收系数应采用Smith等[16]提出的灰色气体加权模型(WSGGM)来计算。随着氧化剂中氧气浓度的增加,烟气中的CO2和H2O浓度也随之增加。由于CO2和H2O的强吸收带,烟气应被视为非灰气体,然而非灰气体的假设会显著地增加计算时间。由于燃气中本来含有大量的N2,在低富氧水平的情况下,CO2和H2O的浓度也不会太高。最近的研究表明[17],当炉内的平均射线长度较小时,标准的WSGGM足以模拟富氧燃烧,因此,继续使用初始的参数。

2.1 物理模型

本文选取步进式加热炉的相关参数来自于参考文献[18-20]。由于该加热炉关于z=0平面对称,因此只选取半个加热炉进行模拟。加热炉的物理模型如图1所示,其尺寸为34.8 m×5.02 m×10.8 m。加热炉被分为3个区域:预热区、加热区和均热区。钢坯从加热炉入口周期性地送入炉膛内,并依次在预热区、加热区和均热区进行加热。在同一时刻,加热炉内共有29块钢坯,从入口到出口按顺序编号为1、2、3……29。钢坯的尺寸为1.02 m×0.23 m×4.80 m,两个钢坯之间间距为0.16 m。加热炉内有18×5个立柱、3个静梁、2个步进梁,所有立柱和横梁都简化为矩形横截面,尺寸为0.32 m×0.32 m。

图1 加热炉物理模型[20]

加热炉共布置了12个轴向烧嘴和13个侧向烧嘴。将燃烧器烧嘴简化为同心圆结构,同心圆的内部圆面为燃气入口,直径为φ0.25 m;外部圆环为助燃气体入口,直径为φ0.5 m。

2.2 边界条件与初始条件

助燃气体和燃气入炉的温度分别为693、293 K,入口发射率设定为1.0的黑体。连接钢坯和流体的边界条件是耦合壁面的边界条件。所有钢坯的表面发射率为0.5,水冷梁、立柱和炉膛壁面的表面发射率为0.75。钢坯进炉的温度为293 K。

燃料是高炉和焦炉的混合煤气。混合煤气的组成成分如表1所示,燃烧热为14 195 kJ/kg。过量空气系数为1.1。燃烧器进口质量流量如表2所示。

表1 燃气成分 (质量分数,%)

表2 燃烧器进口质量流量 (kg/s)

本文考虑了滑轨系统和壁面热损失对板坯温度分布的影响。滑轨系统内通有冷却水,表面传热系数设置为15 W/(m2·K)。加热炉壁面隔热砖的导热系数为1.06 W/(m·K),厚度为0.3 m,环境的温度为343 K(更多参数设置见参考文献[20])。

2.3 物性参数

钢坯的密度设定为7854 kg/m3,其导热系数和比热容随温度的变化如表3所示。

表3 钢坯物性参数

2.4 网格与验证

加热炉分为固体域和流体域两个计算域,钢坯区域采用六面体网格,流体区域采用多面体网格,网格划分如图2所示。压力与速度的耦合采用SIMPLE算法,先在炉内进行稳态计算,稳态解再作为瞬态计算的初始条件。每隔256 s就有一块新钢坯以常温被输送到加热炉内加热。利用用户自定义函数(UDF)来实现钢坯间的周期性移动,该函数将各个钢坯所占区域的温度场复制给相邻下游钢坯所占的区域。加热炉内有29块钢坯,每块钢坯总的加热时间是7424 s。瞬态计算的时间步长是16 s,每个时间步长内收敛的标准为:质量残差降到10-4以下,能量和DO残差降到10-6以下。在加热炉引入60块钢坯后,加热炉的出钢平均温度与上一个256 s的出钢平均温度之差小于0.2 K,将此时的状态作为最终的解。

图2 加热炉网格划分

在空气-燃气燃烧情况下,选取95万网格、178万网格和280万网格上模型的计算结果与Han等[20]的结果进行比较,如图3所示。3种网格模拟的前10块钢坯平均温度与参考文献中的几乎一致。在第10块钢坯以后,钢坯平均温度的偏差逐渐增大,部分原因是在钢坯温度达到1073 K以上时,参考文献中钢坯发射率从1073 K以下的0.5增加到了0.6,而该模拟钢坯发射率恒为0.5。178万网格的钢坯出炉温度比95万网格的高出22 K,178万网格和280万网格的计算结果基本重合,因此本文选择178万网格进行模拟。与参考文献相比,钢坯出炉平均温度的差距控制在40 K以内,误差约为2.4%,在误差允许的范围以内。

