天然气不换向蓄热式熔铝炉的模拟应用.pdf

冶 金能 源 ENERGY F0R METALL URGI CAL I NDUS TRY Vo I ． 33 No ． 4 J u l y ． 2 01 4 天然气不换 向蓄热式熔铝炉 的模 拟应 用 刘效洲 卢坚伟 广东工业大学 热能与动力工程系 摘要叙述了蓄热式燃烧技术的工作原理，并对燃料换向蓄热式燃烧技术和燃料不换向蓄 热式燃烧技术进行了比较。利用 C F D软件 F L U E N T，采用标准 k一 湍流模型、漩涡破碎模 型，对 2 0 t 熔铝炉炉内传热及烟气流动进行了数值模拟，得到了炉内气体温度场、流场的分 布情况，为不换向蓄热式熔铝炉的应用提供了理论基础。改造后，实际的节能效果验证了模 拟的正确性 。 关键词熔铝炉不换向蓄热式燃烧数值模拟改造节能 App l i c a t i o n s i mu l a t i o n o f t he r e g e n e r a t i v e a l u mi nu m me l t i n g f ur na c e o f na t ur a l g a s wi t ho ut c ha n g i ng t h e di r e c t i o n L i u X i a o z h o u L u J i a n w e i G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ab s t r a c t The r e g e n e r a t i v e c o mbu s t i o n t e c hn o l o g y wo r k s we r e d e s c rib e d，a n d f ue l c o mmut a t i o n r e g e n e r a t i v e c o mbu s t i o n t e c h no l o g y a nd f u e l wi t ho u t r e v e r s i n g r e g e ne r a t i v e c o mb us t i o n t e c hn o l o g y we r e c o n p a r e d ．A n u me ric a l s i mu l a t i o n wa s ma d e f o r t h e 2 0 t o n s 0 f a l u mi n u m me l t i n g f u r n a c e o f i t s h e a t t r a n s f e r a n d fl o w ，b y u s e o f C F D s o f t wa Y e F L U EN T，a c c o r d i n g t o t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n，no me n t u m e q u a t i o n ma t h e ma t i c a l mo d e l 。t h e s t a n d a r d k t u r b u l e n c e mo d e l a n d w h i r l p o o l Br e a k u p Mo d e 1．Ga s t e mp e r a t u r e fi e l d a n d fl o w fi e l d d i s t r i b u t i o n i n s i d e t h e f u r n a c e we r e ma d e b y n u me ri c a l s i mu l a t i o n w h i c h c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f t h e n o nr e v e r s i n g r e g e n e r a t i v e a l u mi n um me l t i n g f u rn a c e．