朱慶霞馮 青王化能付海丹

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西景德鎮(zhèn) 333001；2.杭州諾貝爾集團有限公司，浙江杭州 311122）

梭式窯富氧燃燒高溫階段換熱特性的模擬研究

朱慶霞1馮 青1王化能2付海丹1

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西景德鎮(zhèn) 333001；2.杭州諾貝爾集團有限公司，浙江杭州 311122）

采用計算流體力學(xué)（CFD）軟件——FLUENT研究了富氧濃度對高溫階段梭式窯內(nèi)換熱特性的影響。結(jié)果表明采用富氧空氣助燃技術(shù)，提高窯內(nèi)溫度的同時也增大了窯內(nèi)溫差。分析了產(chǎn)生截面溫差的原因，為梭式窯富氧燃燒的穩(wěn)定運行奠定理論基礎(chǔ)。

梭式窯；富氧燃燒；富氧濃度；換熱特性；溫差

0 引言

富氧燃燒具有很多優(yōu)點,如提高熱效率、提高處理速率、減少煙塵排放、減小裝置尺寸等，是一種高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，被發(fā)達國家稱之為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”[1～2]。富氧燃燒在回轉(zhuǎn)窯和玻璃熔窯中的應(yīng)用研究較多[3～4]，在梭式窯方面的應(yīng)用研究相對較少。梭式窯高溫段的流動與換熱狀況是影響產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能效率等的重要因素，因此掌握梭式窯預(yù)混富氧燃燒高溫階段換熱特性對于窯爐的節(jié)能降耗和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等起著至關(guān)重要的作用。由于陶瓷窯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對流場、氣氛場和溫度場的測量顯得十分困難，實驗研究仍然不足以全面揭示流動和傳熱規(guī)律。計算流體力學(xué)FLUENT軟件是一個很好的解決辦法。FLUENT軟件設(shè)計針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合它的數(shù)值解法在計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳，省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)的、低效的勞動，而將主要的精力、智慧用于物理本身的探索上[5]。目前，F(xiàn)LUENT軟件在陶瓷窯爐模擬研究中的應(yīng)用日益廣泛[6-7]，宮小龍[8]等驗證了利用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)模擬研究梭式窯的可行性。因此，本文在此研究基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件對采用不同氧濃度的富氧空氣整體助燃時梭式窯內(nèi)的換熱特性進行數(shù)值模擬研究，以期為梭式窯富氧燃燒的穩(wěn)定運行奠定理論基礎(chǔ)。

1 模型的建立

本文以0.1m3液化石油氣梭式窯為模擬對象，在建立模型之前，先做如下簡化：（1）幾何體尺寸以實際梭式窯的尺寸為準；（2）窯門與窯墻之間不存在任何縫隙，即燒成過程中不會漏入冷空氣；（3）梭式窯燒嘴入口僅僅為固定空燃比的一個入口（模擬預(yù)混燃燒），不考慮二次空氣；（4）料垛以空心圓柱體表示，在窯內(nèi)按模擬要求分布。

由于窯體幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，僅用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來離散計算區(qū)域是非常困難的；倘若完全使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于窯內(nèi)料垛排列緊密造成網(wǎng)格數(shù)目的龐大而大大增加計算機的計算工作量，從而增加了計算時間，同時也難于控制網(wǎng)格疏密造成局部網(wǎng)格過細，加大數(shù)值計算的舍入誤差。為了克服以上困難，本文采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，將梭式窯計算區(qū)域分為燒嘴區(qū)域、料垛區(qū)域和周邊區(qū)域三個部分，分別生成三對彼此獨立的網(wǎng)格（即燒嘴區(qū)域和料垛區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，周邊區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散），燒嘴出口、煙氣出口、料垛的周邊等速度梯度較大的區(qū)域進行局部加密。具體網(wǎng)格劃分圖見圖1。

表1 不同氧濃度條件下的燒嘴出口速度值及模擬的邊界條件Tab.1 Exit velocities at different oxygen concentrations and boundary conditions for simulation

1.1 邊界條件及物性參數(shù)的確定

為了便于邊界條件的確定，現(xiàn)對模型進行如下假設(shè)：（1）窯車（或窯底）、窯門與窯墻的材料近似為全陶瓷纖維材料或耐火粘土磚；（2）環(huán)境溫度為300K（27℃）；（3）在模擬過程中忽略坯體和釉料的物理化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)，即僅僅包括燃料的燃燒，窯墻，坯體本身及煙氣的換熱過程；（4）梭式窯內(nèi)某一離散溫度點的燃燒為三維穩(wěn)態(tài)預(yù)混湍流燃燒；（5）氣體為不可壓理想氣體；（6）僅考慮煙囪底部的壓力，不計算煙囪內(nèi)部煙氣的流動情況。

