摘要 本文提出一种扁火焰烧嘴结构，运用数值仿真分析，获得了扁火焰烧嘴的最佳设计参数。开发出空气蓄热、煤气预热的扁火焰烧嘴，并成功应用于某方坯加热炉，钢坯加热质量良好，降低了氧化烧损，节能效果显著。

　　关键词：扁火焰烧嘴 喷口布置 数值仿真 工程应用

　　冶金加热炉的烧嘴结构多数采用空气包裹煤气，空气在外围旋转喷入炉堂，煤气在中心，供入炉膛混合燃烧，形成圆柱形或喇叭形的回转体火焰。这种回转体火焰的内部气氛以燃料为主，为还原性气氛，外围以空气或二氧化碳、水蒸气等燃烧产物为主，为氧化性气氛，整个加热过程中，回转体火焰的外层，始终贴近坯料，整个料坯被氧化性气氛包围，为高温下坯料的氧化提供了有利条件。同时，回转体火焰在水平方向上铺展程度不够，高温区较集中，在被加热料坯上的垂直投射面积小，对钢坯的辐射角系数相对较低，既不利于高温火焰对坯料的辐射传热，同时也易形成局部高温，在冶金加热炉上烧嘴的布置间距受火焰的形状考虑一般不超过1.5~2.2m;距离太大对于炉温的均匀性影响更明显，因此开发一种扁平火焰，加大烧嘴的布置间距，减少加热炉的烧嘴数量，既可以节约成本，也减少了燃烧设备的维护量。 1 扁火焰烧嘴的喷口结构及其特点针对回转体火焰的结构缺陷，本文提出一种扁火焰烧嘴，其喷口结构及其在加热炉上的布置如图1所示。这种扁火焰烧嘴有如下特点：

　　(1)火焰形状扁平：这种喷口结构产生的火焰呈多股扁平火焰流，平行喷入炉膛，覆盖在钢坯表面，辐射角系数大，有利于对钢坯的加热。

　　(2)火焰的上下两侧气氛不同：以图1所示的情况，远离钢坯的火焰面为氧化性气氛，而贴近钢坯的火焰面，除了含有具有氧化性的H2O(来源于燃烧产物)外，还含有少量CO、H2和CH4等还原性气体(来源于混合煤气)，在钢坯的表面形成一层弱还原气氛，缓解钢坯的氧化程度。

　　图1 扁火焰烧嘴布置简图

Fig.1 Collocation of flat-flame burner 2扁火焰烧嘴燃烧过程数值仿真为了降低NOx的排放，本文提出的扁火焰烧嘴采用分级燃烧技术，把空气分成了二次供入，空气、煤气喷口交错布置。一次空气和二次空气的分配比例和出口方向以及与煤气之间的交角对火焰都有非常重要的影响，为了得到最优的设计参数，本文将针对不同的结构做数值仿真研究，分析获取最佳的结构参数。 2.1 物理模型 结合加热炉上烧嘴布置以及炉膛内扁等因素，取布置在钢坯下部的单个烧嘴在3000mm(炉长)×4000mm(炉高)×10000mm(炉扁)空间的燃烧过程为研究对象。物理模型如图2所示。

二次空气 一次空气 煤气 图2 物理模型

　　Fig.2 Physical model

　　扁火焰烧嘴的一次空气和煤气分别以一定的倾角喷入炉膛燃烧，二次空气水平喷入炉膛。

　　根据一次空气喷口和煤气喷口夹角的不同，本文数值仿真了7种组合条件下的烧嘴火焰特性，通过对仿真结果的综合分析，得到烧嘴与炉膛空间匹配的最优结构参数。各工况具体参数如表1所示。

　　表1 数值仿真工况

　　Tab.1 Numerical simulation parameter 工况 1 2 3 4 5 6 7 煤气倾角 0° 5° 10° 一次空气倾角 0° 5° 10° 15° 5° 10° 15° 2.2 数学模型(1)流动模型

数值仿真区域为三维湍流流动，采用标准双方程模型[1~2]。

　　基本控制方程组：

连续方程： (1)

动量方程： (2)

有效粘度： (3)

组分方程： (4)

能量方程： (5)

　　湍动能方程和湍流耗散率方程：

(6)

(7)

表2 模型中的系数

Tab.2 Parameters of k-εdouble equation models 0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 0.9 (2)燃烧模型

　　燃烧模型采用PDF模型，即假定燃烧过程受气体混合速率控制。

　　(3)辐射传热模型

　　辐射传热模型采用离散传播模型，即用单一的(辐射)射线代替从辐射表面沿某个立体角的所有辐射效应[3]。 2.3 定解条件空煤气入口边界采用第一类边界条件，即给定入口速度和温度;烟气出口为定压边界条件;炉膛壁面为绝热无滑移边界。

　　研究对象为采用空气蓄热、煤气预热的单蓄热式烧嘴，烧嘴功率为12000kW，高焦混合煤气燃料热值为1300×4.18kJ/m3的;空气蓄热温度为1050℃，煤气预热温度为300℃。 3 数值仿真结果分析本文利用Fluent数值仿真扁火焰烧嘴的火焰特性，各种工况条件下的火焰形状对比结果如表3 所示。

　　表3 火焰特性汇总

　　Tab.3 Summary of flame characteristics

　　工况 煤气倾角 一次空气倾角 火焰特性 1 0° 0° (1)火焰长约6m，燃烧高温区位于煤气和一次空气之间;

　　(2)垂直方向上火焰面平直分布;

　　(3)水平方向上火焰面逐渐收缩，成锥形。 2 5° 5° (1)火焰长约7.5m，燃烧高温区位于煤气和一次空气之间;

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