Afte r t h e r e f o r ma t i o n，t h e a c t ua l e ne r g y e f f i c i e n c y v a l i da t e d t he n ume r i c al s i mu l a t i o n i s c o r r e c t ． Ke y wo r d s a l u mi n u m me l t i n g f u r n a c e w i t h o u t r e v e r s i n g r e g e n e r a t i v e c o mb u s t i o n n u me ric a l s i mu l a t i on r e f o r ／ n e n e r gy s a v i n g s 燃料换向蓄热式燃烧技术是 由英国 Ho t w o r k D e v e l o p m e n t 公司和 B r i t i s h G a s公 司合 作开发推 出的新式的蓄热式燃烧技术 ，近十几年 以来在熔 铝炉上获得 了广泛 的应用⋯ 。该技术 采用 陶瓷 球做蓄热体，单位体积蓄热面积可达 2 0 0 m ；预 热的空气温度可达 1 0 0 0 oC，仅 比炉 内温度低 2 0 0 C左右；回收了 8 5 ％ 以上的烟气废热 ，并将 这些热量返 回炉中助燃 ，极 大减少 了燃料消耗 ， 被国际上称之为 2 1世纪 的节能关键技术之一。 对于换向式蓄热燃烧系统 ，由于燃料换向燃 烧 ，在企业使用油料 特别是粘度较高 的油料 作为燃料时 ，烧嘴经常发生堵 塞 、结焦 、断火 、 不燃等现象 ；以天然气为燃料时 ，烧嘴也存在爆 鸣 、爆燃 等 问题 ，给 安 全 生 产 留 下极 大 的 隐 患_ 2 J 。因此 ，近些年来人 们提 出了燃 料不换 向 蓄热式燃烧技术 ，工作原理如图 1 所示 只安装一个燃料烧嘴 ，燃料 自烧嘴喷入熔铝 炉 ， 不再换 向。 当常温空 气经 过蓄 热室A时 ， 蓄 去 去 收稿 日期 2 0 1 31 2一l 1 刘效洲 1 9 7 1 ～ ， 博士 ／ 副教授； 5 1 0 0 19 6广东省广州市。 图 1 燃料不换向蓄热式燃烧技 术工作原理 Vo l _ 3 3 No ． 4 J u l y ． 2 0 1 4 冶 金能 源 ENERGY F 0R METALL URGI CAL I NDUS TRY 41 热室 A陶瓷球 的热量传给 了空气 ，使空气达 到 1 0 0 0 ℃以上 的高温 ，高速喷出后给燃料助燃 ；燃 烧产物 高温烟气 进入 蓄热室 B将热量传 给 蓄热室 B中的陶瓷球 ，温度下降到 1 5 0 ℃左右进 入引风机。换 向后 ，蓄热 室 B预热空气 给燃料 助燃 ，蓄热室 A排烟气给陶瓷球蓄热 。A、B两 蓄热室助燃 、排烟反复更换 ，陶瓷球放热 、蓄热 也伴随变化 ，助燃空气温度始终保持在 1 0 0 0 C， 比炉温低 2 0 0 C左右 ，进入引风机排向大气 的烟 温在 1 5 0 o C左右。 不换向蓄热式燃烧技术 只有一个燃料烧 嘴， 燃料连续燃烧 不换 向，因此 也就不存在烧 嘴堵 塞 、结焦 、断火 、不燃 、爆鸣 、爆燃等问题 ，其 使用安全J』 生及寿命均得到极大提高。 此外 ，对于换向蓄热式 ，必须安装值班烧嘴 俗称小枪 。利用小枪 连续燃烧 来点燃换 向燃 烧的烧嘴 大枪 。因此 ，无论大枪是否处 于燃 烧状态，小枪必须 长明。在大枪处于不燃烧状态 时，小枪燃烧产生的热量无法进入熔铝炉内，而 是随排烟流人蓄热室 ，这样既造成 了燃料的无谓 浪费，又提高了工人的劳动强度。对于不换向蓄 热式 ，由于燃料供应是连续的，燃烧火焰连续稳 定 ，无需安装小枪 ，自然也就没有小枪产生的热 损失 ，使熔铝 炉的热效率得 到进一 步提高。因 此 ，对不换向蓄热式熔铝炉进行数值模拟 ，了解 炉内气体流动及温度分布状况 ，对熔铝炉的优化 设计与研究具有重要的理论指导意义。 1 计算模型 以最常见 的 2 0 t 天然气熔铝炉为研究 对象。 该炉由炉体 、两个蓄热室 、燃料烧嘴组成 。 炉体呈长方 型，物料从 侧面装 入 。熔池 位于熔炼炉底部 ，燃料烧嘴居中布置 ，蓄热室均 布两侧 ，烧嘴与水平面呈 1 5 。 倾角。 炉内气体的湍流流动采用标准 ．]} 一 湍流模 型模拟 ；燃烧 反应 采用漩 涡 耗散 模 型计 算 。 边界条件设置如下 1 燃料烧嘴 出口天然气速度 6 0 m ／ s ，天 然气温度 3 0 0 K，人 口水力直径 7 0 m m； 2 燃料烧嘴 出 口热空气速度 8 0 m ／ s ，空 气温度 1 3 0 0 K，入 口水力直径 2 6 0 m m； 3 出 口设置为出流边界 O u t fl o w ； 4 壁面边界近似设为绝热固体边界条件。 2结果与分析 2 ． 1 温度场模拟 温度场是燃烧及传热数值计算中最重要的一 个物理场，是衡量炉内状况 的重要依据。由温度 场分布可看出，炉内火焰较长 ，约到达炉膛长度 2 ／ 3位置 ，燃烧温度较 高，有利于铝料 的熔化 。 