（热能工程专业论文）改进型套筒式燃烧器的特性的研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 高炉热风炉用燃烧器是热风炉系统的核心设备，其性能参数将直接影响到热 风炉的工作状态和送风水平。随着高炉生产的高风温、低能耗、长寿命的指标需 求，对热风炉用燃烧器的性能提出了更高的要求。为此，弄清改造型或新设计的 热风炉燃烧器的性能具有十分重要的意义。 本文研究了一种热风炉用改进套筒式燃烧器的流动与燃烧特性。该燃烧器的 结构为：下部呈传统的套筒式，上部呈栅格式。 本文采用实验研究与数值模拟两种方法，从应用基础研究的角度来探索这种 改进套筒式燃烧器的基本特性。 实验研究中采用近似模化法，在模型上进行了冷态和热态的相关测量。实验 模型与实物比为1 ：1 5 。在冷态实验中，测量出燃烧器模型中空气与煤气各自从入 口到出口的阻力损失系数k 值。得出k 值介于传统套筒式燃烧器与栅格式燃烧器阻 力损失系数k 之间。同时测量出模型出口的流场分布以及空气和煤气的混合状态。 在热态实验中，考查了若干工况下燃烧室内的温度场、燃烧产物的浓度场、火焰 长度以及着火位置等重要基本特性。热态实验表明，该燃烧器可在空气过剩系数 1 0 5 的条件下实现完全燃烧，在一定高度上，燃烧室内温度分布较均匀，温差只 有1 0 k 左右。随空气和煤气预热温度的提高，着火点向燃烧器表面靠近。当空气 预热温度在3 0 0 6 0 0 、煤气预热温度在1 5 0 ( 2 时，在燃烧器表面就可以见到火 焰。火焰长度约是燃烧室直径的3 5 1 0 倍，空气预热6 0 0 、煤气预热1 5 0 时为 下限，均不预热时为上限。在热态实验工况下，该燃烧器未出现燃烧脉动，燃烧 器性能稳定，燃烧调节比为3 5 以上。 本文采用f l u e n t 软件对燃烧器流动与燃烧过程进行了数值模拟。模拟工况 与实验工况相对应。并在计算中注意到入口条件对燃烧器性能的影响。 从实验和数值模拟的结果来看，二者是吻合的。该燃烧器的综合性能令人满 意。本文这种研究方法对于探索大型燃烧器的性能具有很好的借鉴作用，特别是 通过数值模拟得到较详细的燃烧器的特性参数，可以使人们更好地进行燃烧器的 优化设计。 关键词：热风炉，改进型套筒式燃烧器，实验研究，数值模拟，火焰 长度 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h eb u r n e ro ft h eh o tb l a s ts t o v eo ft h eb l a s tf u r n a c ei st h ek e ye q u i p m e n to ft h e h o tb l a s ts t o v es y s t e m i tw i l la f f e c tt h eh o ts t o v e sw o r ka n dt h eq u a l i t yo fa 证w i t ht h e d e m a n do ft h eh i g ht e m p e r a t u r eo fa i r , l o we n e r g ye x h a u s t , t h el o n gl i f e ，t h eh o tb l a s t s t o v ew i l lb es t r i c tw i t ht h eb u r n e r s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt h a tw em a s t e rt h ei m p r o v e d o rn e w d e s i g n e db u r n e ro f t h e b l a s ts t o v e t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h ef l o wa n dc o m b u s t i o ne h , q r a e t e r so f t h ei m p r o v e dd o u b l e b u r n e ro ft h eh o tb l a s ts t o v e i ti st r a d i t i o n a ld o u b l ep i p es t r u c t u r eu n d e ri ta n dg r i d s m l c t u r eo ni t t h e p a p e r h a se x p l o r e d t h e b a s i c e l a a r a c t e r s o f t h e i m p r o v e d d o u b l e p i p e b u r n e r b y e x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ta p p l i e ss i m i l a r i t yi nt h ee x p e r i m e n t i th a sm e a s u r e ds 0 1 1 1 ec h 雹曙c i e r so nt h e m o d e l t h em o d e li so n ef i f t e e n t ho ft h er e a lb u r