图3 不同网络模拟钢坏的平均温度对比

3.1 炉内温度场分析

本文选取了3种富氧-燃气工况与空气-燃气工况进行模拟对比,3种富氧-燃气工况下氧气的体积分数分别为25%、30%和35%。在富氧燃烧模拟过程中,除了助燃气体入口边界条件不同外,其余设置都与空气-燃气工况保持一致。由于钢坯在加热炉内周期性移动,本文所有的结果都选自炉内钢坯移动前的时刻。

火焰处温度分布是衡量加热炉内火焰强度的重要指标。图4为距离加热炉底平面Y=1.004 m处4种工况下炉内的温度云图,此处的侧向烧嘴被一分为二。如图4所示,预热区和加热区中火焰长度较长是因为预热区和加热区的燃气供应量比均热区的大。在加热炉的非燃烧区,因为没有燃气燃烧和钢坯刚入炉时温度偏低,所以在预热区内存在一个低温区,且4种工况下低温区的温度分布较一致。在燃料燃烧释放相同热量的情况下,随着助燃气体中氧气浓度的提高,单位时间所需助燃气体的量不断减少,炉内火焰温度不断升高。富氧燃烧产生了温度更高的烟气,高温烟气的流动使高温范围延伸到更广的区域,从而使燃烧区的温度分布更加均匀。

图4 不同氧气体积分数下Y=1.004 m截面温度分布

3.2 钢坯温度场分析

图5为不同工况下钢坯上表面温度云图,用来定性分析轴向燃烧器加热效果和钢坯温度场均匀性。从图5 可以看出,由于钢坯下表面的横梁阻碍了钢坯与高温烟气接触,在钢坯下表面形成了3个低温区。低温区通过钢坯纵向传递到钢坯上表面,当钢坯输送到加热炉中间位置时尤为明显。对比不同工况下的温度云图,前3块 钢坯上表面温度云图比较相似,但是在第3块以后,随着富氧浓度的升高,钢坯上表面温度上升越快。

图5 不同氧气体积分数下钢坯上表面温度分布

图6为不同工况下钢坯的平均温度,用来研究加热炉中所有燃烧器的燃烧能力。在预热区和加热区属于钢坯的升温过程,热量的传递主要集中在此位置,而在均热区钢坯平均温度的升高速率逐渐放缓。在不同工况下,加热炉中前几块钢坯的平均温度相差不大,说明不同富氧条件下从燃烧区过来的烟气传递给钢坯的热量并没有显著差别。随着富氧浓度的增加,钢坯的升温速率曲线也更陡,说明氧气浓度越高,钢坯加热效果更好。虽然钢坯最终出炉的平均温度随着富氧浓度的提高而增加,但是增加幅度逐渐降低,从空气工况(1435 K)到25%O2工况(1516 K),钢坯平均温度增加了81 K,而从30%O2工况(1590 K)到35%O2工况(1643 K),钢坯平均温度只增加了53 K。

图6 不同氧气体积分数下钢坯平均温度

为了对比不同工况下加热炉轴向和侧向燃烧器的加热能力,研究了钢坯上、下表面的平均温度。图7(a)为钢坯上表面平均温度曲线图。从图7(a)可以看出,所有工况下上表面平均温度曲线都具有相似的规律,其第13和14块钢坯上表面升温速率都有所下降,类似的现象出现在第22和23块钢坯上。这些钢坯出现在预热区和加热区、加热区和均热区的交界处,由于加热炉上部流通截面积的突然减小,导致此处钢坯加热效率降低。对比不同工况下上表面平均温度曲线可以看出,助燃气体中氧气浓度越高,钢坯上表面平均温度越高。图7(b)为钢坯下表面平均温度曲线图,与上表面平均温度不同的是,第1～4块钢坯下表面的平均温度随富氧浓度增加而降低,这是富氧后第1～4块钢坯下表面的热流密度降低导致的。

