（动力工程及工程热物理专业论文）卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器的数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 卡鲁金顶燃式热风炉相对于内燃式和外燃式热风炉，具有蓄热面积大、结构对称强 度高、热效率高、送风温度高、生成维护费用低和使用寿命长等优点。相对于其他顶燃 式热风炉, 它采用一个多烧嘴环形陶瓷燃烧器, 煤气与助燃空气得到充分混合并实现旋 流燃烧，彻底消除了燃烧脉动，是顶燃式热风炉的重要发展方向之一。顶燃式热风炉的 核心是陶瓷燃烧器， 而目前国内外对卡鲁金热风炉燃烧器的研究和设计还缺乏系统全面 的分析，因此对燃烧器的流场结构和燃烧特性的研究对优化它的结构，提高热效率都具 有重要的意义。 本文针对某高炉的卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器建立与原型相似比为 1:10 的燃烧器 内空煤气流动、混合和燃烧的数学、物理模型，应用 fluent 模拟软件，在给定速度 入口边界条件下，选用 rsm 湍流模型（雷诺应力模型）来模拟燃烧器内的湍流流动， 选用组分传输模型模拟冷态下的流场结构，分析热风炉燃烧器内空煤气流动混合特性、 燃烧室不同截面上的流场特性和组分均匀度、 空煤气喷口出口的流动特性以及蓄热室格 子砖对出口气流的影响。 同时在冷态模拟的基础上选用 pdf 燃烧模型和 p1 辐射模型，在给定空煤气入口流 量的条件下，模拟燃烧器中空煤气的热态燃烧过程。研究燃烧过程中烟气的速度分布、 温度分布和组分分布特性，并计算得到空煤气燃烧的烟气出口温度和燃烧效率。 冷态数值计算结果表明： 环形陶瓷燃烧器的多层多喷口结构能够保证空煤气气流充 分混合并形成旋流，旋流气流将在燃烧室中心产生回流，局部地方产生小的漩涡，从而 有效地缩短火焰的长度。 同时流量大小对燃烧室不同截面和燃烧室出口流动的均匀性基 本没有影响。预热室中四层喷口流量均匀度达 90%，空气喷口的速度均匀性相对煤气喷 口更好，因此通过优化煤气喷口布置可以提高喷口出流的整体气流均匀性。烧烧室出口 气流分布不均匀，边缘速度大，中心气流速度小，最大速度为最小速度的 2.5 倍，但其 均匀性优于传统顶燃式热风炉，燃烧室出口的平均速度均匀度为 68.74%，燃料组分浓 度均匀度为 71.76%，氧气组分浓度均匀度为 74.91%，因此考虑通过优化热风炉的结构 设计来提高蓄热室上部的气流分布。 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 ii 热态模拟结果表明：燃烧室内空煤气燃烧为典型的扩散燃烧，煤气引入管在上，空 气管在下形成预燃室中空气包裹煤气的旋流流动状态， 旋流燃烧和回流阻碍了火焰中心 的发展，大大缩短火焰的长度不会对蓄热室格子砖产生影响，同时预燃室半球球顶空间 充满了煤气，燃烧在空气喷口下方才开始，空煤气在燃烧器中的燃烧效率达到 95.44%， 燃烧室出口的烟气平均速度为 6.7135m/s，烟气平均温度为 1534.7k。 最后，论文本课题进行了总结，并对卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器的后续研究工作提 出了建议。 关键词：卡鲁金顶燃式热风炉，陶瓷燃烧器，数值模拟，喷口均匀性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii abstract the kalugins shaftless hot air stove has many advantages such as larger checker chamber area, symmetrical structure and heavy strength, higher thermal efficiency, higher blast temperature, lower operation and maintain cost, long service life compared with the internal combustion stoves and external combustion stoves. compared with the other top-fire hot air stoves, it uses the ceramic burner with jet-vortex system of gas and air supply, so the gas and air jet-vortex gas flows in pre-combustion chamber and there is no pulsing burning in these stoves at all. the ceramic burner is the core part of the top fire hot air stove, but because of the lack of systemic and comprehensive study