n e r i th a sm e a s u r e dt h e1 0 s so ft h e r e s i s t a n c ei n c l u d i n ga i rt u b ea n df u e lt u b e ，a tt h es a m et i m ei th a sm e a s u r e dt h ef l o w f i e l do ft h eo u t l e ts ot h a tc h e c kt h ec o n d i t i o n so ft h em i x t u r eo ff u e la n da i r i nh o t e x p e r i m e n t s ，i th a sm e a s u r e dt h et e m p e r a t u r ea n dt h ed i s t r i b u t i n go fe o m b u s d o n o u t c o m ea l o n gt h ec o m b u s t i o nb o x ，t h el e n g t ho f t h ef l a m e ，t h ep o s i t i o no f b e i n go i lf i r e w h e nt h em o d e lw o r k e di nd i f f e r e n tk i n d so fw o r k i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ec o e f f i c i e n to f t h ea i ri sa b o u t1 0 5 ，t h et e m p e r a t u r ei nt h ec o m b u s t i o ni se q u a l i t y a b o v et h ec e r t a i nh e i g h t , o n l ya b o u ti o k t h ef l a m ei sn e a l rt h eo u t l e tw i t ht h er a i s e d t e m p e r a t u r eo ft h ew a r m - u p w h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h ea i ri sb e t w e e n3 0 0 - - 6 0 0 a n dt h ef u e li s1 5 0 * c , w ec a ns e ct h ef l a m ei l e a l - t h eo u t l e t t h el e n g t ho f t h ef l a m ei s b e t w e e nt h r e et i m e sa n dt e nt i m e so f t h eb o xd i a m e t e r t h e r ei s1 3 0d e v a s t a t i n gv i b r a t i o n d u r i n g t h e c o m b u s t i o n a n d t h er a t i o o f a d j u s t m e n t i s 3 5 t h ef l o wa n dt h ec o m b u s t i o np r o c e d u r eh a v eb e e ns i m u l a t e db yf l u e n ta n d n o t i c e dt h a tt h ee n l l f l t l l c eo f t h et u b e s 咖a f f e c tt h ec a p a b i l i t y f r o mt h er e s u l t s ，t h ee x p e r i m e n t sa c c o r dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ew a yi s v e r yu s e f u lt os t u d yt h eb i g g e rb u r n e r , w h i c hc a nm a k ep e o p l eo p t i m i z et h eb u r n e r k e yw o r d s ：h o tb i a s t 8 l ：o v e 。i m o r o v o dd o u b i ep i p eb u r n e r r o s o q r c ho ne x o e ri m o r l t 。r l l j l l l s ti c a is i 舢i a t i o n ，i o n g t h o ff i a 鞍山科技大学硕士论文 主要符寸说明 主要符号说明 符号物理意义 7 一一温度 r 一一时间 e 一一一一一活化能 一一一长度 “，“，酢直角坐标下x ，y ，z 方向的速度分量 k 一湍流涡团脉动动能 占一一湍动能耗散率 “一一湍流粘性系数 g 。