图7 不同氧气体积分数下钢坯表面平均温度

另一个衡量钢坯加热质量的重要参数为黑印温差,它表明了钢坯内部温度不均匀程度。工业上常用钢坯的平均温度与钢坯和静梁接触面的平均温度之差衡量黑印程度[11]。图8为钢坯在不同工况下的黑印温差。每一工况下的黑印温差都出现先增加后减小的趋势,在第10或11块钢坯的黑印温差达到最大值,钢坯最大黑印温差分别为:145.9 K(21%O2)、150.8 K(25%O2)、154.0 K(30%O2)和156.4 K(35%O2)。钢坯的最大黑印温差随着富氧浓度的增加而增大。在钢坯达到最大黑印温差以后,富氧浓度越高,钢坯的黑印温差下降越快,并在14～16块之间钢坯黑印温差出现反转。当助燃气体中O2体积分数由21%增加到35%时,钢坯出炉时黑印温差从35 K降到了15 K。从以上可以看出,在空气工况下,加热炉内前半段温度场更加均匀,而在富氧工况下,加热炉后半段温度场均匀性更好。

图8 不种氧气体积分数下钢坯黑印温差

3.3 钢坯换热量分析

在加热炉内,钢坯所接收到的热量大部分是通过辐射方式传递。辐射换热在钢坯加热过程中起着非常重要的作用,而对流换热对钢坯的温升影响不大。图9(a) 为钢坯上表面的辐射热流密度。同一工况下,钢坯上表面辐射热流密度从进入加热炉时逐渐增加,在第10块钢坯的位置达到最大值。当钢坯进入加热炉颈部时,此时钢坯上表面的辐射热流密度急剧减小,经过颈部后,辐射热流密度再次升高,导致上表面辐射热流密度曲线比下表面的多出了两个波峰。分析不同富氧条件下上表面辐射热流密度,随富氧浓度的增加,钢坯上表面辐射热流密度也随之增加。图9(b)为钢坯下表面的辐射热流密度。与上表面辐射热流密度不同的是,在第1～5块和第24～29块钢坯下表面辐射热流密度随富氧浓度的增加而减小。由于加热炉下半部分存在水冷梁,水冷梁的散热和辐射屏蔽造成下表面的平均辐射热流密度整体比上表面的小。

图9 不同氧气体积分数下钢坯辐射热流密度

图10是不同工况下钢坯的辐射传热量与对流传热量大小及其比例。随着富氧浓度的增加,炉内具有较高的火焰温度以及CO2和H2O浓度,因此钢坯的辐射传热量也随之增加。钢坯的辐射传热量占总传热量的比例由空气工况下的95.2%增加到35%O2工况下的96.9%。助燃气体中氧气体积分数增加后,由于在加热炉内燃烧所需的助燃气体量减少,炉膛内烟气流量减少,导致加热炉内总对流换热量降低。钢坯总传热量从空气工况(26.81 MW)到25%O2工况(28.67 MW),增加了1.86 MW,而从30%O2工况(30.35 MW)到35%O2工况(31.60 MW),只增加了1.25 MW,增加幅度有所降低。将单位时间内钢坯吸收热量与燃料供应的热量之比定义为加热炉的热效率,用公式(20)表示为:

图10 不同氧气体积分数下钢坯传热量

(20)

式中:η为加热炉的热效率;Q为单位时间传递给钢坯的热量,kW;B为单位时间混合煤气供应量,kg/s;QL为混合煤气的燃烧热,kJ/kg。随富氧浓度增加,加热炉热效率从41.1%(空气工况)提高至48.4%(35%O2工况)。

本文通过Fluent软件对步进式加热炉的气相流动燃烧和钢坯加热过程进行了瞬态模拟。在空气和氧气体积分数为25%、30%和35%的低水平富氧与燃气燃烧的条件下,分析了加热炉内温度场分布和钢坯加热特性,与空气工况进行对比,得出以下结论:

1) 在燃料供应量相同的情况下,当氧气体积分数从21%增加到35%时,燃烧区内烟气温度逐渐升高,且温度场分布更加均匀,钢坯出炉时黑印温差从35 K减小至15 K,钢坯的平均温度从1435 K提高至1643 K。

2) 在钢坯进入加热炉喉部位置加热时,由于流通截面积变小,4种工况下的钢坯上表面辐射热流密度都急剧减小。大部分钢坯表面辐射热流密度随着助燃气体中氧气浓度的提高而升高,但第1～5块和第24～29块钢坯下表面辐射热流密度则随着助燃气体中氧气浓度的提高而降低,造成了此处钢坯下表面的升温速率变慢。

3) 在加热炉内,钢坯所接收热量的95%以上是通过辐射方式传递,且富氧浓度越高,辐射传热量所占比例越大。当助燃气体中氧气体积分数从21%增加到35%时,总传热量增加了1.86 MW,加热炉热效率从41.1%提高至48.4%。

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