博比巴茨（上海）機(jī)械設(shè)備有限公司

　　摘 要：

　　簡(jiǎn)述了蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理，并對(duì)燃料換向蓄熱式燃燒技術(shù)和燃料不換向蓄熱式燃燒技術(shù)進(jìn)行了比較。

　　針對(duì)目前大型的 50 t 以天然氣為燃料的圓形熔鋁爐，利用 CFD 軟件，對(duì)采用對(duì)沖式不換向熔鋁爐爐內(nèi)傳熱、流動(dòng)以及燃燒進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的模擬研究。

　　通過(guò)數(shù)值模擬得到了爐內(nèi)氣體溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布情況，為對(duì)沖式不換向蓄熱式熔鋁爐的設(shè)計(jì)與研究提供了理論基礎(chǔ)。

　　較后，通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目的節(jié)能效果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬的正確性。

　　蓄熱式燃燒技術(shù)，近十幾年在熔鋁爐上獲得了廣泛的應(yīng)用。換向蓄熱式燃燒的工作原理見(jiàn)圖 1。對(duì)于換向式蓄熱燃燒系統(tǒng)，由于燃料換向燃燒，使用油料，特別是黏度較高的油料作為燃料時(shí)，燒嘴經(jīng)常發(fā)生堵塞、結(jié)焦、斷火、不燃等現(xiàn)象；以天然氣為燃料時(shí)，燒嘴也存在爆鳴、爆燃等問(wèn)題，給安全生產(chǎn)留下較大的隱患。近些年人們提出了燃料不換向蓄熱式燃燒技術(shù)。

　　其工作原理

　　只安裝一個(gè)燒嘴，燃料自燒嘴噴入熔鋁爐，不再換向。蓄熱室 A、B 內(nèi)均裝有高鋁耐火球，當(dāng)常溫空氣經(jīng)過(guò)蓄熱室 A 時(shí)，蓄熱室 A 耐火球的熱量傳給了空氣，使空氣達(dá)到 1 000 ℃以上的高溫，高速噴出后給燃料助燃；燃燒產(chǎn)物(高溫?zé)煔?進(jìn)入蓄熱室 B將熱量傳給蓄熱室B 中的陶瓷球，溫度下降到 150℃左右后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)。A、B 兩蓄熱室助燃、排煙反復(fù)更換，陶瓷球放熱、蓄熱也伴隨變化，助燃空氣溫度始終保持在 1 000 ℃，比爐溫低 200 ℃左右，進(jìn)入引風(fēng)機(jī)排向大氣的煙溫在 150 ℃左右。

　　不換向蓄熱式燃燒技術(shù)只有一個(gè)燒嘴，燃料連續(xù)燃燒不換向，因此也就不存在燒嘴堵塞、結(jié)焦、斷火、不燃、爆鳴、爆燃等問(wèn)題，其使用安全性及壽命均得到較大提高。

　　此外，對(duì)于換向蓄熱式，必須安裝值班燒嘴(俗稱小槍)。利用小槍連續(xù)燃燒來(lái)點(diǎn)燃換向燃燒的燒嘴(大槍)。因此，無(wú)論大槍是否處于燃燒狀態(tài)，小槍必須長(zhǎng)明。

　　在大槍處于不燃燒狀態(tài)時(shí)，小槍燃燒產(chǎn)生的熱量無(wú)法進(jìn)入熔鋁爐內(nèi)，而是隨排煙流入蓄熱室，這樣既造成了燃料的無(wú)謂浪費(fèi)，又提高了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　對(duì)于不換向蓄熱式，由于燃料供應(yīng)是連續(xù)的，火焰在連續(xù)穩(wěn)定的燃燒，無(wú)需安裝小槍，自然也就沒(méi)有小槍產(chǎn)生的熱損失，使熔鋁爐的熱效率得到進(jìn)一步提高。

　　但是，對(duì)于 50 t 這樣的大型熔鋁爐來(lái)說(shuō)，爐體長(zhǎng)度達(dá)到 7 m 以上，遠(yuǎn)大于 5 m。如果只在爐體的一側(cè)布置一只燒嘴，火焰難以充滿整個(gè)爐膛。

　　所以本文提出一種新型對(duì)沖式不換向蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)：即在爐膛的兩側(cè)各布置一套不換向蓄熱燃燒系統(tǒng)，形成對(duì)沖式火焰，覆蓋整個(gè)鋁液面，完全解決因爐膛長(zhǎng)度大而導(dǎo)致的火焰不能充滿的難題。

　　由于此種結(jié)構(gòu)的熔鋁爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)這種對(duì)沖式不換向蓄熱式熔鋁爐進(jìn)行數(shù)值模擬，了解爐內(nèi)氣體流動(dòng)及溫度分布狀況，對(duì)熔鋁爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究具有重要的理論指導(dǎo)意義。

