带烟气循环的W型辐射管流动传热及NOx排放特性

第36卷第11期 北京科技大学学报 Vol.36 No.11 2014年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2014 带烟气循环的W型辐射管流动传热及NO.排放特性 冯俊小12)，姜敏四，周闻华”，吴启明》，向顺华 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学高校节能与环保工程研究中心，北京100083 3)北京京诚凤凰工业炉工程技术有限公司，北京1001764)宝钢研究院，上海201900 ☒通信作者，E-mail:jiangminl9901224@163.com 摘要为解决W型辐射管温度均匀性差和NO,排放过高的问题，提出了一种新型带烟气循环的W型辐射管，建立了该辐 射管的数学模型，并运用数值计算的方法进行了模拟研究.在验证模型可靠的基础上，对带烟气循环的W型辐射管和常规W 型辐射管的流场、温度场和N0,排放进行了比较.结果表明：带烟气循环的W型辐射管气体平均流速是常规W型辐射管气 体流速的3倍，有57.6%的烟气参与再循环：带烟气循环的W型辐射管中气体燃烧最高温度为2260K,比W型辐射管低192 K:带烟气循环的W型辐射管壁面温差为166K,比常规W型辐射管的壁面温差小76K:带烟气循环的W型辐射管的N0,排 放量9.9×105，而W型辐射管的N0,排放达到7.98×104，高出将近7倍. 关键词辐射管：流动传热；烟气：温度：氮氧化物：气体排放：数值模拟 分类号T℉055 Flow heat transfer and NO,emission characteristic of W-shaped radiant tubes with flue gas circulation FENG Jun-iao2,JIANG Min回，ZHO0 Wen-hua',WUQi-ming》,XIANG Shun+hua 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 China 3)CERI Phoenix Industrial Fumace Corporation,Beijing 100176,China 4)Baosteel Research Institute,Shanghai 201900,China Corresponding author,E-mail:jiangmin19901224@163.com ABSTRACT In order to solve the large wall temperature difference and high NO,emission of W-shaped radiant tubes,this article in- troduces a kind of W-shaped radiant tube with flue gas circulation.A mathematical model of the radiant tube is established and the ra- diant tube is studied by the method of numerical calculation.On the basis of the model's reliability,the velocity field,temperature field and NO,emission are compared between the radiant tube and a conventional W-shaped radiant tube.The average gas velocity of the new radiant tube is three times that of the conventional radiant tube,and 57.6%flue gas is involved in recombustion in the new ra- diant tube.The maximum combustion temperature of the new radiant tube is 2260K,which is 192K lower than that of the conventional radiant tube.The wall temperature difference of the new radiant tube is 166 K,which is 76K lower than that of the conventional radiant tube.The NO,emission of the new radiant tube is 9.9x105,but the NO,emission of the conventional radiant tube is 7.98 x10-4, nearly seven times higher. KEY WORDS radiant tubes;heat transfer:flue gas;temperature;nitrogen oxides:gas emission:numerical simulation 金属热处理能在改变工件显微组织或工件表面 学性能、物理性能和化学性能，最终达到工业需求， 化学成分的同时不改变工件形状，能改善工件的力 是机械制造中最重要的手段之一.