平均速度梯度引起k 方程中的产生项 g 一一浮力引起k 方程中的产生项 湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响 盯一普朗特数施密特数 ，一混合物分数 ，一一混合物分数的平均值 厂2 一一混合物分数偏差的均方值 上，总焓 一一组分j 的质量分数 h 一一组分j 的焓值 位置向量 方向向量 散射方向 s 一一一沿程长度( 行程长度) 口一一一一吸收系数 聆一折射系数 散射系数 ，一一一辐射强度，依赖于位置( f ) 与方向( i ) 痧相位函数 q 一空间立体角 0 + 盯，) 一一为介质的光学深度 鞍山科技大学硕j 。论文主要符0 说l w 湍流输运通量 r 扩散系数 c 一瞬时对流系数 s 。源项 p 一一密度 毋一一通用变量瞬时值 e 一一一欧拉准数 r 。一一雷诺 ，。，t ，一一贝塞尔函数 一一阻力损失 七 w p 局部阻力损失系数 气体流动速度 气体密度 一一- 卷吸量： 聊，- x 截面处射流的总质量流量； 一射流的初始质量流量。 鞍山科技大学硕l 论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 高炉热风炉是高炉炼铁的重要设备，它向高炉提供热风，使高炉在商 风温条件下安全顺利运行。随着炼铁生产能力的提高，炉容随之逐渐扩大， 冶炼强度也逐渐增大，因此高炉对风温也提出了更高的要求。如何提高送 风温度又能降低焦比以节约焦碳降低成本便成为了人们关注的主题。风温 的提高，意味着高炉的生产能力的提高，即意味着生产效益的提高。凶此 如何提高送风温度引起了人们的高度重视。目前，我国提高热风温度的措 施有”13 ： ( 1 ) 改进热风炉结构、材质和设备： ( 2 ) 预热助燃空气、煤气； ( 3 ) 合理的操作制度； ( 4 ) 煤气吸附法富化高炉煤气： ( 5 ) 用等离子方法提高风温。 这些措施在实际中或是受工作条件限制或是效果不明显。要真正从本 质上解决高风温的问题，提高燃烧器的综合性能是很有力的措施伸1 “。这 是因为热风炉向高炉提供热风，而热风炉的热风又来源燃烧器。因此有必 要熟悉各种燃烧器的燃烧特性和工作性能。在了解了燃烧器的性能后，爿 可选用合适的燃烧器，以提高送风温度和热风炉寿命。因此，稳定、高效 的燃烧器一直受到人们的关注i z - f aj 。 1 2 高炉热风炉结构形式的发展 高炉热风炉的发展经历了一个漫长的过程。其结构是随着高炉容量的 扩大和操作技术水平的提高而得到不断发展的，其趋势是朝着高效、高风 温、长寿热风炉方向发展的。图1 1 是炼铁的工作流程。热风炉内部是用 耐火砖砌成的。其具体的内部结构及工作过程见图1 2 。 鞍山科技大学硕i j 论文 第一章绪论 s t g e l缸幽墅监鲢 图1 - i 炼铁的工作流程 a ) o n - c a np h a 3 e b ) o n - b h s t p h a s ec ) o r o s e e | o n 1 2 1 内燃式热风妒 图l 一2 热风炉内部结构及工作过程 第一座热风炉是1 8 2 8 年在美国开始使用的。当 时采用的是管式热交换器，结构很简单。空气从铁 管中通过，用煤作燃料，热风温度只能达到3 1 5 。 它使高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低了 3 5 。1 8 5 7 年考贝( c o w p e r ) 提出用蓄热热风炉来 代替换热式热风炉，蓄热式热风炉最初也是用煤做 入 蟮多 圈1 - 3 璺文吐内格止鲍$ t 炉 簟臀 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 燃料的。自考贝使用蓄热式热风炉以来，其基本原理至今没有改变，但在 热风炉的结构、设备及操作方法上却有了重大改进。1 9 7 2 年，荷兰艾莫依 登厂在新建的3 6 6 7 m 3 高炉上对内燃式热风炉作了较大改进，这种热风炉 后来被称为霍戈文内燃式热风炉。内燃式热风炉采用金属燃烧器和助燃风 机来提高燃烧器的性能后，风温能升高到6 0 0 7 0 0 n “。在西德的蒂森 钢铁公司七高炉最高风温可达1 3 8 0 c “。霍戈文内燃式热风炉结构如图 1 3 所示1 63 。1 9 5 7 年底，在英、日、澳、墨、加等国家相继建起1 3 座霍 戈文式热风炉。 内燃式热风炉的主要优点有： ( 1 ) 节约费用及占地面积； ( 2 ) 散热面积小，热损失小，有利于提高热效率； ( 3 ) 结构简单、可靠。 内燃式热风炉的主要缺点有： ( 1 ) 蓄热室内气流分布不均匀，不能充分利用格子砖加热面积； ( 2 ) 燃烧室隔墙结构较复杂。 1 2 2 外燃式热风炉 内燃式热风炉长期在1 l o o 以上的风 温条件下操作时，由于燃烧室与隔墙间存在 很大的温度波动，在应力的作用下会产生裂 缝、鼓包、掉砖和烧穿等现象。针对此结构 上固有的缺陷，专业人士提出了外燃式热风 炉的构思，外燃式热风炉把燃烧室和蓄热室 分开，从而避免内燃式热风炉在生产操作时 出现的问题。其结构如图1 4 所示。1 9 1 0 年德国人费弗兰兹一达尔申请外燃式热风 炉的专利。1 9 2 8 年在美国卡内吉、依里诺 。胍弋 l 刊翌 豳 鼷 e 皇点 a n d i g n m o n b l j 兀t 兰 a 州轴m 6 0 n 柚n 乃 、 u 图1 4 外燃式热风炉结构示意图 斯钢铁公司建了第一座外燃式热风炉，但由于其表面积大、热损失大而没 有得到发展。