about the kalugins ceramic burner, it is very significant to research the flow field structure and the combustion characteristic in order to optimize the burners structure and increase thermal efficiency. in this paper, physical and mathematical model of the flow, mix and combustion of the air and coal gas in the kalugins hot-air stove burner which the geometric similar ratio is one tenth to the prototype were developed. the turbulence flow was treated with the rsm model. based on the species transport model, the model is solved by fluent software. given the velocity boundary conditions, the flow fields and component mixing characteristics of the burner, the flow characteristic on different cross-sections of combustion chamber and the distributions of gas flow in jet-vortex with singly-blowing were studied. meanwhile, gas flow in the outlet of combustion chamber with checker was obtained. in addition, based on the results of cold state, the pdf combustion model and p1 radiation model were obtained to simulate the combustion process of gas and air in the ceramic burner. the velocity distribution, temperature distribution and component distribution of gas were obtained as well as the blast temperature and combustion efficiency of outlet. the computed results under cold state showed that air and gas flew and mixed intensively in the annular ceramic burner with the structure of multilayer and multi-nozzles. it brought backflow in the center of the combustion chamber and little swirl in some place because of the swirl flow, so that the length of flame would be shorted effectively. flow rate had no effect on different flow cross-sections of the combustion chamber and flow uniformity of outlet. the uniformity of flow rate was 90% on the jets of the pre-combustion chamber and the air jets had better velocity uniformity than the gas jets. consequently, it could 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iv improve the homogeneous characters of the burner by optimizing the structure of gas jets. the flow on the outlet of combustion chamber didnt distribute uniformly. the edge velocity was high, but the center velocity was low. as a result, the high velocity is 2.5 times higher