目前广泛使用于 收稿日期：2014-06-10 基金项目：“十二五”国家支撑计划资助项目(2011BAE13B09) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.11.019:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 11 期 2014 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 11 Nov． 2014 带烟气循环的 W 型辐射管流动传热及 NOx 排放特性 冯俊小1，2) ，姜 敏1) ，周闻华1) ，吴启明3) ，向顺华4) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学高校节能与环保工程研究中心，北京 100083 3) 北京京诚凤凰工业炉工程技术有限公司，北京 100176 4) 宝钢研究院，上海 201900  通信作者，E-mail: jiangmin19901224@ 163． com 摘 要 为解决 W 型辐射管温度均匀性差和 NOx 排放过高的问题，提出了一种新型带烟气循环的 W 型辐射管，建立了该辐 射管的数学模型，并运用数值计算的方法进行了模拟研究． 在验证模型可靠的基础上，对带烟气循环的 W 型辐射管和常规 W 型辐射管的流场、温度场和 NOx 排放进行了比较． 结果表明: 带烟气循环的 W 型辐射管气体平均流速是常规 W 型辐射管气 体流速的 3 倍，有 57. 6% 的烟气参与再循环; 带烟气循环的 W 型辐射管中气体燃烧最高温度为 2260 K，比 W 型辐射管低 192 K; 带烟气循环的 W 型辐射管壁面温差为 166 K，比常规 W 型辐射管的壁面温差小 76 K; 带烟气循环的 W 型辐射管的 NOx 排 放量 9. 9 × 10 － 5，而 W 型辐射管的 NOx 排放达到 7. 98 × 10 － 4，高出将近 7 倍． 关键词 辐射管; 流动传热; 烟气; 温度; 氮氧化物; 气体排放; 数值模拟 分类号 TF 055 Flow heat transfer and NOx emission characteristic of W-shaped radiant tubes with flue gas circulation FENG Jun-xiao1，2) ，JIANG Min1)  ，ZHOU Wen-hua1) ，WU Qi-ming3) ，XIANG Shun-hua4) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Engineering Ｒesearch Center for Energy Saving and Environmental Protection，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China 3) CEＲI Phoenix Industrial Furnace Corporation，Beijing 100176，China 4) Baosteel Ｒesearch Institute，Shanghai 201900，China  Corresponding author，E-mail: jiangmin19901224@ 163． com ABSTＲACT In order to solve the large wall temperature difference and high NOx emission of W-shaped radiant tubes，this article in￾troduces a kind of W-shaped radiant tube with flue gas circulation． A mathematical model of the radiant tube is established and the ra￾diant tube is studied by the method of numerical calculation． On the basis of the model’s reliability，the velocity field，temperature field and NOx emission are compared between the radiant tube and a conventional W-shaped radiant tube． The average gas velocity of the new radiant tube is three times that of the conventional radiant tube，and 57. 