1.2 速度入口及壓力出口邊界條件

據(jù)相關(guān)文獻表明,富氧燃燒技術(shù)節(jié)能效果最好是在富氧空氣中氧濃度在21%～30%范圍內(nèi)[9]，因此，本文將分別模擬研究氧濃度為21%、24%、27%時梭式窯內(nèi)的溫度場。為了貼近實驗工況，離散成3個溫度點（1050℃、1200℃、1300℃），保持各溫度點燃料入口速度不變。

經(jīng)過計算[10]，梭式窯熱態(tài)模擬所需的邊界條件如表1所示，單位均采用國際標準單位。針對不同氧濃度，根據(jù)離散溫度點的燃料入口速度，通過燃料燃燒學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)知識可計算出相應(yīng)狀態(tài)下的空氣入口速度和燒嘴出口速度。煙氣出口的壓力即煙囪底部的壓力，可根據(jù)窯內(nèi)不同氣氛取適當(dāng)?shù)膲毫χ?。在FLUENT里對坯體的邊界條件設(shè)置時，隨著窯內(nèi)溫度的升高，由于輻射所傳遞的熱量急劇上升，換熱快且均勻，此時制品表面取等熱流密度會對整個模擬計算造成很大的誤差，所以坯體表面在高溫時取等溫度邊界條件或耦合邊界條件[11]。應(yīng)用傳熱學(xué)的相關(guān)知識，可估算窯墻的熱流密度。

1.3 數(shù)值計算方法

在數(shù)值方法上，選用FLUENT提供的分離求解器。為了提高計算精度同時加快收斂速度，在初始計算中先計算流場，達到收斂以后引入能量方程和動量方程。并且能量方程和動量方程選用一階迎風(fēng)格式，收斂以后選用二階迎風(fēng)格式，再迭代至最終收斂。在算法上選用SIMPLEC算法以提高收斂性。

2 模擬結(jié)果分析與討論

在坯體燒制過程中，600℃～1050℃屬氧化階段，1050℃～1200℃屬還原階段，1200℃～1300℃以上為燒結(jié)階段，此時窯內(nèi)換熱由預(yù)熱階段的對流換熱為主逐漸隨溫度的升高轉(zhuǎn)為以輻射換熱為主。一般在這一階段，燒嘴全開。為了貼近實驗工況要求，高溫階段模擬研究也在梭式窯四角點“點”四只燒嘴。

本文以1300℃離散溫度點為例，對采用不同氧濃度的富氧空氣進行整體增氧助燃時梭式窯內(nèi)換熱特性進行分析。從圖2、圖3的窯爐中部（坯體頂部）和窯爐底部（坯體底面）兩截面的溫度等值線圖可以看出，當(dāng)采用普通空氣助燃時，整個窯爐中部及底部的截面溫度均勻，截面溫差較小。當(dāng)采用富氧空氣助燃時，隨著富氧濃度的增加，截面溫度逐漸提高，這主要是因為在高溫階段，煙氣與制品的換熱主要以輻射換熱為主，由氣體輻射特點可知，只有三原子和多原子氣體具有輻射能力，而雙原子氣體幾乎無輻射能力，富氧燃燒減少了無輻射能力的氮氣量，也就相應(yīng)增加了煙氣對制品的換熱，從而使窯內(nèi)的溫度普遍提高；但當(dāng)采用富氧空氣進行助燃時，窯內(nèi)截面的溫差也會逐漸變大，這主要是因為隨著氧濃度的增加，火焰的長度變短，火焰燃燒變急，造成窯內(nèi)的輻射換熱不均勻，進而造成窯內(nèi)各個截面溫差變大。

從圖2還可以看出，在氧濃度為24%時，y=65mm處窯爐中部截面噴火口處的溫度最高。這是因為采用富氧空氣助燃時,隨著富氧濃度的增大，噴火口處火焰的溫度場溫度梯度逐漸增大[12]。而富氧濃度在21～24%變化范圍內(nèi)，火焰增加幅度又比較大（窯內(nèi)平均溫度增加90℃），加之其火焰燃燒的溫度場溫度梯度較氧濃度為27%時的溫度梯度小，因而出現(xiàn)了在窯爐中部截面上氧濃度為24%時，噴火口處溫度最高的反?，F(xiàn)象。而氧濃度為27%時雖然平均溫度最高，但由于其火焰溫度梯度大，窯爐中部截面（y=65mm）可能偏離其火焰最高溫度面較遠。

窯爐底部（坯體底面）截面(y=－310mm)溫度比窯爐中部（坯體頂部）截面(y=65mm)平均溫度要低，局部區(qū)域兩截面溫差最高達到100～200℃左右，這主要是因為窯爐底面氣流流速低，換熱狀況較窯爐中部弱，加之窯爐底部截面又處于燒嘴燃燒火焰的根部，從而產(chǎn)生窯爐底面溫度比窯爐中部溫度低的現(xiàn)象；采用富氧空氣助燃時，兩截面溫差更大，這同樣是由于富氧燃燒會增大火焰燃燒的溫度梯度。因此，在采用富氧空氣助燃技術(shù)，有必要加設(shè)氣流擾動裝置，在整體提高窯內(nèi)溫度的同時，均勻溫度場，避免局部高溫惡化產(chǎn)品質(zhì)量以及破壞砌體材料。