1 9 3 8 年柯柏( k i p p e r s ) 提出将外燃式热风炉应用在化学工 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 业上。柯柏式外燃式热风炉是在1 9 5 0 年才在高炉上得到应用的。1 9 5 9 年 应用了地得( d i d i e r ) 式外燃式热风炉。西德沃古斯特一蒂森( a u g u s t t h y s s e n ) 公司使用了马琴( m a r t i n p a g e n s t e c h e r ) 式外燃式热风炉。 而新日铁式外燃式热风炉是于六十年代末期，综合了柯柏式和马琴式外燃 式热风炉的特点在高炉上使用的。外燃式热风炉的主要形式有马琴式、 新日铁式、柯柏式和地得式。其结构图见图1 - 5 。 马琴式新日铁式 柯柏式地得式 图1 5 各种外燃式热风炉结构图 从结构上看，地得式和柯柏式的高度较低；地得式占地面积较小，但 炉顶结构庞大，稳定性差；新日铁式占地面积最大；马琴式拱顶尺寸小， 结构稳定性好，但使用的材料多，散热面积较大。 外燃式热风炉的优点是：外燃式热风炉的结构避免了内燃式热风炉结 构上的固有缺陷，燃烧室与蓄热室分离，蓄热室内气流分布比较均匀，蓄 热室加热面积提高2 0 一5 0 ，热效率提高到8 0 一8 7 n “。其中马琴式和 新日铁式的气流分布最好；由于燃烧室是独立的，因而可以避免隔墙烧穿 或者倒塌等事故。除地得式外，其他外燃式热风炉都在1 3 0 0 风温下经过 长期考验。 外燃式热风炉的缺点是：占地面积大，耗用大量钢材和耐火材料，基 建费用高，散热损失大。因此，不宣在中、小型高炉使用；易产生晶间应 力腐蚀问题。 1 2 3 顶燃式热风炉 2 0 世纪2 0 年代哈特曼( h a r t m a n n ) 提出了顶燃式热风炉的构想，但 鞍山科技大学硕七论文 第一尊绪论 未受到人们的重视。后来应用到化学工业中。 顶燃式热风炉炉顶是稳定的对称性结构，炉型简 单、结构强度好，排除了各种外燃式热风炉不能从根本 上消除炉体结构的不对称性和改造内燃式热风炉隔墙 的复杂性，其蓄热室面积较内燃式增加了2 5 3 0 ”。 图卜6 为顶燃式热风炉结构图。 在国内，首钢实验高炉设计了三种不同结构形式的 顶燃式热风炉，进行了对比实验，并且取得了成功。而 后在济南铁厂l o o m 。高炉改造时进行了推广”0 1 。 顶燃式热风炉的主要优点有： ( 1 ) 节约投资，占地面积小； ( 2 ) 蓄热室面积大，烟气分布均匀； ( 3 ) 避免隔墙倾倒开裂问题。 项燃式热风炉的主要缺点有： ( 1 ) 燃烧器类型不能很好解决； ( 2 ) 大型化时问题较多： ( 3 ) 操作平台高，上、下操作不方便。 1 3 热风炉用燃烧器 图1 6 顶燃式热风炉 热风炉用燃烧器的性能随着热风炉对其燃烧能力的要求不断提高而得 到改善，在增加热风炉寿命的要求下，热风炉用燃烧器的形式也经历了一 系列的变化。经历了从初期的直接把荒煤气引进热风炉的炉篦子上进行燃 烧到套筒式金属燃烧器，再从金属燃烧器到陶瓷燃烧器的过程。 1 3 1 金属燃烧器 图卜7 为典型的金属燃烧器结构，助燃鼓风机引入助燃空气走中问通 道，煤气走外环，煤气和助燃空气水平进入燃烧室，在燃烧室的下部进行 混合并燃烧心“。从金属套筒燃烧器出来的空、煤气混合物及燃烧产物经 9 0 。转弯进入燃烧室，具有较高温度的气流冲击对面的燃烧室隔墙，两侧 温差达5 0 0 c 以上 2 2 1 造成燃烧室隔墙破损。另外，随着热风炉的炉容扩 大，当提高燃烧器助燃能力时，此种燃烧器极易产生燃烧脉动问题。也就 鞍山科技人学颂 ：论文第一节绪论 是说金属燃烧器的燃烧能力受到一定程度的限制。除此之外，燃烧脉动州 题严重地破坏砖衬，掉砖现象屡见不鲜“。国外曾经对这类燃烧器做过一 些改进，但是并没有从本质上消除其燃烧脉动现象。 图l - 7金属燃烧器图 1 3 2 陶瓷燃烧器的发展历程 陶瓷燃烧器于1 9 3 4 年在化学工业上首先使用，但直到1 9 6 2 年卢森保 国际炼铁会议上，西德的霍夫曼才建议在热风炉上使用陶瓷燃烧器。“，从 1 9 6 3 年开始陶瓷燃烧器才在热风炉上被广泛使用。但在开始阶段，由于人 们对热风炉用陶瓷燃烧器认识不高，对其几乎没有任何研究，其设计主要 是依靠从其它相关工业、相关燃烧器上借鉴的经验来完成的，这直接导致 了由联邦德国地得公司设计的，世界上第一个套筒式陶瓷燃烧器在1 9 6 3 年开始使用不久就完全塌落的结果“。以后随着陶瓷燃烧器在热风炉上应 用的增多，对陶瓷燃烧器的研究工作也逐渐开展起来，在相当长的一段时 间里，对陶瓷燃烧器的观察、研究、开发仅仅依靠的是现场经验和模型试 验，例如，1 9 7 2 年联邦德国专利1 8 0 3 9 3 5 和美国专利3 6 2 7 2 8 4 开发的比较 原始类型的应用于内燃式热风炉的套筒式陶瓷燃烧器，联邦德国专利 2 1 1 2 3 1 4 中介绍的一种矩形套环式陶瓷燃烧器，全苏热工研究所研制的专 利号为2 3 7 3 1 5 4 的一种套筒式陶瓷燃烧器，日本钢管株式会社1 9 7 9 年发 表的新型带预混室的套筒式陶瓷燃烧器的试验结果等都是通过现场经验 和模型试验的方法研制开发出来的。国内对于陶瓷燃烧器首先进行实验室 研究并最早应用到生产高炉上进行试验的是鞍山钢铁学院的李文忠老师 和康日章老师，他们从1 9 7 0 年开始收集资料，1 9 7 3 年完成技术设计，1 9 7 4 年初进行了套筒式陶瓷燃烧器冷态气体模型试验，1 9 7 4 年7 月在辽宁省西 葶妾t u 科技人学硕i ：论丈 第一髓绪论 风铁厂7 8 m 3 高炉上对l4 热风炉进行使用套筒式陶瓷燃烧器改造”。