6% flue gas is involved in recombustion in the new ra￾diant tube． The maximum combustion temperature of the new radiant tube is 2260 K，which is 192 K lower than that of the conventional radiant tube． The wall temperature difference of the new radiant tube is 166 K，which is 76 K lower than that of the conventional radiant tube． The NOx emission of the new radiant tube is 9. 9 × 10 － 5，but the NOx emission of the conventional radiant tube is 7. 98 × 10 － 4， nearly seven times higher． KEY WOＲDS radiant tubes; heat transfer; flue gas; temperature; nitrogen oxides; gas emission; numerical simulation 收稿日期: 2014--06--10 基金项目: “十二五”国家支撑计划资助项目( 2011BAE13B09) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 11． 019; http: / /journals． ustb． edu． cn 金属热处理能在改变工件显微组织或工件表面 化学成分的同时不改变工件形状，能改善工件的力 学性能、物理性能和化学性能，最终达到工业需求， 是机械制造中最重要的手段之一． 目前广泛使用于

第11期 冯俊小等：带烟气循环的W型辐射管流动传热及NO,排放特性 ·1553· 热处理炉的燃气辐射管，具有保证产品加热质量，炉 部热点所引起的应力集中.辐射管内气体依次通过 内气氛可控等优点，成为被工业热处理广为青睐的 第一直管、第一弯管、第二直管、第二弯管、第三直 一种加热装置. 管、第三弯管和第四直管，在第四直管尾部烟气分成 辐射管的主要性能参数包括表面温度均匀性、 两股流体，一部分进入烟气循环管参与循环流动，另 使用寿命、热效率以及污染物NO,气体排放 一部分烟气进入空气换热器 量-习.目前使用的U型和W型辐射管的温度均 匀性较差B-且NO,排放量高.辐射管管体温度 烟气 均匀性差会导致辐射管应力增大，管体变形严 重6-9，影响辐射管的寿命.为解决辐射管的温度 均匀性和NO,排放问题，进一步研发了带烟气循环 的P型和双a型辐射管P-0.为了提高辐射管热效 率集中开发了高效换热器和蓄热式辐射管1-回 近年来，一些学者还研发了辐射管的分级燃烧 1一烧嘴：2、4、6、8一第一、二、三、四直管段：3、5、7一第一、二、三 器3-0、辐射管的新型材料、辐射管的内插 弯管段：9一烟气循环管 件6-m等来提高辐射管的性能.本文重点对新型 图1带烟气循环的W型辐射管基本结构示意图 Fig.1 Structure of a Wshaped radiant tube with flue gas circulation 带烟气循环的W型辐射管的温度均匀性和NO,排 放进行研究，并与常规的W型辐射管的性能进行 2计算模型 对比 2.1物理模型及网格划分 1 带烟气循环的W型辐射管结构及热过程 对带烟气循环的W型辐射管进行三维实体建 分析 模，采用Gambit进行网格划分，考虑到辐射管模型 W型辐射管由于没有循环烟管，相比有循环烟 的对称性，取1/2模型进行数值计算.由于带烟气 管的P型、双P型辐射管等，燃烧中心温度较高，辐 循环W型辐射管结构复杂，故采用网格分块划分方 射管表面温差大，NO,排放高.采用炉外掺入烟气 法，连接烟气循环管的部分直管和烟气循环管采用 或其他稀释剂的形式，管道及气体混合控制较复杂 非结构化网格，其余部分用结构化网格，如图2(b) 受P型等带有烟气循环的辐射管启发，在W型辐射 所示.对烧嘴处位置进行网格加密处理，截面网格 管的第四直管段及第一直管段之间添加回流烟管， 如图2(a)所示.为了检验网格的独立性，使网格数 将部分烟气引至火焰燃烧中心处，设计了带烟气循 从80万逐渐增加至150万.计算结果显示在这个 环的W型辐射管结构，如图1所示.辐射管整体管 范围内烟气出口温度变化率小于3%，说明网格具 长4800mm,辐射管直径为184mm. 有独立性.本次计算的辐射管模型主体结构化网格 该辐射管最大的特点是具有烟气循环管，预热 单元格长度5mm,网格总数139万.