梭式窑富氧燃烧高温阶段换热特性的模拟研究

朱庆霞冯 青王化能付海丹

（1.景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇 333001；2.杭州诺贝尔集团有限公司，浙江杭州 311122）

梭式窑富氧燃烧高温阶段换热特性的模拟研究

朱庆霞1冯 青1王化能2付海丹1

（1.景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇 333001；2.杭州诺贝尔集团有限公司，浙江杭州 311122）

采用计算流体力学（CFD）软件——FLUENT研究了富氧浓度对高温阶段梭式窑内换热特性的影响。结果表明采用富氧空气助燃技术，提高窑内温度的同时也增大了窑内温差。分析了产生截面温差的原因，为梭式窑富氧燃烧的稳定运行奠定理论基础。

梭式窑；富氧燃烧；富氧浓度；换热特性；温差

0 引言

富氧燃烧具有很多优点,如提高热效率、提高处理速率、减少烟尘排放、减小装置尺寸等，是一种高效节能的燃烧技术，被发达国家称之为“资源的创造性技术”[1～2]。富氧燃烧在回转窑和玻璃熔窑中的应用研究较多[3～4]，在梭式窑方面的应用研究相对较少。梭式窑高温段的流动与换热状况是影响产品质量和节能效率等的重要因素，因此掌握梭式窑预混富氧燃烧高温阶段换热特性对于窑炉的节能降耗和结构优化等起着至关重要的作用。由于陶瓷窑炉内部结构十分复杂，对流场、气氛场和温度场的测量显得十分困难，实验研究仍然不足以全面揭示流动和传热规律。计算流体力学FLUENT软件是一个很好的解决办法。FLUENT软件设计针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳，省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复的、低效的劳动，而将主要的精力、智慧用于物理本身的探索上[5]。目前，FLUENT软件在陶瓷窑炉模拟研究中的应用日益广泛[6-7]，宫小龙[8]等验证了利用计算流体力学(CFD)数值模拟技术模拟研究梭式窑的可行性。因此，本文在此研究基础上，利用FLUENT软件对采用不同氧浓度的富氧空气整体助燃时梭式窑内的换热特性进行数值模拟研究，以期为梭式窑富氧燃烧的稳定运行奠定理论基础。

1 模型的建立

本文以0.1m3液化石油气梭式窑为模拟对象，在建立模型之前，先做如下简化：（1）几何体尺寸以实际梭式窑的尺寸为准；（2）窑门与窑墙之间不存在任何缝隙，即烧成过程中不会漏入冷空气；（3）梭式窑烧嘴入口仅仅为固定空燃比的一个入口（模拟预混燃烧），不考虑二次空气；（4）料垛以空心圆柱体表示，在窑内按模拟要求分布。

由于窑体几何结构比较复杂，仅用结构化网格来离散计算区域是非常困难的；倘若完全使用非结构化网格，由于窑内料垛排列紧密造成网格数目的庞大而大大增加计算机的计算工作量，从而增加了计算时间，同时也难于控制网格疏密造成局部网格过细，加大数值计算的舍入误差。为了克服以上困难，本文采用结构化和非结构化网格相结合的方法，将梭式窑计算区域分为烧嘴区域、料垛区域和周边区域三个部分，分别生成三对彼此独立的网格（即烧嘴区域和料垛区域采用结构化网格离散，周边区域采用非结构化网格离散），烧嘴出口、烟气出口、料垛的周边等速度梯度较大的区域进行局部加密。具体网格划分图见图1。

表1 不同氧浓度条件下的烧嘴出口速度值及模拟的边界条件Tab.1 Exit velocities at different oxygen concentrations and boundary conditions for simulation

1.1 边界条件及物性参数的确定

为了便于边界条件的确定，现对模型进行如下假设：（1）窑车（或窑底）、窑门与窑墙的材料近似为全陶瓷纤维材料或耐火粘土砖；（2）环境温度为300K（27℃）；（3）在模拟过程中忽略坯体和釉料的物理化学反应热效应，即仅仅包括燃料的燃烧，窑墙，坯体本身及烟气的换热过程；（4）梭式窑内某一离散温度点的燃烧为三维稳态预混湍流燃烧；（5）气体为不可压理想气体；（6）仅考虑烟囱底部的压力，不计算烟囱内部烟气的流动情况。