在使 川效果满足设计要求后，才在国内其它的钢铁厂推广应用”。1 9 7 6 年7 j j 在实验室和小高炉试验的基础上，鞍山钢铁学院与鞍钢炼铁厂、钢研所、 设计院联合进行了鞍钢6 “高炉( 1 0 5 0 m 3 ) - z 座外燃式热风炉套筒式陶瓷燃 烧器 ：业生产试验，取得了在大型高炉上应用的成功经验。国内”腱陶 瓷燃烧器研究较早的还有首都钢铁公司张伯鹏，石薪铁，武汉钢铁设汁院 的陈十柄等，他们1 9 7 5 年开始在首钢进行套筒式陶瓷燃烧器的冷态气体 腆型试验，1 9 7 7 年7 月在首钢炼铁厂l4 热风炉上进行了套筒式陶瓷燃烧器 川k 试验。在鞍山钢铁学院、首都钢铁公卅试验的基础上，国内f l r ：j o ； 十i j 关高等院校、科研院所、钢铁企业相继开展了套筒式陶瓷燃烧器的研究 工作，研究的主要手段是通过燃烧器的相似模型的冷态试验及在现场对燃 烧器进行实际热态测定，研究的主要内容是在燃烧器各结构、操作参数条 件下燃烧器出口气流分布，燃烧室内的速度场、温度场、压力场、浓f 芝场， 燃烧器的燃烧能力，火焰长度，燃烧的稳定性，燃烧器的材质，燃烧器的 寿命等等。鞍山钢铁学院硕士研究生雍玉梅和牛珏分别探索研究了套筒式 燃烧器燃烧室内气体燃烧场的仿真耻钉和套筒式燃烧器燃烧室内冷态流场 的数值模拟及试验研究。得出的结论是：套筒式陶瓷燃烧器流场楣对均 匀的位置以及回流区的形状不仅与空、煤气两气流股相交角、速度比有关， 而且与空煤气的绝对速度，空煤气的动量比，空煤气所走中闻通道和外环 通道的位置等有关。从燃烧器热态试验可知，出现的燃烧脉动现象，随着 预热温度升高脉动加剧，产生燃烧脉动的主要原因是回流区( 回流量) 大 小的改变，消除燃烧脉动的措施是在燃烧室底座安装减震环。减小燃烧，“ 生的脉动。其创新点是首次进行了在燃烧室底部安装减震环及不同的减震 环尺寸对燃烧室内气体回流影响的数值模拟研究。其二是通过数值计算， 得到空煤气两种气流的相交角度，空煤气速度比，空煤气预热温度，减震 环等都是影响回流区形状、大小和位置及回流量的重要因素。牛珏没有解 决的问题是在做数值计算时，空、煤气入口速度分布不是均匀的，却按照 速度均匀考虑的。其后鞍山科技大学的硕士研究生赵治国研究了热风炉用 栅格式燃饶器燃烧场的试验研究与数值模拟“。得出以下结论：栅格式陶 瓷燃烧器具有初步预混的条件，空气过剩系数小，它可以在大于又接近于 1 的条件下实现完全燃烧，火焰长度短，燃烧稳定。预热温度对燃烧器的 着火位置有很大影响，空、煤气不预热时，着火位置上移，形成悬举火焰： 随着空、煤气预热温度的提高，着火位置下移，当空气预热温度5 0 0 ， 鞍i i i 科技人学坝i 论义 讹囊绪论 煤气预热温度3 0 0 时，可以h 现近似于表1 1 1 i 燃烧的火好1 。仙足赵治旧 只研究了空、煤气管路进入栅格式燃烧器的 式会影响剑燃烧器i i jl j 乃至 燃烧室的流场分碲，具体空、煤气管路怎样进入栅格式陶瓷燃烧器以及会 怎样影响流场分柿的，没有加以研究。热风灯，的煤气燃烧是个系统r 程， 它取决于空、煤气入燃烧器前的管道前i 锷、燃烧器结构，史燃烧雀，行址 一个有机统一体系。套筒式陶瓷燃烧器以及栅格式陶瓷燃烧器所得剑的结 论均已应用到实践中，并且被实践证明是i ：确的。 陶瓷燃烧器主体用耐火砖砌成，不同形式的陶瓷燃烧器砖型不川，复 杂程度各异。陶瓷燃烧器出叫上方。段距离处，为防i t t 变d i ，尚 墙不均匀问题，环绕燃烧器出口砌筑一层保护层。”1 。 陶瓷燃烧器的优点：陶瓷燃烧器垂直安装在燃烧室内，因而没有金属 燃烧器燃烧火焰直冲隔墙造成的短路问题，燃烧形成的火焰在燃烧室内能 够展开，产生的高温区集中在拱顶，符合高炉热j l 炉掾怍r 艺的需婴陶 瓷燃烧器燃烧能力大，比金属燃烧器提高7 0 左右。，燃烧稳定，调节 范围广，能够满足大型高炉对热风量的要求且不易发生脉动现象。陶瓷 燃烧器的结构能够使空、煤气很好的混合，可保证在空气过剩系数很小的 情况下，使煤气完全燃烧，提高理论燃烧温度。由于高温区在拱顶，降低 了燃烧室中、下部的热负荷，给热风炉的高温、长寿创造了条件。较金属 燃烧器，陶瓷燃烧器的拱顶温度提高7 0 左右。 1 3 4 陶瓷燃烧器的分类 陶瓷燃烧器主要分为套筒式、栅格式、三孔式和矩形式四种基本形式。 1 3 4 1 套筒式陶瓷燃烧器 套筒式陶瓷燃烧器结构简单，空气从一侧进入外面的环状管，空气出 口处设有狭窄喷口的环状圈。见图1 8 。 鞍山科技大学颇i 论文 第一尊绪论 一量t 耳 健i o 囊茸 键弁蕾 鼻气i ：， 遗 鬟【拜蠢 空气上卉难 皇上耳连 图i 8 套简式陶瓷燃烧器 图1 - 9 栅格式陶瓷燃器 这种燃烧器所用砌筑砖少，砌筑方便，但火焰较长，喷嘴砖在冷、热 温度变化时出现片状剥落。煤气通道下部在煤气中的水雾作用下，耐火砖 也产生剥落。这种燃烧器的能力较小妇“，流量不易超过8 0 0 0 0 m 3 h ，适合 于外燃式或内燃式热风炉使用。 1 3 4 2 栅格式陶瓷燃烧器 栅格式陶瓷燃烧器于1 9 6 3 年最先出现在联邦德国萨沃尔吉特公司的 外燃式热风炉上。它的特点是煤气和助燃空气都从若干个狭窄的通道喷 出，煤气和助燃空气通道间隔布置，并设有带隔板的砖质分布板，煤气与 助燃空气在燃烧器上部得到混合，形成几十个甚至上百个小的燃烧器。