其中，98%的网 空气和燃气进入烧嘴混合燃烧，气体从烧嘴喷口喷 格扭曲度在0.5以下. 出后与烟气循环管中的烟气混合继续燃烧，一方面 2.2数学模型 稀释此处氧含量，另一方面高温循环烟气能够减少 2.2.1流场和温度场求解 管壁温差和局部热点，提高温度分布均匀性，缓解局 研究中选取的数学模型有连续性方程、N一S方 (b) 图2带烟气循环的W型辐射管网格划分示意图.()辐射管烧嘴截面网格划分示意图：()辐射管及整体网格划分示意图 Fig.2 Mesh generation of a W-shaped radiant tube with flue gas circulation:(a)mesh generation of the burner section:(b)whole mesh generation of the W-shaped radiant tube

第 11 期 冯俊小等: 带烟气循环的 W 型辐射管流动传热及 NOx 排放特性 热处理炉的燃气辐射管，具有保证产品加热质量，炉 内气氛可控等优点，成为被工业热处理广为青睐的 一种加热装置． 辐射管的主要性能参数包括表面温度均匀性、 使用 寿 命、热效率以及污染物 NOx 气 体 排 放 量［1 － 2］． 目前使用的 U 型和 W 型辐射管的温度均 匀性较差［3 － 4］且 NOx 排放量高［5］． 辐射管管体温度 均匀性差会导致辐射管应力增大，管 体 变 形 严 重［6 － 8］，影响辐射管的寿命． 为解决辐射管的温度 均匀性和 NOx 排放问题，进一步研发了带烟气循环 的 P 型和双 a 型辐射管［9 － 10］． 为了提高辐射管热效 率集中开发了高效换热器和蓄热式辐射管［11 － 12］． 近年 来，一些学者还研发了辐射管的分级燃烧 器［13 － 14］、辐射管的新型材料［15］、辐 射 管 的 内 插 件［16 － 17］等来提高辐射管的性能． 本文重点对新型 带烟气循环的 W 型辐射管的温度均匀性和 NOx 排 放进行研究，并与常规的 W 型辐射管的性能进行 对比． 图 2 带烟气循环的 W 型辐射管网格划分示意图． ( a) 辐射管烧嘴截面网格划分示意图; ( b) 辐射管及整体网格划分示意图 Fig． 2 Mesh generation of a W-shaped radiant tube with flue gas circulation: ( a) mesh generation of the burner section; ( b) whole mesh generation of the W-shaped radiant tube 1 带烟气循环的 W 型辐射管结构及热过程 分析 W 型辐射管由于没有循环烟管，相比有循环烟 管的 P 型、双 P 型辐射管等，燃烧中心温度较高，辐 射管表面温差大，NOx 排放高． 采用炉外掺入烟气 或其他稀释剂的形式，管道及气体混合控制较复杂． 受 P 型等带有烟气循环的辐射管启发，在 W 型辐射 管的第四直管段及第一直管段之间添加回流烟管， 将部分烟气引至火焰燃烧中心处，设计了带烟气循 环的 W 型辐射管结构，如图 1 所示． 辐射管整体管 长 4800 mm，辐射管直径为 184 mm． 该辐射管最大的特点是具有烟气循环管，预热 空气和燃气进入烧嘴混合燃烧，气体从烧嘴喷口喷 出后与烟气循环管中的烟气混合继续燃烧，一方面 稀释此处氧含量，另一方面高温循环烟气能够减少 管壁温差和局部热点，提高温度分布均匀性，缓解局 部热点所引起的应力集中． 辐射管内气体依次通过 第一直管、第一弯管、第二直管、第二弯管、第三直 管、第三弯管和第四直管，在第四直管尾部烟气分成 两股流体，一部分进入烟气循环管参与循环流动，另 一部分烟气进入空气换热器． 1—烧嘴; 2、4、6、8—第一、二、三、四直管段; 3、5、7—第一、二、三 弯管段; 9—烟气循环管 图 1 带烟气循环的 W 型辐射管基本结构示意图 Fig． 1 Structure of a W-shaped radiant tube with flue gas circulation 2 计算模型 2. 1 物理模型及网格划分 对带烟气循环的 W 型辐射管进行三维实体建 模，采用 Gambit 进行网格划分，考虑到辐射管模型 的对称性，取 1 /2 模型进行数值计算． 由于带烟气 循环 W 型辐射管结构复杂，故采用网格分块划分方 法，连接烟气循环管的部分直管和烟气循环管采用 非结构化网格，其余部分用结构化网格，如图 2( b) 所示． 对烧嘴处位置进行网格加密处理，截面网格 如图 2( a) 所示． 为了检验网格的独立性，使网格数 从 80 万逐渐增加至 150 万． 计算结果显示在这个 范围内烟气出口温度变化率小于 3% ，说明网格具 有独立性． 本次计算的辐射管模型主体结构化网格 单元格长度 5 mm，网格总数 139 万． 其中，98% 的网 格扭曲度在 0. 5 以下． 2. 2 数学模型 2. 2. 1 流场和温度场求解 研究中选取的数学模型有连续性方程、N--S 方 · 3551 ·