than the low one. the average uniformity of velocity was 68.74%; concentration uniformity of fuel was 71.76%, and the concentration uniformity of oxygen was 74.91%. therefore, it was necessary to optimize the structure of burner to improve the flow uniformity. the computed results under hot state showed that the process of gas and air combustion was diffusion combustion. with the structure of upper gas tube and lower air tube, the air enveloped the gas flow in the pre-combustion chamber. the development of the center flame was impeded by the swirl flame burn and backflow, so, the length of reduced flame had no effect to the bricks on the checker chamber. the combustion was started below the air jets, and the hemisphere roof of the pre-combustion chamber was filled with gas. the combustion efficiency was 95.44%; the average velocity of gas on the outlet of combustion chamber was 6.7135m/s and the average temperature was 1534.7k. at last, this paper summarized the subject and suggestions were offered for the design and improvement of the kalugins shaftless hot air stove burner. keywords ：kalugins shaftless hot air stove, ceramic burner, numerical simulation, homogeneous character of the nozzle. 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 v 主要符号表 a 吸收系数 d 直径m f 混合分数 h 焓/kj kg k 湍动能 22 /ms m 质量kg ,组分摩尔百分比 n 网格节点数 r q 热流 2 /wm t 时间s u 速度矢量/m s w 平均速度/m s c 线性各相异性相位函数系数 e 活化能/j kg molg g 入射辐射， k g 湍流动能产生项 r k 平衡常数 p 压力pa p 压差 pa r 气体常数 t 温度k v 体积 3 m w 切应力 密度 3 /kg m 燃烧器的燃烧效率 动力粘度pa s g 湍流耗散率 s 散射系数 阻力系数 斯蒂芬-玻尔兹曼常数 化学当量比 交换系数 opt 均匀度 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 随着国民经济的快速发展，我国的钢铁工业也进入了快速发展阶段。为满足炼钢生 产的需求，我国连续10年成为世界产铁第一大国。在各项炼铁技术水平不断提高的同 时，我国重点企业高炉热风炉热风温度却进展缓慢。热风温度是高炉的一项重要技术经 济指标，体现了一座高炉的生产和管理水平，也是我国高炉炼铁技术与国外先进水平差 距最大的地方。虽然我国高炉的风温逐年提高，但与国际先进水平相比，国外先进水平 的风温已经达到1300，而国内风温先进水平达到1250，并且占多数的中小高炉风 温水平仍然在1200以下。经验数据表明：热风温度每提高100，可降低焦比25kg/t， 提高产量3%4%。热风温度偏低，严重影响了炼铁节能降耗和提高喷煤比，这已经成 为我国炼铁系统技术进步的最薄弱环节1。 热风炉作为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。它通过热 风供给高炉的热量约占炼铁生产能耗的四分之一， 而它所消耗的高炉煤气约占高炉所占 所产煤气的40%23。由于以燃烧作为廉价能源的高炉或焦炉煤气，高风温具有显著的 经济效益。高风温是高炉降低能耗、生铁优质、提高产量和降低成本的有效措施，因此， 进一步提高我国高炉的风温水平，不断改进热风炉的相关技术，具有非常重要的现实意 义。高风温是现代高炉的重要技术特征，提高风温是增加喷煤量、降低焦比、降低生产 成本的主要技术措施。