1.2 速度入口及压力出口边界条件

据相关文献表明,富氧燃烧技术节能效果最好是在富氧空气中氧浓度在21%～30%范围内[9]，因此，本文将分别模拟研究氧浓度为21%、24%、27%时梭式窑内的温度场。为了贴近实验工况，离散成3个温度点（1050℃、1200℃、1300℃），保持各温度点燃料入口速度不变。

经过计算[10]，梭式窑热态模拟所需的边界条件如表1所示，单位均采用国际标准单位。针对不同氧浓度，根据离散温度点的燃料入口速度，通过燃料燃烧学和流体力学的相关知识可计算出相应状态下的空气入口速度和烧嘴出口速度。烟气出口的压力即烟囱底部的压力，可根据窑内不同气氛取适当的压力值。在FLUENT里对坯体的边界条件设置时，随着窑内温度的升高，由于辐射所传递的热量急剧上升，换热快且均匀，此时制品表面取等热流密度会对整个模拟计算造成很大的误差，所以坯体表面在高温时取等温度边界条件或耦合边界条件[11]。应用传热学的相关知识，可估算窑墙的热流密度。

1.3 数值计算方法

在数值方法上，选用FLUENT提供的分离求解器。为了提高计算精度同时加快收敛速度，在初始计算中先计算流场，达到收敛以后引入能量方程和动量方程。并且能量方程和动量方程选用一阶迎风格式，收敛以后选用二阶迎风格式，再迭代至最终收敛。在算法上选用SIMPLEC算法以提高收敛性。

2 模拟结果分析与讨论

在坯体烧制过程中，600℃～1050℃属氧化阶段，1050℃～1200℃属还原阶段，1200℃～1300℃以上为烧结阶段，此时窑内换热由预热阶段的对流换热为主逐渐随温度的升高转为以辐射换热为主。一般在这一阶段，烧嘴全开。为了贴近实验工况要求，高温阶段模拟研究也在梭式窑四角点“点”四只烧嘴。

本文以1300℃离散温度点为例，对采用不同氧浓度的富氧空气进行整体增氧助燃时梭式窑内换热特性进行分析。从图2、图3的窑炉中部（坯体顶部）和窑炉底部（坯体底面）两截面的温度等值线图可以看出，当采用普通空气助燃时，整个窑炉中部及底部的截面温度均匀，截面温差较小。当采用富氧空气助燃时，随着富氧浓度的增加，截面温度逐渐提高，这主要是因为在高温阶段，烟气与制品的换热主要以辐射换热为主，由气体辐射特点可知，只有三原子和多原子气体具有辐射能力，而双原子气体几乎无辐射能力，富氧燃烧减少了无辐射能力的氮气量，也就相应增加了烟气对制品的换热，从而使窑内的温度普遍提高；但当采用富氧空气进行助燃时，窑内截面的温差也会逐渐变大，这主要是因为随着氧浓度的增加，火焰的长度变短，火焰燃烧变急，造成窑内的辐射换热不均匀，进而造成窑内各个截面温差变大。

从图2还可以看出，在氧浓度为24%时，y=65mm处窑炉中部截面喷火口处的温度最高。这是因为采用富氧空气助燃时,随着富氧浓度的增大，喷火口处火焰的温度场温度梯度逐渐增大[12]。而富氧浓度在21～24%变化范围内，火焰增加幅度又比较大（窑内平均温度增加90℃），加之其火焰燃烧的温度场温度梯度较氧浓度为27%时的温度梯度小，因而出现了在窑炉中部截面上氧浓度为24%时，喷火口处温度最高的反常现象。而氧浓度为27%时虽然平均温度最高，但由于其火焰温度梯度大，窑炉中部截面（y=65mm）可能偏离其火焰最高温度面较远。

窑炉底部（坯体底面）截面(y=－310mm)温度比窑炉中部（坯体顶部）截面(y=65mm)平均温度要低，局部区域两截面温差最高达到100～200℃左右，这主要是因为窑炉底面气流流速低，换热状况较窑炉中部弱，加之窑炉底部截面又处于烧嘴燃烧火焰的根部，从而产生窑炉底面温度比窑炉中部温度低的现象；采用富氧空气助燃时，两截面温差更大，这同样是由于富氧燃烧会增大火焰燃烧的温度梯度。因此，在采用富氧空气助燃技术，有必要加设气流扰动装置，在整体提高窑内温度的同时，均匀温度场，避免局部高温恶化产品质量以及破坏砌体材料。