·1554 北京科技大学学报 第36卷 程、标准k一ε湍流模型、能量守恒方程和组分传输 (5)自然对流换热系数：1Wm2·K-1. 模型：在计算燃烧反应速率和辐射时分别采用涡耗 (6)炉温：1223K. 散燃烧模型和离散坐标辐射模型，参照文献8]. 在计算过程中，气体组分的比热容、热导率及动 2.2.2污染物排放的求解 力黏度随温度呈线性变化，混合气体的吸收率选择 对辐射管燃烧过程中的流场、温度场和组分场 灰气体加权平均模型，采用分离变量法隐式格式求 求解完毕后，对其进行NO,排放量的计算.NO,的 解，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，各方程参量 生成机理有三种：热力型NO.、瞬时型NO,和燃料 的离散采用一阶迎风格式，由于在烟气回流区域的 型NO·对于以天然气为燃料的辐射管来说，主要 流动比较复杂，为了避免计算发散，将动量方程的松 是热力型NO,和瞬时型NO两种.其综合生成速 弛因子降低至0.5，k方程、ε方程和湍流黏度的松 率可参照文献19-20]. 弛因子都降低至0.6，数值计算收敛的判据是各计 2.3边界条件及求解方法 算参量残差小于10-4以及回流烟气的质量流量不 本文研究的带烟气循环的W型辐射管以天然 再变化. 气作为燃料，并假定天然气成分为CH4,热值为 2.4模型验证 35900k·m-3,辐射管的燃气输入功率为160kW,空 实验用来测量W型辐射管表面温度的是K型 气消耗系数为1.1，具体边界条件如下. 铠装热电偶，精度等级1级.为了尽量减小测量带 (1)燃气入口：质量流量入口，3.21×10-3kg· 来的误差，采用多次测量取平均值的方法得到辐射 s1,温度300K. 管表面温度，实验数据可靠.利用开发的模型对W (2)空气入口：质量流量入口，6.06×10-2kg· 型辐射管在与实验相同的工况下进行数值模拟，将 s1,温度900K. 模拟结果与实验数据进行对比，见图3和表1.数值 (3)烟气出口：压力出口，表压-600Pa 计算与实验结果误差在5%以内，说明模型符合 (4)管壁：601合金钢，壁厚3mm,发射率0.85. 实际 140 (a 炉温1272K 1320 1380 炉温1197K —一模拟值 1300 一模拟值 1360 。实验值 ·实验值 1280 1340 ◆ 1260 1320 1240 1300 1220 1200 1280 ■ 1180 126 0 2000 40006000 8000 2000 4000 6000 8000 辐射管气体流动距离/mm 辐射管气体流动距离/mm 图3辐射管轴向表面温度分布.(a)炉温1272K:(b)炉温1197K Fig.3 Surface temperature distribution of the radiant tube as a function fo axial position:(a)furance temperature 1272 K:(b)furance temperature 1197K 表1数值模拟与实验结果对比 Table I Comparison between simulation and experimental results 辐射管平均温度/K 出口N0,体积分数106 炉温K 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 1272 1313 1299 1.08 123 118 4.24 1197 1237 1227 0.81 115 107 7.47 N0,体积分数为准，根据GB28665一2012《轧钢工 3 实验结果与分析 业大气污染物排放标准》，本文将出口处NO,的体 工业测量NO,的排放时一般以出口处烟气 积分数折算为8%含氧量下的体积分数

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 程、标准 k--ε 湍流模型、能量守恒方程和组分传输 模型; 在计算燃烧反应速率和辐射时分别采用涡耗 散燃烧模型和离散坐标辐射模型，参照文献［18］． 2. 2. 2 污染物排放的求解 对辐射管燃烧过程中的流场、温度场和组分场 求解完毕后，对其进行 NOx 排放量的计算． NOx 的 生成机理有三种: 热力型 NOx、瞬时型 NOx 和燃料 型 NOx ． 对于以天然气为燃料的辐射管来说，主要 是热力型 NOx 和瞬时型 NOx 两种． 其综合生成速 率可参照文献［19 － 20］． 2. 3 边界条件及求解方法 本文研究的带烟气循环的 W 型辐射管以天然 气作为 燃 料，并假定天然气成分为 CH4，热值 为 35900 kJ·m － 3，辐射管的燃气输入功率为 160 kW，空 气消耗系数为 1. 1，具体边界条件如下． ( 1) 燃气入口: 质量流量入口，3. 21 × 10 － 3 kg· s － 1，温度 300 K． ( 2) 空气入口: 质量流量入口，6. 