其 气流混合均匀，火焰较短，耐火砖剥落现象少，燃烧能力大，但其结构复 杂，对砌砖质量要求高，维护较困难b 。栅格式陶瓷燃器如图1 9 所示。 鞍钢2 高炉2 4 热风炉、昆钢2 0 0 0 m 3 高炉热风炉和本钢5 4 高炉应用的都是 栅格式陶瓷燃烧器。 1 3 4 。3 三孔式陶瓷燃烧器 三孔式陶瓷燃烧器首先是日本对栅格式陶瓷燃烧器加以改进而得到 的”“。三孔式陶瓷燃烧器的中部为焦炉煤气通道，外侧为环形空间，是高 鞍山科技夫学坝i 。论义 筇一母l _ f 论 炉煤气通道，两者之m 的环道为助燃空气通道。 燃烧器上部设有分布板，三种气体被切割成较小 的流股，从喷口中喷i 叶；并混合燃烧。如图1 1 0 。 这种燃烧器的结构复杂，砖型多，气流混合 较均匀，火焰较短，但由于焦炉煤气在中部喷出， 中心温度较边缘约高2 0 0 ，焦炉煤气的调节性能 较差。目前有新f 1 铁的一些大型外燃式热风炉使 用。宝钢3 座热风炉和马钢l 座热风炉应用的是 三孔式陶瓷燃烧器。 1 3 4 4 矩形陶瓷燃烧器 图1 1 0 三孔式陶瓷燃烧器 矩形陶瓷燃烧器是套筒式陶瓷燃烧器的一种变形，主要与眼睛型燃烧 室相配合使用。燃烧器出口断面为矩形，故此得名。它能充分利用眼睛型 燃烧室断面的空间，矩形燃烧器气体混合效果好，燃烧稳定，燃烧空气过 剩系数在1 1 左右，效率高，燃烧强度大，气体阻力损失小o ”1 。矩形 断面使气流呈片状喷出，流体厚度小，便于空气完全分割，空气喷口在煤 气出口两侧对称分布，与煤气交叉均匀混合。整个燃烧器如同许多小喷嘴 组合而成，汇成一个矩形的火焰流股，使燃烧室气流分布更均匀。当然， 还有一些形式的燃烧器，因其它形式的陶瓷燃烧器在实际工业中应用不是 很多。”，故这里只着重介绍了套筒式陶瓷燃烧器、栅格式陶瓷燃烧器，三 孔式陶瓷燃烧器和矩形陶瓷燃烧器。 1 3 5 几种燃烧器性雒的比较 从空、煤气的混合机理来看，套筒式和矩形式燃烧器都是靠射流的 作用，使空、煤气在有速度差时混合。在混合时，增加空、煤气速度比和 扩大空、煤气的接触面积。煤气的燃烧属于扩散燃烧。三孔式燃烧器是三 种气体在燃烧器出i z i 端混合燃烧，也属于扩散燃烧。而栅格式燃烧器是空、 煤气在从狭长通道进入栅格后就进行预混，煤气的燃烧属于预混燃烧。 栅格式燃烧器和三孔式燃烧器砖型多、结构复杂，对掉转敏感。套筒 式燃烧器由于中间的开口，有一定的防掉砖能力，而且套筒式燃烧器砖型 少，结构简单。套筒式和三孔式燃烧器较栅格式燃烧器空气过剩系数大， 鞍山科技大掌硕士论文第一章绪论 燃烧产物理论燃烧温度低，燃烧能力小。无论是那种形式的陶瓷燃烧器， 都应该具有下列性能“： ( 1 ) 能燃烧足够数量的煤气，以便提供足够热量； ( 2 ) 煤气和空气的混合要充分，火焰有一定长度，燃烧过程空气过剩系 数较低； ( 3 ) 气体流动阻力小； ( 4 ) 寿命长，工作期间允许有少量掉砖； 除了上面4 个方面外，还要求陶瓷燃烧器燃烧稳定。 t 4 陶瓷燃烧器性能的研究方法 目前对陶瓷燃烧器性能研究的方法基本上可分为2 种，一种是实验研 究方法，另外一种是数值模拟方法。在实验研究方法中，又分为冷态实验 和热态实验。 1 4 1 陶瓷燃烧器的冷态实验 在燃烧器的冷态实验中，一般需测出模型的阻力损失系数k 值，然后 根据相似原理，推广到现场。陶瓷燃烧器的阻力损失是设计时首先考虑的 因素。因为在现场要根据热风炉的阻力损失配置相应的风机，如果风机的 功率过大，造成能源的浪费；反之，又不能满足生产需求。另一方面，也 对燃烧器模型的速度场进行测量，考查空、煤气的混合状况。同时，也测 出回流区的位置与大小。在燃烧器的出口，一定范围的回流区是稳定着火 的必要条件。但是回流区过大，将使陶瓷燃烧器上端温度过高，造成燃烧 不稳定以及燃烧器的烧损，甚至在蓄热室格子砖中发生二次燃烧。同时回 流区也与燃烧脉动有密切关系，直接影响燃烧器出口处的压力变化和着火 条件。 1 4 2 陶瓷燃烧器的热态实验 为了清楚了解燃烧器的燃烧情况，需要测定着火点位置、火焰长度、 燃烧产物的温度、燃烧产物的浓度分布、燃烧强度及燃烧能力。这些参数 是燃烧器工作性能的重要指标。从中可以看出该燃烧器的性能以及能否满 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 足生产需要，因此必须进行燃烧器的热态实验。为此前述的专家学者们继 在西丰钢铁厂进行了陶瓷燃烧器的热态实验后，又在鞍钢六高炉新建的三 座外燃式马琴式热风炉上采用的套筒式陶瓷燃烧器做了热态实验研究。他 们先后对这三座热风炉的陶瓷燃烧器做了多种工况下的参数测试，并对燃 烧室不同高度进行了温度场和燃烧产物的浓度场进行了深刻分析“，为此 后的研究工作打下了良好的基础。 1 4 3 数值模拟在陶瓷燃烧景上的应用 数值模拟法h 1 - 捌是应用数学模型定量地描述过程的方法。建立数学模 型是把实际过程简单化，数式化，根据过程的特点用某种合适数学方程加 以描述。具体来说包括基本方程、理论模型、数值方法、计算机程序等几 个方面。该方法理论性强，需要具有比较扎实的专业知识基础，同时要求 有较强的数学功底。到上世纪5 0 年代到6 0 年代，人们逐渐认识到，限制和 控制燃烧过程的因素往往不是反应动力学的因素，而是传热、传质等物理 因素。