提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、 预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。理论研究和生产实践表明， 采用优化的热风炉结构是提高热风炉热效率、延长热风炉寿命进而提高风温的有效途 径。 热风炉是高炉生产的重要设备之一，它提供给高炉的热风风量、风温直接影响到高 炉炼铁的产量、质量和能源消耗。热风炉有换热式和蓄热式两种形式。换热式热风炉是 利用换热原理进行热交换，它的燃烧烟气与鼓风同时在炉内流动，热量通过壁面由烟气 传给鼓风。 这种热风炉在中国的小型高炉曾被广泛使用过， 其中以管式热风炉应用最广。 但是由于加热鼓风温度低、寿命短、热效率低，以及金属消耗大等原因，现在已经很少 采用。而现代高炉普遍采用的蓄热式热风炉则是利用先在格子砖内贮存热量后，再将热 量传递给鼓风的先蓄热后放热原理进行热交换的一种高炉鼓风加热装置。 蓄热式热风炉 由蓄热室和燃烧室两大部分组成，其工艺流程是：在热风炉的燃烧期，通过热风炉的燃 烧器燃烧煤气而产生高温烟气，将热风炉内的蓄热体（格子砖或耐火球）加热；然后换 炉到送风期，冷风通过蓄热体，与蓄热体进行热交换而变成热风（高温空气）并送往高 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 炉。由于燃烧和送风是断续、交替工作的，为保证向高炉连续供风，每座高炉至少配备 两座热风炉，一般配置34座。因此这种热风炉具有加热鼓风温度高、寿命长，热效率 高的优点。 随着炼铁技术的不断进步以及高炉对热风炉热风温度和稳定性要求的不断提高， 蓄 热式热风炉的结构形式也在不断演变并向高温长寿的方向不断发展， 根据燃烧器所处位 置，从最早的内燃式到外燃式，再到现在的顶燃式热风炉4。内燃式热风炉是在一个钢 壳内用耐火材料砌筑成蓄热室和燃烧室，燃烧器安装在燃烧室下部，一般有套筒式、栅 格式和旋转式三种，内燃式热风炉具有体积小，占地面积少，材料用量省等特点，但由 于自身的结构限制， 存在隔墙易倾斜破损、 拱顶稳定性差和气流分布不均匀等固有缺点， 同时对耐火材料的理化性能要求较高。针对上述缺点而出现的改进型内燃式热风炉，只 对其存在的缺陷进行了改进，采取了预防措施，并未从根本上解决问题。特别是对耐火 材料的理化性能提出了更高的要求。在我国，内燃式热风炉得到广泛应用并取得预期的 实践效果5,如鞍钢9号987 3 m和新1号3200 3 m高炉、昆钢2000 3 m高炉、武钢3200 3 m高炉 等。 外燃式热风炉将燃烧室与蓄热室分设在两个相对独立的钢壳内， 上部用联络管连接。 燃烧器安装在燃烧室下部，燃烧器形式主要有套筒式和栅格式。按燃烧室和蓄热室的连 接方式的不同，外燃式热风炉又有地得式、考贝式、马琴式、新日铁式四种主要型式， 其中新日铁式综合了考贝式和马琴式的优点，具有代表性，应用也较为普遍。新日铁式 拱顶对称且尺寸较小，结构稳定性好，燃烧室和蓄热室的不均匀上涨靠联络管上设置的 波纹补偿器吸收，较好地解决了内燃式热风炉存在的燃烧室和拱顶的稳定性问题，且提 高了气流分布的均匀度。但外燃式热风炉的缺点是占地面积大、钢材和耐火材料消耗量 大，拱顶及联络管砌体结构复杂，基建投资比内燃式和顶燃式高67。当今世界上采用 外燃式热风炉已经很普遍，特别是1200高风温的热风炉大都采用外燃式热风炉，而在 我国目前采用的外燃式热风炉有地得式、 马琴式和新日铁式三种， 使用数量达到40余座， 其中使用数量多、应用效果较好的为新日铁式外燃式热风炉。顶燃式热风炉将燃烧器设 置在炉顶空间，充分利用炉顶空间进行燃烧，由于取消了侧燃室或外燃室，其结构相对 比较对称、温度区分明、占地小、效率高、投资少，是一种高效节能型热风炉，也是未 来高温长寿型热风炉的发展方向。 1.2 顶燃式热风炉的发展 1.2.1 顶燃式热风炉的特点 顶燃式热风炉又称为无燃烧室热风炉，是把燃烧室放在蓄热室的顶部，热风炉拱顶 就作为燃烧室，煤气燃烧后的烟气直接向下进入蓄热室。顶燃式热风炉的热风阀、燃烧 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 阀、燃烧器均放置在热风炉的顶部，热风炉高温区各孔口（热风出口、燃烧口和人孔） 均采用组合砖砌筑，利用炉顶空间进行燃烧，取消了内燃室或外燃室，其温度区分明、 占地小、效率高、投资少、炉型简单、结构对称、结构强度好。相对内燃式热风炉排除 了炉隔墙的复杂性并增加了蓄热室面积， 而相对各种外燃式热风炉根本上消除炉体结构 的不对称性。顶燃式热风炉以其结构稳定、热风温度高的优点而成为高炉热风炉的发展 趋势8-12。 顶燃式热风炉最早是由hartmann于二十世纪二十年代提出并应用于化工行业，到 六十年代受到冶金工作者的广泛重视，进行了很多相关的研究。相对内燃式和外燃式热 风炉，顶燃式热风炉具有如下特点13： 同内燃式热风炉相比，取消了内燃室，消除了内燃式热风炉的蓄热室内气流不 均和燃烧室隔墙结构复杂的缺点；消除了燃烧室和蓄热室中、下部“短路”的可能性；同 时扩大了蓄热室容积，在相同热风炉容量条件下，蓄热面积增加2530。