06 × 10 － 2 kg· s － 1，温度 900 K． ( 3) 烟气出口: 压力出口，表压 － 600 Pa． ( 4) 管壁: 601 合金钢，壁厚 3 mm，发射率 0. 85． ( 5) 自然对流换热系数: 1 W·m － 2·K － 1 ． ( 6) 炉温: 1223 K． 在计算过程中，气体组分的比热容、热导率及动 力黏度随温度呈线性变化，混合气体的吸收率选择 灰气体加权平均模型，采用分离变量法隐式格式求 解，压力与速度耦合采用 SIMPLE 算法，各方程参量 的离散采用一阶迎风格式，由于在烟气回流区域的 流动比较复杂，为了避免计算发散，将动量方程的松 弛因子降低至 0. 5，k 方程、ε 方程和湍流黏度的松 弛因子都降低至 0. 6，数值计算收敛的判据是各计 算参量残差小于 10 － 4 以及回流烟气的质量流量不 再变化． 2. 4 模型验证 实验用来测量 W 型辐射管表面温度的是 K 型 铠装热电偶，精度等级 1 级． 为了尽量减小测量带 来的误差，采用多次测量取平均值的方法得到辐射 管表面温度，实验数据可靠． 利用开发的模型对 W 型辐射管在与实验相同的工况下进行数值模拟，将 模拟结果与实验数据进行对比，见图 3 和表 1． 数值 计算与实验结果误差 在 5% 以 内，说 明 模 型 符 合 实际． 图 3 辐射管轴向表面温度分布． ( a) 炉温 1272 K; ( b) 炉温 1197 K Fig． 3 Surface temperature distribution of the radiant tube as a function fo axial position: ( a) furance temperature 1272 K; ( b) furance temperature 1197 K 表 1 数值模拟与实验结果对比 Table 1 Comparison between simulation and experimental results 炉温/K 辐射管平均温度/K 出口 NOx 体积分数/10 － 6 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 数值模拟结果 实验结果 相对误差/% 1272 1313 1299 1. 08 123 118 4. 24 1197 1237 1227 0. 81 115 107 7. 47 3 实验结果与分析 工业 测 量 NOx 的排放时一般以出口处烟气 NOx 体积分数为准，根据 GB 28665—2012《轧钢工 业大气污染物排放标准》，本文将出口处 NOx 的体 积分数折算为 8% 含氧量下的体积分数． · 4551 ·

第11期 冯俊小等：带烟气循环的W型辐射管流动传热及NO,排放特性 ·1555· 3.1流场对比分析 内气体流动过程中，W型辐射管的平均气体流速为 带烟气循环W型辐射管较之W型辐射管由于 8.62ms-,而带烟气循环的W型辐射管内大部分 增加了回流管，使一部分烟气能够再次进入主燃烧 气体流动速度较快，经计算，其平均气体流速为 直管段参与再次燃烧，选取相同结构的烧嘴及边界 24.48ms',是常规W型辐射管的3倍左右，并通 条件.通过计算得到W型与带烟气循环W型辐射 过计算可知有57.6%的烟气进入了回流管，参与再 管的速度分布如图4所示.从图中能够看出，在管 燃烧 速度ms) ■62.9 50.3 37.7 25.1 12.6 0 (a) (b) 图4W型和带烟气循环W型辐射管速度分布云图.()W型辐射管：(b)带烟气循环W型辐射管 Fig.4 Comparison of velocity contours between a Wshaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas circulation:(a)Wshaped ra- diant tube:(b)W-shaped radiant tube with flue gas circulation 回流的烟气汇入第一燃烧直管，会与燃烧中心 不同循环管截面处气体的速度分布，如图6所示，发 气体混合，并且“干扰”其原有的流动，截取不同第 现对于回流管来说，其气体的分布是不均匀的，而是 -燃烧直管位置，距离喷口位置X=100mm,200 偏向循环管的外径端气体流速更快，随着回流管气 mm,300mm,400mm查看W型辐射管与带烟气循 体流向第一燃烧直管，其相对高速气体区域范围扩 环W型辐射管速度分布的情况，如图5.从图中可 大，管内流场倾向于均匀 以看出，W型辐射管内气体速度呈现同心圆对称分 3.2温度场对比分析 布，而带烟气循环W型辐射管由于回流气体的掺 3.2.1气体温度场分析 入，改变了原有的同心圆对称分布，呈现偏向一侧的 图7为W型辐射管和带烟气循环W型辐射管 腰鼓型分布，这种气体的分布形式对于带烟气循环 内气体温度分布云图.