从图2～3还可以看出，当氧浓度为21%时，窑尾温度要比窑门方向温度高出40～85℃；当氧浓度为24%、27%时，窑尾温度比窑门方向高出50～120℃。这主要是因为排烟口设在窑尾，窑头烟气比窑尾烟气在窑内滞留时间长，导致梭式窑内局部对流换热速度不同以及窑内换热不均匀；氧浓度越大，火焰燃烧越急，窑内热辐射就越不均匀，所以截面温差越大。因此建议无论采用普通空气助燃方法还是富氧空气助燃方法，窑内烟气出口的位置都不应全部集中在窑尾底部排烟，应该在窑头设计适当的排烟口，使气流排出口均匀分布在窑底，这样能使烟气射流在窑内分布均匀，减少窑内截面温差，有利于对坯体的加热。

在图3中，当采用普通空气助燃时，窑炉底面换热较弱，温度较低，在窑炉底面同一水平截面上，左右两侧中间部位出现了温度偏高的区域带，造成上述现象的主要原因是研究的梭式窑有效容积较小（0.1m3），料垛排列相对较密，烟气不能充分冲刷烧嘴附近区域料垛，加之烧嘴烟气射流顶部回流的出现，造成部分料垛间隙区域的气流流动缓慢，湍流度不高；而两侧烧嘴是呈对称布置，在窑炉左右两侧对称面处区域烟气射流汇集，气体流速较大，湍流度大，换热较强而导致间隙温度偏高。因此建议无论采用普通空气助燃方法还是富氧空气助燃方法，料垛中部应适当码密些，可在一定程度上克服料垛区域左右方向中间部位温度偏高的现象，缓解局部换热不均匀的问题。

3 结论

（1）运用FLUENT软件建立了0.1m3梭式窑的几何模型，并模拟了不同氧浓度的富氧空气助燃时高温阶段窑内的换热特性，为梭式窑的富氧燃烧运行提供了有益的参考。

（2）采用富氧空气助燃技术，能使窑内的截面温度普遍得到提高，但是同时也使窑内同一水平截面温差增加，这主要是因为随着氧浓度的增加，火焰的长度将会变短，火焰燃烧变急，造成窑内的辐射换热不均匀，进而造成窑内温差变大。

（3）为了减少窑头窑尾的温差，应均匀布置排烟口。料垛中部适当码密些，在一定程度上可克服料垛左右方向中部区域温度偏高现象，缓解料垛局部换热不均匀的问题。

1 刘毅,李光界,孙鹤等.富氧助燃技术及其应用.节能与环保,2005,2:28～29

2 邓伟强,曾令可,税安泽等.富氧燃烧技术在陶瓷烧成工艺中的应用.工业炉,2006,28(6):12～15

3 陈文仲,王春华,田远航等.回转窑热工状况影响参数的数值模拟.化工学报,2011,62(1):47～52

4 韩韬,刘宗明,李贤松等.单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究.硅酸盐通报,2010,29(1):77～82

5 李勇,刘志友,安亦然.介绍通用流体力学计算软件——FLUENT.水动力研究与进展,2001,16(2):255～259

6 曾令可,邓伟强等.NOx在陶瓷窑炉内生成的数值模拟.华南理工大学学报(自然科学版),2007,35(2):102～106

7 童剑辉,冯青,汪和平.辊道窑烧成带气体流场与温度场的三维数值模拟.中国陶瓷,2006,42(5):27～31

8 宫小龙,汤文菊,冯青等.液化气梭式窑高温段流场与换热的数值模拟研究.中国陶瓷,2008,44(4):35～37

9 潘小勇,宫小龙,冯青等.基于辊道窑富氧燃烧计算与分析.陶瓷学报,2010,31(4):627～631

10 付海丹.梭式窑富氧预混燃烧火焰特性及窑内换热特性研究.景德镇:景德镇陶瓷学院,2011

11 孙晋涛.硅酸盐工业热工基础.湖北:武汉工业大学出版社,1999

12 朱庆霞,冯青,付海丹.预混富氧燃烧火焰特性的实验研究.陶瓷学报,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

江西省教育厅青年科学基金项目（编号：GJJ11201）

朱庆霞，E-mail:qingxia-zhu@163.com

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