烧嘴倾斜一定 的角度 ，使高温气流冲向熔池液面 中心，从而大大加强了炉内气体与铝料的对流传 热 ，能够加快熔池 内铝料 的熔化 速度。总体来 说 ，炉 内火焰充满度较好 ，温度场分布均匀 ，设 计是合理的。 2 ． 2 速度场模拟 从速度场分布可 以看出 ， 炉 内气体 流动方 向 与火焰方向一致 ， 沿烧嘴倾斜方 向向前方流动， 从 铝液表面流过 ， 遇到炉膛末端壁面后形成 回流， 延 长了高温气体在炉内的停 留时间 ， 有利于增强炉 内换热。炉内温度分布与炉 内速度分布相对应 ， 炉内气流速度较高的区域其温度也较高 ， 这是因 为速度较高的区域 内气体对流传热效果 明显。总 体来说 ， 炉内流场分布是合理 的， 满足设计要求。 3应用效果 原 2 0 t 熔铝炉用切换式蓄热燃烧 ， 吨铝消耗 天然气 6 8 m 。2 0 1 2年采用不切换蓄热式燃烧技 术对该熔铝炉进行 了节 能改造。由表 1不难看 出， 改造后节能效果显著 ， 吨铝天然气消耗 由原来 的6 8 m 下降到6 2 m ， 下降达到 1 0 ％。目前 ， 天然 气价格为 4 ． 5元／ m ， 吨铝可节省天然气 费用 2 7 元 ； 按 2 0 t 熔铝炉年产 铝棒 2万 t 计算 ， 每年可节 省天然气费用 5 4万元。改造费用大约 2 4万元 ， 投资 回收期不到 6个月 ， 完全可以大力推广。 表 1 验收数据表 熔铝炉容量 装入铝锭量 装入废料量 熔化速度 炉 内温度 铝液温度 排烟温度 吨铝 天然气 消耗量 下转第 5 1页 一 一 一 一 一 V0 1 ． 3 3 No ． 4 J u l y ． 2 01 4 冶 金能源 ENERGY F 0R METAL LURGI CAL I NDUS TRY 51 电能 镁熔坨带走热量1 2 1 ． 0 0 k Wh ／ t 图 3 新 工艺 系统 能流 图 对于整个工艺流程，镁熔坨在余热 回收室中 放出的热量经由空气作为传递的载体来预热菱镁 矿。整个工艺流程热量回收效率为 田 1 0 0％ 31 ％31 叼 新工艺实施后 ，可实现电熔镁熔坨余热资源 余热 回收率达 3 0 ％以上 ，折合电能 3 9 0 ． 6 k Wh ／ t 。 我国现有传统 电熔镁炉 1 5 0 0多台，年产电熔镁 砂 5 0 0万 t 。如 全部实现镁熔坨余 热 回收改造 ， 按每吨电熔镁砂产品节 电 3 5 0 k wh计 ，年可节电 l 7 ． 5 亿 k wh ，节电价值 8 ． 7 5 亿元。 参考文献 [ 1 ]秦勤等 ．双电极直流电熔镁埋弧电弧炉 [ J ]． 东北大学学报 自然科学版 ，2 0 0 3 ， 2 4 7 6 8 5 6 88 ． [ 2 ]蔡九菊 ， 王建军，陈春霞等 ．钢铁工业余热资源的 回收与利用 [ J ] ．钢铁， 2 0 0 7 ， 4 2 6 1 7 ． [ 3 ]刘大任 ．特种冶金用新型耐火材料 [ M] ．沈阳东 北大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ]王秉铨 ．工业炉设计手册 [ M] ．北京机械工业出 版社 ， 2 0 1 0 ． 赵艳编 辑 上接第4 l页 4结论 1 炉内火焰 达到炉膛长度 2 ／ 3位 置 ，喷 向熔池表面 ，炉膛 中心铝液上表面沿火焰方 向为 温度较高的区域 ，有利于铝料的快速熔化 ，缩短 熔化时间。 2 炉内气体遇到炉膛末 端壁面后形成 回 流 ，有利于延长高温烟气在炉内的停 留时间 ，增 强炉内换热。 3 燃料不换 向蓄热式燃烧技术在 2 0 t 熔铝 炉上的应用可节省 1 0 ％的燃料 ，按年产 2万 t 铝 计算 ，每年节省天然气费用 5 4万元 。该技术投 资回收期不到半年 ，值得在同行业中大力推广 。 参考文献 [ 1 ]周怀春，盛锋等 ． 高温空气燃烧技术 2 1世纪 关键技术之一 [ J ] ．工业炉，1 9 9 8 ，2 0 1 1 9 27 ． [ 2 ]曹丰平，刘江 ．蓄热式燃烧技术实际应用中几个 问题 的探讨 [ J ] ．工业炉 ，2 0 0 2，2 4 4 1 8 2 ． [ 3 ]唐剑，王德满，刘静安等 ．铝合金熔炼与铸造技 术 [ M] ．北京冶金工业出版社 ，2 0 0 9 ． [ 4 ]罗启全 ．铝合金熔炼与铸造 [ M] ．广州广东科 技 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 5 ]岑可法，樊建人 ．燃烧流体力学 [ M] ．北京 水 利 电力 出版社 ，1 9 9 1 ． 赵艳编 辑