从图中可知，带烟气循环的 W型辐射管来说是特有的 W型辐射管由于烟气回流的关系，其燃烧区的温度 带烟气循环W型辐射管多了循环管结构，观察 有所降低，W型辐射管燃烧峰值温度在2450K左 x=100 mm x=200 mm x=300 mm x=400 mm 6 x=100 mm x=200 mm 00 mm x=400 mm 图5W型与带烟气循环W型辐射管第一燃烧直管不同轴向位置速度分布.()W型辐射管：(b)带烟气循环W型辐射管 Fig.5 Velocity contours of different axial positions between a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas circulation:(a)W- shaped radiant tube:(b)W-shaped radiant tube with flue gas circulation

第 11 期 冯俊小等: 带烟气循环的 W 型辐射管流动传热及 NOx 排放特性 3. 1 流场对比分析 带烟气循环 W 型辐射管较之 W 型辐射管由于 增加了回流管，使一部分烟气能够再次进入主燃烧 直管段参与再次燃烧，选取相同结构的烧嘴及边界 条件． 通过计算得到 W 型与带烟气循环 W 型辐射 管的速度分布如图 4 所示． 从图中能够看出，在管 内气体流动过程中，W 型辐射管的平均气体流速为 8. 62 m·s － 1，而带烟气循环的 W 型辐射管内大部分 气体流动速度较快，经 计 算，其平均气体流速为 24. 48 m·s － 1，是常规 W 型辐射管的 3 倍左右，并通 过计算可知有 57. 6% 的烟气进入了回流管，参与再 燃烧． 图 4 W 型和带烟气循环 W 型辐射管速度分布云图． ( a) W 型辐射管; ( b) 带烟气循环 W 型辐射管 Fig． 4 Comparison of velocity contours between a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas circulation: ( a) W-shaped ra￾diant tube; ( b) W-shaped radiant tube with flue gas circulation 图 5 W 型与带烟气循环 W 型辐射管第一燃烧直管不同轴向位置速度分布． ( a) W 型辐射管; ( b) 带烟气循环 W 型辐射管 Fig． 5 Velocity contours of different axial positions between a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas circulation: ( a) W￾shaped radiant tube; ( b) W-shaped radiant tube with flue gas circulation 回流的烟气汇入第一燃烧直管，会与燃烧中心 气体混合，并且“干扰”其原有的流动，截取不同第 一燃烧直管位置，距离喷口位置 X = 100 mm，200 mm，300 mm，400 mm 查看 W 型辐射管与带烟气循 环 W 型辐射管速度分布的情况，如图 5． 从图中可 以看出，W 型辐射管内气体速度呈现同心圆对称分 布，而带烟气循环 W 型辐射管由于回流气体的掺 入，改变了原有的同心圆对称分布，呈现偏向一侧的 腰鼓型分布，这种气体的分布形式对于带烟气循环 W 型辐射管来说是特有的． 带烟气循环 W 型辐射管多了循环管结构，观察 不同循环管截面处气体的速度分布，如图 6 所示，发 现对于回流管来说，其气体的分布是不均匀的，而是 偏向循环管的外径端气体流速更快，随着回流管气 体流向第一燃烧直管，其相对高速气体区域范围扩 大，管内流场倾向于均匀． 3. 2 温度场对比分析 3. 2. 1 气体温度场分析 图 7 为 W 型辐射管和带烟气循环 W 型辐射管 内气体温度分布云图． 从图中可知，带烟气循环的 W 型辐射管由于烟气回流的关系，其燃烧区的温度 有所降低，W 型辐射管燃烧峰值温度在 2450 K 左 · 5551 ·

·1556· 北京科技大学学报 第36卷 x=700 mm -600mm =400mm 200 ■的 x=700 mm =600 mm x=400 mm x=200 mm 图6带烟气循环W型辐射管回流管不同界面速度分布云图 Fig.6 Velocity contours of different positions in the circulating tube of a W-shaped radiant tube with flue gas circulation 温度K ■2450 2160 1880 1590 1160 3 730 300 a 图7W型与带烟气循环W型辐射管气体温度分布云图.