同外燃式热 风炉相比，取消了侧面的燃烧室，整体结构稳定性增强，钢壳结构均匀对称，受力均匀， 同时内部气流分布均匀，传热对称均匀性得到很大提高；占地小、投资省，同时效率得 到提高；节省了热风炉周围操作平台的空间，适合现有热风炉的升级改造； 顶燃式热风炉采用短焰或无焰燃烧器，直接安装在拱顶部位燃烧，在保证煤气 在炉顶完全燃烧的基础上使高温热量集中在拱顶部位，热损失减少，有利于提高拱顶温 度，进而提高热风温度； 热效率提高。在顶燃式热风炉工作周期中，燃烧期的高温烟气由上向下流动， 烟气在流动过程中向蓄热室传热；送风期的冷风由下向上流动，温度升高，逆向强化换 热过程有利于提高热风炉的热效率； 蓄热室中耐火材料工作稳定性提高，热风炉寿命延长。顶燃式热风炉改善了耐 火材料的工作条件，使温度均匀分布并与耐火材料工作条件相适应，延长了炉体寿命； 布置紧凑，占地面积小，节约钢结构和耐火材料。实践表明，在相同高炉容积 条件下，顶燃式热风炉比外燃式热风炉节约钢材约30，节约耐火材料15，节约投 资1020，适合我国钢铁企业现有高炉原地扩容改造采用。 但是，顶燃式热风炉在实际使用中也存在问题，由于顶燃式热风炉的燃烧器、燃烧 阀、热风阀等设备均在位置较高的炉顶，要求配备相应的提升设备进行安装和检修，给 生产工作条件和维护管理带来不便。顶燃式热风炉燃烧器结构部分结构强度相对较差， 炉壳温度高，同时热风炉的烘炉和高温下热风管道的设计都存在很多需要改进的地方。 1.2.2 顶燃式热风炉的主要结构形式 当前世界各国提出了各种形式的顶燃热风炉主要包括以下几种形式14-23：首钢型、 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 旋流顶燃式热风炉、zsd型热风炉、球式热风炉以及卡鲁金型。 1978年，首钢2号1327 3 m高炉采用了顶燃式热风炉，这是世界上第一座大型顶燃 式热风炉。首钢型燃烧器直接在拱顶直段侧面设置1个以上大功率烧嘴，煤气和空气分 别高速进入烧嘴混合， 再进入混合道进一步混合， 然后进入热风炉拱顶燃烧， 实践证明， 这种燃烧器混合效果较好，火焰短，温度高。但由于燃烧器直接设于拱顶直段，受热风 炉拱顶膨胀影响很大，而且混合道在燃烧期温度很低，送风期在高温气流辐射、对流的 作用下升温很快，在不断的温度交替变化中，混合道砖衬很容易损坏，以致产生砌体窜 风、炉壳烧红现象。 而中国科学院化冶所通过对多火孔环形燃烧器的研究，提出了新的热风炉型式(命 名为第二代顶燃式热风炉)，煤气与助燃空气以预混燃烧方式进入燃烧器，然后从火孔 喷出后燃烧。多火孔环形燃烧器安装在热风炉的同一轴线上，燃烧器与热风炉的膨胀和 收缩方向一致，从而根除了燃烧口附近炉壳发红的问题，提高热风炉的风温和寿命。 旋流顶燃式热风炉是结合内燃式与顶燃式两种热风炉的特点， 把燃烧器安装在炉顶 形成顶燃式，同时把燃烧室的直径缩小作为热风通道。将内燃式热风炉改为旋流顶燃式 热风炉后，格子砖的重量和蓄热面积增加了2040，避免了火井的破损，可提高风 温100200。其特点是燃烧效率高，拱顶温度底，气流分布合理，同时隔墙寿命也得 到一定程度的提高。 zsd型热风炉也是内燃式与顶燃式相结合而产生的一种新型热风炉， 它是热风炉内 具有热风通道的顶燃式热风炉，适用内燃式热风炉的改造。其缺点是燃烧器在送风期处 于高温高压环境，易烧损开裂，损失热量；烧嘴个数多、间距小易发生窜风；炉顶整体 强度差，炉壳温度高。 球式热风炉属于顶燃热风炉，只是不砌格子砖，而是将耐火球直接装入热风炉的蓄 热室内。热风炉的拱顶多为锥形顶或悬链线顶，热风出口和燃烧器均设在炉项，燃烧器 多为金属与陶瓷相结合的套筒燃烧器。 球式热风炉按结构形式可分为落地式和架空式两 种：落地式多由内燃式改造而来，炉篦子结构是耐火支柱和可卸的带孔铸铁构成的；架 空式多为新建的球式炉，炉篦子为耐热铸铁笼形状。热风炉球床阻力大要求助燃风机的 配套电机功率大、因此能耗较高；球式热风炉蓄热室下部球体易破碎，因此每23年 需要换一次球，并且有10天左右的清灰卸球周期，因此多用于中小高炉，如成都钢铁 厂318 3 m高炉于1991年成功采用，柳钢1000 3 m高炉目前也采用了球式热风炉。 顶燃式热风炉由于取消了燃烧室， 燃烧所用的气体燃料一般为煤气热值低的高炉煤 气，煤气消耗量大，大量的煤气在拱顶空间内完全燃烧是顶燃式热风炉的技术难点。卡 鲁金顶燃式热风炉相对于内燃式热风炉和外燃式热风炉, 它具有蓄热面积大、投资少、 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 结构简单对称、寿命长等优点; 相对于其他顶燃式热风炉, 它采用一个多烧嘴环形陶瓷 燃烧器, 煤气与助燃空气混合良好, 彻底消除了燃烧脉动。近年来俄罗斯卡鲁金顶燃式 热风炉已经在俄罗斯、中国以及乌克兰等国家高炉中得到应用，例如：我国钢铁行业中 的莱钢750 3 m和2200 3 m高炉， 济钢1750 3 m高炉， 淮钢两座450 3 m高炉， 青钢两座500 3 m 高炉，首秦1200 3 m高炉和重钢高炉热风炉都采用此结构形式的热风炉。截止2007的统 计数据显示24： 已经有81台卡鲁金热风炉投入生产， 另有28台热风炉在设计和建造中。 