博比巴茨（上海）機械設(shè)備有限公司

　　摘 要：

　　簡述了蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理，并對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，對采用對沖式不換向熔鋁爐爐內(nèi)傳熱、流動以及燃燒進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流動的模擬研究。

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

　　較后，通過實際工程項目的節(jié)能效果驗證了數(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圖 1。對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，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，燒嘴也存在爆鳴、爆燃等問題，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)過蓄熱室 A 時，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。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、爆燃等問題，其使用安全性及壽命均得到較大提高。

　　此外，對于換向蓄熱式，必須安裝值班燒嘴(俗稱小槍)。利用小槍連續(xù)燃燒來點燃換向燃燒的燒嘴(大槍)。因此，無論大槍是否處于燃燒狀態(tài)，小槍必須長明。

　　在大槍處于不燃燒狀態(tài)時，小槍燃燒產(chǎn)生的熱量無法進(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謂浪費，又提高了工人的勞動強度。

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

　　但是，對于 50 t 這樣的大型熔鋁爐來說，爐體長度達(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，火焰難以充滿整個爐膛。

　　所以本文提出一種新型對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)，形成對沖式火焰，覆蓋整個鋁液面，完全解決因爐膛長度大而導(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，因此對這種對沖式不換向蓄熱式熔鋁爐進(jìn)行數(shù)值模擬，了解爐內(nèi)氣體流動及溫度分布狀況，對熔鋁爐的優(yōu)化設(shè)計與研究具有重要的理論指導(dǎo)意義。

　　1 計算模型簡介

　　以 50 t 對沖式天然氣熔鋁爐為研究對象。該爐由爐體、4 個蓄熱室、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過程中需要滿足的基本條件之一，其主要控制運算過程中流體的連續(xù)性。

　　即單位時間內(nèi)，一個以封閉區(qū)域作為控制體的流場中，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)量守恒方程對于可壓流動和不可壓流動均適用。

　　2.2 動量守恒方程

　　動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量相對于時間的變化率相等，這一定義對于流體的流動具有重要意義。

　　2.3 能量守恒方程

　　能量守恒方程主要針對流動過程中的熱傳遞，即單位時間內(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 溫度場模擬結(jié)果及分析

　　溫度場是燃燒及傳熱數(shù)值計算中較重要的一個物理場，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。

　　由溫度場分布可看出，爐內(nèi)火焰較長，幾乎貫穿整個爐膛，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，大大加強了爐內(nèi)氣體與鋁料的對流傳熱，爐內(nèi)火焰充滿度較好，溫度場分布均勻，能夠加快熔池內(nèi)鋁料的熔化速度。

　　3.2 速度場模擬結(jié)果及分析從圖

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

　　爐內(nèi)溫度分布與爐內(nèi)速度分布相對應(yīng)，爐內(nèi)氣流速度較高的區(qū)域其溫度也較高，這是因為速度較高的區(qū)域內(nèi)氣體對流傳熱效果明顯，爐內(nèi)流場分布是合理的，滿足設(shè)計要求。

　　4 應(yīng)用效果

　　為驗證其效果，采用不切換蓄熱式燃燒技術(shù)對佛山一臺 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的 70 m3下降到 63 m3，下降10%。目前，天然氣價格為 4 元/m3，噸鋁可節(jié)省天然氣費用 28元；按 50 t 熔鋁爐年產(chǎn)鋁棒 5 萬 t 計算，每年可節(jié)省天然氣費用 140 萬元。改造費用大約 70萬元，投入資金回收期 6 個月。

　　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 鋁計算，每年可節(jié)省天然氣費用 140 萬元，值得在同行業(yè)中大力推廣。