()W型辐射管：(b)带烟气循环W型辐射管 Fig.7 Comparison of middle section temperature contours between a W-shaped radiant tube and a W-haped radiant tube with flue gas circulation: (a)W-shaped radiant tube:(b)W-shaped radiant tube with flue gas circulation 右，而带烟气循环W型辐射管只有2160K左右，并 循环的W型辐射管气体平均温度分布的曲线图. 且带烟气循环W型辐射管的高温分布范围更大，由 从图中可以看出：W型辐射管的气体温度最高值达 此可以推断其表面温度均匀性应更好. 到2300K左右，整体出现较集中的高温区，表现为 图8是不同轴向位置的W型辐射管和带烟气 2000K以上的温度区集中出现在距离烧嘴喷口位置 1500mm范围内，即第一燃烧直管端，而之后的管段 2400 温度则逐渐降低，整个W型辐射管气体温度波动较 2200 一W型辐射管 --循环W型辐射管 大：而带烟气循环W型辐射管内气体平均温度分布 2000 较为缓和，气体燃烧最高温度只有1800K左右， 1800 1500K以上的温度区分布与距离烧嘴喷口轴向距离 3200mm范围内，分布较为广泛，相比W型辐射管 1600 其气体温度波动较小，更为均匀，这种分布不仅能够 1400 有效降低燃烧区高温，减少NO的生成，降低对环 1200 境的污染负担，还能够提高辐射管壁面温度分布的 1000 200030004000 5000 均匀性，从而减少应力集中，延长辐射管使用寿命 轴向距离/mm 图8W型与带烟气循环的W型辐射管轴向不同截面气体平均 3.2.2壁面温度场分析 温度分布 图9是W型与带烟气循环的W型辐射管壁面 Fig.8 Comparison of average temperature profiles along the axis be- 温度云图.从图中可以看出，W型辐射管壁面温度 tween a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue 与带烟气循环的W型辐射管的最小值基本相同，但 gas recirculation 是其壁面温度最大值明显要大于带烟气循环的W

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 6 带烟气循环 W 型辐射管回流管不同界面速度分布云图 Fig． 6 Velocity contours of different positions in the circulating tube of a W-shaped radiant tube with flue gas circulation 图 7 W 型与带烟气循环 W 型辐射管气体温度分布云图． ( a) W 型辐射管; ( b) 带烟气循环 W 型辐射管 Fig． 7 Comparison of middle section temperature contours between a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas circulation: ( a) W-shaped radiant tube; ( b) W-shaped radiant tube with flue gas circulation 右，而带烟气循环 W 型辐射管只有 2160 K 左右，并 且带烟气循环 W 型辐射管的高温分布范围更大，由 此可以推断其表面温度均匀性应更好． 图 8 W 型与带烟气循环的 W 型辐射管轴向不同截面气体平均 温度分布 Fig． 8 Comparison of average temperature profiles along the axis be￾tween a W-shaped radiant tube and a W-shaped radiant tube with flue gas recirculation 图 8 是不同轴向位置的 W 型辐射管和带烟气 循环的 W 型辐射管气体平均温度分布的曲线图． 从图中可以看出: W 型辐射管的气体温度最高值达 到 2300 K 左右，整体出现较集中的高温区，表现为 2000 K 以上的温度区集中出现在距离烧嘴喷口位置 1500 mm 范围内，即第一燃烧直管端，而之后的管段 温度则逐渐降低，整个 W 型辐射管气体温度波动较 大; 而带烟气循环 W 型辐射管内气体平均温度分布 较为缓和，气体燃烧最高温度只有 1800 K 左 右， 1500 K 以上的温度区分布与距离烧嘴喷口轴向距离 3200 mm 范围内，分布较为广泛，相比 W 型辐射管 其气体温度波动较小，更为均匀，这种分布不仅能够 有效降低燃烧区高温，减少 NOx 的生成，降低对环 境的污染负担，还能够提高辐射管壁面温度分布的 均匀性，从而减少应力集中，延长辐射管使用寿命． 3. 2. 2 壁面温度场分析 图 9 是 W 型与带烟气循环的 W 型辐射管壁面 温度云图． 从图中可以看出，W 型辐射管壁面温度 与带烟气循环的 W 型辐射管的最小值基本相同，但 是其壁面温度最大值明显要大于带烟气循环的 W · 6551 ·