由于俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉在大功率燃烧器上的突破， 使我国现代高炉采用这种形 式顶燃式热风炉出现了强劲势头，具有广泛的应用前景，因此对该炉型的研究将是本文 的重点。 1.2.3 卡鲁金顶燃式热风炉的发展 从卡鲁金顶燃式热风炉的发展历史来看， 它是由前苏联冶金热工研究院在20世纪70 年代研究开发出的一种顶燃式热风炉。相对于内燃式热风炉和外燃式热风炉, 它具有蓄 热面积大、投资少、结构简单对称、寿命长等优点; 相对于其他顶燃式热风炉, 它采用 一个多烧嘴环形陶瓷燃烧器, 煤气与助燃空气混合良好, 彻底消除了燃烧脉动25。该热 风炉于l982年在下塔吉尔冶金公司的l500 3 m高炉上建成， 如图1.1所示， 其结构特点是26： 燃烧用的煤气和助燃空气的环道和喷口安置在热风炉的炉壳内，从而节省了热 风炉组的占地面积； 在热风炉球顶的基部设有一个环形燃烧器，有50个小直径陶瓷质烧嘴，煤气与 助燃空气混合良好，保证在1.01.5m的高度上完全燃烧，彻底消除了燃烧脉动； 燃烧器上设有调节装置，可使各烧嘴燃烧产生的烟气流量均匀地分布到蓄热室 的断面，不均匀程度在5以内，整个周期内，蓄热室横断面上的温度分布不均匀程度 在23 ； 热风炉拱顶、炉墙、格子砖和炉壳加热均匀而且对称，拱顶只有一个热风出口 孔，保证热风炉拱顶在高温下的稳定性。该热风炉已经成功无大修运行25年，在运行中 拱顶温度可达到1450，风温可达1350。经过4年、l0年和l6年3次凉炉观察和测定， 拱顶、燃烧装置、格子砖等状态完好，热风炉的大修时间主要取决于拱顶的寿命，而硅 砖拱顶寿命可达30年之久。 这种结构热风炉的不足之处是： 环形燃烧器各烧嘴处的砖型多而且复杂； 为使环道、喷口到各烧嘴的煤气量均匀分配，需要在热风炉投产前用调节装置 进行调整，工作量大而且繁琐； 热风炉的拱顶直径比一般内燃式热风炉大，不利于现有内燃式热风炉的改造。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 图 1.1 卡鲁金顶燃式热风炉（改进前） 图 1.2 卡鲁金顶燃式热风炉（改进后） fig.1.1 the first kalujins hot air stove fig.1.2 the improvement of kalujins hot air stove 在这3座热风炉工作经验的基础上，对该结构所作进一步改进27（见图1.2）：缩 小了球顶的直径，以适应现有内燃式热风炉改造。改进了环形燃烧器煤气和助燃空气 的供给方式，取消调节装置，改为微机控制的涡流供给，其结果是燃烧完全，温度均匀， 煤气和助燃空气混合良好，与德国斯塔赫厂（eko stahl）的共同研究表明，当氧含量 在0.35.1范围内，烟气中co含量固定在0.0016(20mg 3 m)，这个数值比德国标 准的允许值低8。在此热风炉上，“短路”被完全消除，在整个生产期内保持生态清洁。 在所有操作方式中，没有脉动燃烧发生。不存在火焰喷射对内衬的冲击和局部过热，这 就保证在拱顶、砖格子、内衬、炉壳的温度分布均衡；同时炉顶温度低，预燃烧室内衬 的整体温度水平比较低(平均约900)，利于保护热风炉的内衬，提高热风炉的寿命。由 于燃烧产物在高温带的停留时间减少了很多， 因此可以有效降低在高温条件下燃烧产物 中的氮氧化物含量。热风炉火墙和燃烧器砖型简化。高效蓄热室，新设计了两种特 殊砖格子：格孔直径30mm的六边形格子砖(带有19孔)，加热面积达到48.0 3 m 3 m (圆 孔)和48.7 3 m 3 m(锥孔)，两种类型都是带有19个完整开孔的六边形砖，具有很高的换 热面积， 这样蓄热室内的热交换系数提高1.5倍， 在热风炉的功率保持不变的情况下蓄热 室高度可降低4050。投资省，采用紧凑小炉顶和高效蓄热室，热风炉高度及直 径相对较小，格子砖的总高度可以有效降低4050。其耐火材料及钢结构用量也相 对较少，同相同能力的改造型内燃式热风炉相比节省投资约25。 这种结构的热风炉已在俄罗斯和乌克兰冶金工厂13863200 3 m高炉建造中使用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 a）正视垂直剖面图 b）i-i 剖面图 a) the diagram of vertical cross-section b) the diagram of cross-section :i-i 图 1.3 卡鲁金顶燃式热风炉的结构示意图 fig.1.3 the construction of kalujins shaftless hot air stove 1-热风炉外壳；2-热风炉内衬；3-砖格子；4-热风管接头；5-穹顶；6-预燃室；7-预燃室外壳；8-预燃室内衬；9- 支撑装置；10-垂直侧墙；11-煤气通道；12，13-空气通道；14-煤气集管；15-空气集管；16-煤气引入管；17-空气 引入管；18-热风炉中心线；19-垂直缝；20-预燃室垂直侧墙的内侧部分；21-预燃室垂直侧墙的外侧部分；22-穹顶 主承重层；23-煤气集管和空气集管之间的分隔墙；24-煤气空气集管之间的内衬 在技术实质和总体特征方面，卡鲁金热风炉的结构特点28为：图1.3.a顶燃式热风 炉的正视垂直剖面图，图1.3.b是沿图1.3.a的i-i线剖切的剖面图，包括带内衬的外壳、 格子砖、穹顶、热风管接头及预燃室，热风管接头位于砖格子上部，从砖格子至热风管 中心线的距离不小于热风管通道截面的直径的长度。