冯卡门( y o nk a r m a n ) 首先提出用连续介质力学来研究燃烧基本现 象，逐渐发展成反应流体力学。7 0 年代初，斯帕尔汀( s p a l d i n g ) 等人比较 系统地把计算流体力学方法用于燃烧研究，建立了流动、燃烧的数学模型 方法和数值计算方法n ”4 “。数值模拟具有方便快捷、投资小和没有试验 研究中的测量误差等优点，并且可以任意改变工况，寻找最佳的操作工况。 因此，数值模拟技术在工程上占领了不可替代的一席之地。但是，它有其 自身的不足。它的数学模型不够完善，不能很好地从数学角度表述问题。 而将数值模拟和实验研究互相补充将会得到满意的结果。 鞍山科技大学硕士论文 第二章数值模拟简介 第二章数值模拟简介 数值模拟在最近2 0 年小得到了飞速发展，除了计算机硬件工、j r 的段 展给它提供了坚实的物质基础外，还因为无论是分析的方法或是实验的，j 法都受到较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法做分析解，也闪锗 用的昂贵而无力进行实验测定。而数值计算的方法正是具有成本较低和能 模拟较复杂过程等优点。数值模拟，1 i 但口r 以拓宽实验研究的范田，j 尘，二， 减少成本昂贵的实验工作量。用于流动和传热的数值模拟的商业软件钉 p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r c d ，c f x ，f l o w - - 3 d 等。 自然界和各个工程领域中流动和热交换现象大量存在。这些现象都受 3 个基本的物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒。这1 。、 守恒定律的数学表达式一一偏微分方程( 称为控制方程，g o v e r n i n g e q u a t i o n s ) 在初始条件及边界条件( i n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ) 下， 对于简单的情形能够在整个求解区域内获得精确解( e x a c ts o l u t i o n ：又称 分析解，a n a t y t i c a ls o l u t i o n ) 。但是，对于大量具有工程实际意义复杂的流 动和换热问题，不能得到精确解。这时数值计算的方法越来越广泛的得到 应用。 2 1 数值模拟求解问题的基本思想 数值模拟求解问题的基本思想是“：把原来在空间与时问坐标中连续 的物理量的场( 如速度场，温度场，浓度场，燃烧场等) ，用一系列有限 个离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值的集合来代替，通过一定的原则建立 起这些离散点上变量之间关系的代数方程( 称为离散方程，d i s c r e z a t i o n e q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。其具 体思想如图2 1 所示。 2 2 数值解法的方法 数值解法发展至今，各种数值解法的主要区别在于区域的离散方式、 方程的离散方式及代数式方程求解的方法这3 个环节上。在流动与传热计 微山科技大学硕 ：论义 第一二章数f f ( 模拟简介 图2 - 1 数值模拟基本思想 算中广泛应用的方法有4 种：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ， 有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，f e m ) ，有限分析法( f i n i t ea n a l y t i c m e t h o d ， f a m ) 及有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 。现将它们的主要思想 简述如下。 2 2 。1 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 这是历史上最早采用的数值方法。对简单几何形状中的流动与换热问 题也是一种最容易实施的数值方法”1 。其基本思想是：将求解区域用与 坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在每个节点 上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节 点上形成一个代数方程，每个方程包括了本节点及其附近一些节点上的未 知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。由于各阶导数的差分表 达式可以从t a y l o r 展开式来导出，这种方法又称建立离散方程的t a y l d r 展开法。有限差分法的主要缺点是对复杂区域的适应性较差及数值解的守 恒性难以保证。 牲lj j 科技大学硕i ：论文 第二章数值模拟简介 2 2 2 有限容积法( f i n i t ev o i u m em e t h o d ，f v m ) 在有限容积法中，将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制 容积郝有一个节点作代表。通过将i r 恒型的控制方程对控制容积做私! 