　　1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

　　以 50 t 對(duì)沖式天然氣熔鋁爐為研究對(duì)象。該爐由爐體、4 個(gè)蓄熱室、2 只燒嘴組成。

　　爐體呈圓柱體，物料從側(cè)面裝入。

　　熔池位于熔煉爐底部，燒嘴居中布置，蓄熱室均布兩側(cè)，燒嘴與水平面呈 15°向下傾角。爐內(nèi)氣體的湍流流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型模擬，燃燒反應(yīng)采用渦耗散模型計(jì)算，邊界條件設(shè)置如下：

　�。�1）燒嘴出口天然氣速度取 12 m/s，天然氣溫度為 300 K，入口水力直徑為 80 mm；

　　（2）燒嘴出口熱空氣速度取 90 m/s，空氣溫度為1300 K，入口水力直徑為 220 mm；

　　（3）出口設(shè)置為壓力出口；

　�。�4）壁面邊界底面設(shè)為 900 K 壁溫，其它壁面絕熱。

　　2 控制方程

　　2.1質(zhì)量守恒方程

　　質(zhì)量守恒方程是流體流動(dòng)過(guò)程中需要滿足的基本條件之一，其主要控制運(yùn)算過(guò)程中流體的連續(xù)性。

　　即單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)以封閉區(qū)域作為控制體的流場(chǎng)中，控制體的質(zhì)量增量等于體表面（控制面）進(jìn)出控制體的流體質(zhì)量之差。

　　質(zhì)量守恒方程對(duì)于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)均適用。

　　2.2 動(dòng)量守恒方程

　　動(dòng)量守恒方程的定義為作用在微元之上的總外力與控制體的流體動(dòng)量相對(duì)于時(shí)間的變化率相等，這一定義對(duì)于流體的流動(dòng)具有重要意義。

　　2.3 能量守恒方程

　　能量守恒方程主要針對(duì)流動(dòng)過(guò)程中的熱傳遞，即單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出控制體的熱量之差加上熱源產(chǎn)生的熱量與控制體熱能增量相等。

　　3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

　　3.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

　　溫度場(chǎng)是燃燒及傳熱數(shù)值計(jì)算中較重要的一個(gè)物理場(chǎng)，是衡量爐內(nèi)狀況的重要依據(jù)。圖 3是熔鋁爐內(nèi)的溫度分布情況。

　　由溫度場(chǎng)分布可看出，爐內(nèi)火焰較長(zhǎng)，幾乎貫穿整個(gè)爐膛，燃燒溫度較高，有利于鋁料的熔化。燒嘴傾斜一定的角度，使高溫氣流沖向熔池液面中心，大大加強(qiáng)了爐內(nèi)氣體與鋁料的對(duì)流傳熱，爐內(nèi)火焰充滿度較好，溫度場(chǎng)分布均勻，能夠加快熔池內(nèi)鋁料的熔化速度。

　　3.2 速度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析從圖

　　4 可以看出，爐內(nèi)氣體流動(dòng)方向與火焰方向一致，沿?zé)�嘴傾斜方向向前方流動(dòng)，從鋁液表面流過(guò)，遇到爐膛末端壁面后形成回流，延長(zhǎng)了高溫氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于增強(qiáng)爐內(nèi)換熱。

　　爐內(nèi)溫度分布與爐內(nèi)速度分布相對(duì)應(yīng)，爐內(nèi)氣流速度較高的區(qū)域其溫度也較高，這是因?yàn)樗俣容^高的區(qū)域內(nèi)氣體對(duì)流傳熱效果明顯，爐內(nèi)流場(chǎng)分布是合理的，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4 應(yīng)用效果

　　為驗(yàn)證其效果，采用不切換蓄熱式燃燒技術(shù)對(duì)佛山一臺(tái) 50 t 熔鋁爐進(jìn)行了節(jié)能改造，效果顯著。噸鋁天然氣消耗由原來(lái)的 70 m3下降到 63 m3，下降10%。目前，天然氣價(jià)格為 4 元/m3，噸鋁可節(jié)省天然氣費(fèi)用 28元；按 50 t 熔鋁爐年產(chǎn)鋁棒 5 萬(wàn) t 計(jì)算，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用 140 萬(wàn)元。改造費(fèi)用大約 70萬(wàn)元，投入資金回收期 6 個(gè)月。

　　燃料不換向蓄熱式燃燒技術(shù)在 50 t 熔鋁爐上的應(yīng)用可節(jié)省 10%的燃料，按年產(chǎn)50000 t 鋁計(jì)算，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用 140 萬(wàn)元，值得在同行業(yè)中大力推廣。