從圖2～3還可以看出，當(dāng)氧濃度為21%時，窯尾溫度要比窯門方向溫度高出40～85℃；當(dāng)氧濃度為24%、27%時，窯尾溫度比窯門方向高出50～120℃。這主要是因為排煙口設(shè)在窯尾，窯頭煙氣比窯尾煙氣在窯內(nèi)滯留時間長，導(dǎo)致梭式窯內(nèi)局部對流換熱速度不同以及窯內(nèi)換熱不均勻；氧濃度越大，火焰燃燒越急，窯內(nèi)熱輻射就越不均勻，所以截面溫差越大。因此建議無論采用普通空氣助燃方法還是富氧空氣助燃方法，窯內(nèi)煙氣出口的位置都不應(yīng)全部集中在窯尾底部排煙，應(yīng)該在窯頭設(shè)計適當(dāng)?shù)呐艧熆?，使氣流排出口均勻分布在窯底，這樣能使煙氣射流在窯內(nèi)分布均勻，減少窯內(nèi)截面溫差，有利于對坯體的加熱。

在圖3中，當(dāng)采用普通空氣助燃時，窯爐底面換熱較弱，溫度較低，在窯爐底面同一水平截面上，左右兩側(cè)中間部位出現(xiàn)了溫度偏高的區(qū)域帶，造成上述現(xiàn)象的主要原因是研究的梭式窯有效容積較小（0.1m3），料垛排列相對較密，煙氣不能充分沖刷燒嘴附近區(qū)域料垛，加之燒嘴煙氣射流頂部回流的出現(xiàn)，造成部分料垛間隙區(qū)域的氣流流動緩慢，湍流度不高；而兩側(cè)燒嘴是呈對稱布置，在窯爐左右兩側(cè)對稱面處區(qū)域煙氣射流匯集，氣體流速較大，湍流度大，換熱較強而導(dǎo)致間隙溫度偏高。因此建議無論采用普通空氣助燃方法還是富氧空氣助燃方法，料垛中部應(yīng)適當(dāng)碼密些，可在一定程度上克服料垛區(qū)域左右方向中間部位溫度偏高的現(xiàn)象，緩解局部換熱不均勻的問題。

3 結(jié)論

（1）運用FLUENT軟件建立了0.1m3梭式窯的幾何模型，并模擬了不同氧濃度的富氧空氣助燃時高溫階段窯內(nèi)的換熱特性，為梭式窯的富氧燃燒運行提供了有益的參考。

（2）采用富氧空氣助燃技術(shù)，能使窯內(nèi)的截面溫度普遍得到提高，但是同時也使窯內(nèi)同一水平截面溫差增加，這主要是因為隨著氧濃度的增加，火焰的長度將會變短，火焰燃燒變急，造成窯內(nèi)的輻射換熱不均勻，進而造成窯內(nèi)溫差變大。

（3）為了減少窯頭窯尾的溫差，應(yīng)均勻布置排煙口。料垛中部適當(dāng)碼密些，在一定程度上可克服料垛左右方向中部區(qū)域溫度偏高現(xiàn)象，緩解料垛局部換熱不均勻的問題。

1 劉毅,李光界,孫鶴等.富氧助燃技術(shù)及其應(yīng)用.節(jié)能與環(huán)保,2005,2:28～29

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10 付海丹.梭式窯富氧預(yù)混燃燒火焰特性及窯內(nèi)換熱特性研究.景德鎮(zhèn):景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院,2011

11 孫晉濤.硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ).湖北:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1999

12 朱慶霞,馮青,付海丹.預(yù)混富氧燃燒火焰特性的實驗研究.陶瓷學(xué)報,2012,33(2):627～631

Numerical Research on Heat-transfer Characteristics of Oxygenenriched Combustion in the High-temperature Stage of Shuttle Kiln

ZHU Qingxia1FENG Qing1WANG Huaneng2FU Haidan1
(1.Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province,School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333001,China;2.Hangzhou Nabel Group.co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 311122,China)

The effect of oxygen concentration on the heat-transfer characteristics in the high-temperature stage of shuttle kiln was investigated by computational fluid dynamics (CFD)software-FLUENT.The results show that the oxygen-enriched combustion technology can raise the temperature,and increase the temperature difference.Causes of cross-section temperature difference were analyzed to find the theory basis for the stable operation of oxygen-enriched combustion in the shuttle kiln.

shuttlekiln;oxygen-enrichedcombustion;oxygenconcentration;heat-transfercharacteristics;temperaturedifference

on Mar.26,2012

T Q 1 7 4.4+3

A

1000-2278（2012）03-0315-05

2012-03-26

江西省教育廳青年科學(xué)基金項目（編號：GJJ11201）

朱慶霞，E-mail:qingxia-zhu@163.com

ZHU Qingxia,E-mail:qingxia-zhu@163.com