分_ ： 导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其。阶导 数的构成作出假定，这种构成的方式就是有限容积法中的离散格式。川f i 限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，而且离散方程系数的意义 明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。“ 2 2 3 有限元法( f i n i t ee i e m e n tm e t h o d ，f e m ) 在有限元法中把计算区域划分成一系列元体( 在二维情况下，元体多 为三角形或四边形) ，每个元体上取数个点作为节点，然后通过对控制力 程做积分来获得离散方程。它与有限容积法区别主要在于： 1 ) 要选定一个形状函数( 最简单的是线性函数) ，并通过元体中节点上的 被求变量之值来表示该形状函数。在积分前将该形状函数代入到控制方程 中去；这一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。 2 ) 控制方程在积分前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方 程余量( 即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值) 的加权平 均值等于零，从而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。有限元 的最大优点是对不规则区域的适应性好。但计算的工作量一般较有限容积 法大，而且在求解流动与换热问题时，对流项的离散处理方法及不可压缩 流体原始变量法求解方面没有有限容积法成熟。 2 2 4 有限分析法( f i n i t ea n a i y t i om e t h o d ，f a m ) 有限分析法是由美国华裔科学家陈景仁教授在1 9 8 1 年提出的。在这 种方法中，也像有限差分法那样，用一系列网格线将区域离散，所不同的 是每个节点与相邻的4 个网格( 二维) 问题组成计算单元，即一个计算 单元由一个中心节点与8 个邻点组成。在计算单元中把控制方程中的非线 性项( 如n a v i e r s t o k e s 方程中的对流项) 局部线性化( 即认为流速己矢) ， 并对该单元上未知函数的变化型线作出假设，把所选定型线表达式中的系 鞍山科技人学坝i ：论文 第一二章数 f 【l j l 拟简介 数年常数项用单元边界节点上未知的变量值来表示，这样该单元内的被求 问题就转化为第一类边界条件下的一个定解问题，可以找出其分析解：然 后利用这一分析解，得出该单元中点及边界上8 个邻点上未知值问的代数 方程，此即为单元中点的离散方程。但有限分析法中的系数不像有限容彩! 法中那样有明确的物理意义，对不规则区域的适应性也较差。 以上四种不同数值方法区域与节点的划分如图2 - 2 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，rd ) 所示。 n ve p s ( a ) n v n v 气。 ss e n v搦翻 隧翻 s ( b ) n v n n v p s 、， s s e ( c ) ( d ) ( a ) f d m( b ) f v m( c ) f e m ( d )f a m 图2 2 不同数值方法区域与节点的划分 2 2 流动与传热问题的控制方程 2 2 1 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a l ：i o ne q u a l ：i o n ) 图2 3 是在空间位置的微元体，质量守恒定律表示为： 鞍山科技夫学硕 ：论文 第二章数值模拟简介 一、l u j 幽2 - 3：维直角坐午，j 、糸及微几体 f 单位时间内微元体中流体质量的增加 = 【同一时间间隔内流入该微元体的 净质量1 。据此，可以得出以下的质量守恒方程( 又称连续性方程，c o n t i n u i t y e q u a t i o n ) ： 望+ 旦逊+ 旦盟+ 旦螋：0 a f 。苏 咖 七 上式中的第2 ，3 ，4 项是质量流密度( 单位时间内通过单位面积的流体质 量) 的散度，可用矢量符号写出为： 娑+ d i v ( p = 0 d f 对于不可压缩流体，其密度为常数，连续性方程简化为： a i r ( u ) = 0 2 2 2 动量守恒方程( b o m e n t a mc o n $ 6 r v a t i o ne q u a t i o i l ) 对图2 - 3 所示的微元体分别在三个坐标方向上应用n e w t o n 第二定律 ( f = m a ) 在流体流动中的表现形式： 微元体中流体动量的增加率】_ 【作用在微元体上各种力之和】 并引入n e w t o n 切应力公式及s t o k e s 的表达式，可得3 个速度分量的动量 方程如下： n 一动量方程： 竽+ 亟警+ 里笋+ 亟皆、妻+ 丢c 狲u + z 叩+ 杀研c 塞+ 考，卜 a r苏 却昆良缸、。函7 却& 却“ 昙【叩毫+ 尝) 】+ 以 鞍山科技人学硕i ：论文 第一二章数值模拟简介 v z 刃! 覆力干王： 鐾堕+ 亟掣+ 亟掣+ 亟掣：一蜜+ 昙