预燃室位于穹顶上部，并与穹顶同 心，预燃室外壳带内衬，并独立于穹顶内衬，预燃室外壳内有独立的支撑装置和穹顶， 在预燃室外壳下的内衬中一上一下地安装着煤气和空气集管，其相互之间有隔墙，煤气 和空气的引入管从外壳和集管之间的内衬中穿过， 煤气和空气通道位于预燃室内衬垂直 侧墙中，来自下部集管的上排各通道的中心线都对准预燃室中心线，并向上斜与水平面 的角度约为30o，而位于水平面上的所有其它通道的中心线与穿过各出口截面中心的预 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 燃室半径之间的角度为1530o，预燃室垂直侧墙的内衬用垂直缝分成相互独立的两部 分，预燃室穹顶内衬的主层支撑在预燃室垂直侧墙的内侧部分，而煤气和空气集管之间 的分隔墙在一侧支撑在预燃室垂直侧墙的外侧部分， 在另一侧则支撑在外壳与煤气和空 气集管之间的内衬上。 用垂直缝将预燃室内衬的垂直侧墙分成相互独立的两部分可以使平均温度各不相 同的垂直侧墙的两部分，在温度变化时单独膨胀，互不影响；减少预燃室垂直侧墙砌体 中的热应力，从而增加预燃室的强度和使用寿命。 由于在热风炉的结构上采取了上述措施，从而可大大降低预燃室砌体中的热应力， 进而减少砌体的破损，增加热风炉的使用寿命2930。 1.3 顶燃式热风炉燃烧器的研究 1.3.1 热风炉燃烧器的发展 燃烧器是热风炉的供热设备，它的工作情况直接影响到热风炉温度和热效率，因此 对热风炉燃烧器的研究一直是热风炉研究的重点。 一方面由于热风炉燃烧所使用的气体 燃料是高炉煤气，其可燃成分含量低，约为2425%，在与空气氧化燃烧时，瞬时混合 只有5%的概率发生燃烧，因此燃烧火焰都很长，为保证煤气完全燃烧，燃烧器结构应 该具备良好的空煤气混合性能，尽可能缩短火焰长度。另一方面在设计热风炉燃烧器时 应考虑燃烧器燃烧脉动并保证燃烧器的长寿命要求。 从材质上分，热风炉燃烧器可分为金属燃烧器和陶瓷燃烧器。金属套筒式燃烧器是 最早应用于热风炉的燃烧器，其特点是煤气和空气横向进入金属燃烧器的燃烧室中，在 燃烧室下部形成旋涡流场，依靠气流的宏观流动使空、煤气混合，进而在燃烧室下部燃 烧。由于金属燃烧器在使用中煤气和助燃空气混合不均匀，燃烧脉动大，燃烧能力低并 极易发生脱火，因此在现代高炉热风炉中应用越来越少。为了适应高风温的要求，陶瓷 燃烧器在国外于1963年开始使用，而在我国于1974年开始使用，陶瓷燃烧器具有燃烧 能力大、燃烧强度高、火焰较短、空气消耗系数低、燃烧完全，以及燃烧温度高等优点 31，因此广泛应用于现代高炉热风炉燃烧器中。陶瓷燃烧器的主要结构形式有套筒式、 矩形、格栅式、三孔式和顶燃式热风炉用燃烧器，如表1.1所示。 对顶燃式热风炉燃烧器的结构形式做单独讨论。 按空煤气进入预燃室是否混合分为 预混式和非预混式两种。预混式主要包括大功率短焰燃烧器和第二代多火孔环形燃烧 器， 即在热风炉燃烧器采用多个小套筒式短焰燃烧器组合而成,在拱顶颈部均匀排列， 以 切圆的形式组织燃烧，这种结构形式的热风炉燃烧器多用于中小型高炉，但由于燃烧能 力的限制在大高炉中推广困难。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 9 表 1.1 热风炉陶瓷燃烧器的分类 table 5.1 the classification of ceramic burner of hot air stove 分类 结构特点 优点 缺点 套筒式燃烧器 由两个套在一起的同心圆筒 组成， 外环煤气呈环状的多个 小流股， 对内环柱状的空气低 速流股进行交叉、 渗透和混合 燃烧。 结构简单，安装方 便，使用砖型少。 改善了燃烧脉动。 空煤气混合差，火焰 长，燃烧不完全，造 成格子砖过热、被烧 融、变形。 矩形燃烧器 与眼睛型燃烧室相配合， 煤气 通过中心矩形孔与两侧的片 状小孔喷出的空气混合。 气体混合效果好， 燃烧稳定，效率高， 燃烧强度大，气体 阻力损失小。 火焰仍偏长，并需要 对每个燃烧器做火力 模型试验，以保证完 全燃烧。 格栅式燃烧器 空煤气被分隔成相邻的片状， 并在上方栅格中交叉混合， 在 出口处被分成许多小流股进 入燃烧室中燃烧。 混合均匀，空气过 剩系数低，理论燃 烧温度高，火焰长 度短，燃烧能力大。 结构复杂，砌筑质量 要求高， 热应力集中， 易发生掉砖现象。 三孔式燃烧器 中心圆形通道为焦炉或转炉 煤气，中环为空气，外侧为环 形空间的高炉煤气通道。 气流混合均匀，火 焰短，节约高热值 煤气，降低能量消 耗。 结构复杂，砖型多； 焦炉煤气的调节性 差。 顶燃式热风炉 用燃烧器 包括预混式的大功率短焰燃 烧和非预混式的多火孔环形 燃烧器两种结构。 结构简单，短焰燃 烧，燃烧完全。 炉顶高温区开孔影响 结构强度，蓄热室气 流分布不完全均匀。 非预混式主要包括卡鲁金环形多火空陶瓷燃烧器以及它的改进型3233： 卡鲁金热风炉燃烧器，具体结构特点参见1.2.3节，空煤气通过环形通道从小孔 喷入预燃室中，属于扩散火焰形式。为避免在燃烧室墙面由于旋流形成煤气外层造成煤 气燃烧不充分，因此煤气环道置于空气环道之上，预燃室中形成外层为空气，中心为煤 气的单混合面旋流，这种结构形式在燃烧期中，拱顶空间充满未燃烧的煤气，在换炉过 程中需要用氮气吹扫，即存在安全隐患又降低煤气热效率；单混合面旋流还将造成空煤 气混合时间长，燃烧火焰较长。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 10 旋流式顶燃式热风炉燃烧器： 如图1.4所示， 在卡鲁金顶燃式热风炉的煤气环道 上方增加一层空气环道形成三层环道砌体结构（空气-煤气-空气） ，气流在预燃室中旋流 形成外层为空气、中间为煤气、中心为空气的双混合面旋流，从而避免了对拱顶的吹扫 操作，但同时增加预燃室结构复杂性，增加投资成本，也降低了炉墙砌体的稳定性。 图 1.4 旋流式顶燃式热风炉燃烧器 图 1.5 新型顶燃式热风炉燃烧器 fig.1.4 rotary and top-firing hot air fig.1.5 the new style of top-firing hot air stove burner stove burner 新型顶燃式热风炉燃烧器：在卡鲁金热风炉燃烧器结构基础上引入空气纵向通 道，空气引入管和煤气引入管均为一个，空气引入管和空气环道位于煤气引入管和煤气 上方，空气纵向通道一端与空气下喷孔连通，另一端通过通道与空气环道连通，从而保 证空煤气混合效率高，燃烧时火焰长度短，火焰截面积大，如图1.5所示。 1.3.2 顶燃式热风炉燃烧器的实验研究 由于卡鲁金顶燃式热风炉的发展对我国顶燃式热风炉的设计和生产实践都有重要 的意义，而顶燃式热风炉在我国发展应用较晚, 对其燃烧室内气体流动、传热和燃烧的 研究相对较少,多集中于相关的数值模拟研究， 也有部分工业实验和冷态实验相关报道。 在实验研究方面，为了更好地使用卡鲁金热风炉，丁汝才等34对首秦公司 2004 年 投产的高炉用卡鲁金顶燃式热风炉进行了冷态工业试验以了解该热风炉的流场分布规 律, 定量描述炉内气流分布情况和均匀性。 并通过将试验结与仿真模型进行了对比研究 得到：格子砖表面入口速度测试表明随空气阀门开度增加，空气量越大，分布越均匀， 有利于格子砖蓄热，增加换热效率， 延长格子砖寿命；燃烧器出口流速测试表明空气 阀门开度越大, 上层喷口速度分布均匀性有降低趋势, 下层喷口速度分布均匀性有提 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 11 高的趋势, 但是从分布指数可以看出喷口速度分布的均匀性尚可。卡鲁金热风炉煤气、 空气出口采用多排多喷口形式, 有利于细化煤气和空气流量, 尽管每个喷口流量不完 全一致, 但气体旋流可以改善其混合效果, 其中心存在回流区, 对其格子砖换热有影 响。 煤气在炉顶没有燃烧, 与空气混合再进人热风炉喉口之后炉内中心区, 燃烧混合较 好, 故燃烧后炉顶和炉墙温度较低, 有利于延长热风炉耐火材料寿命。 而辽宁科技大学的步佼哲35对卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器进行了冷态模型实验研 究，所得到的主要实验结论： （1）空气煤气分别走独立的环道，气体喷口速度分布相对 均匀；空气和煤气各有一排旋流喷口，有利于空气和煤气混合均匀，燃烧稳定； （2）气 体喷口的长宽比对喷口速度分布有一定影响，长宽之比一般应大于3。当喷口长宽之比 一般应小于3时，气体从喷口射出后，易形成圆形射流，接触面相对较小不利于强化混 合。 （3）气体喷口的中心线与混合室径向的夹角的角度选择对流场分布也有一定影响， 过大气体在离心力的作用下多分布于炉体边缘，过小又达不到强化混合的效果，气体喷 口的中心线与混合室径向的合适夹角应为22度。另外，燃烧器模型的气体集气环道外 置，环道与混合室内壁间厚度增加，单位面积耐火材料的热应力就相应减小，有利于保 护墙体。 在首秦公司引进、消化俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉技术基础上, 陈冠军等36分析其 技术优点和存在的不足, 自行设计热风炉炉型、燃烧器结构多种方案, 采用仿真、试验 等手段研究了煤气、空气旋角、位置和布置方式变化的基本规律, 并优选了一种可行方 案, 在迁钢2号高炉预热炉上进行应用试脸。仿真和冷态试验结果表明新开发的热风炉 具有结构紧凑、工艺设计简单、炉顶、炉墙温度较低、燃烧完全等性能优点投产应用表 明该热风炉运行良好, 风温达到预期目标, 满足了高炉炼铁生产需要。该技术的开发和 应用, 可以为国内大型高风温热风炉设计提供参考。 1.3.3 数值模拟在热风炉燃烧器中的应用 数值模拟计算是研究热风炉燃烧器的重要方法之一， 在对燃烧器的结构改进和定型 设计中起着十分重要的作用。 贺友多等3738采用计算机模拟技术对卡鲁金热风炉的燃烧器进行分析， 通过对燃烧 器进行二维简化计算模拟和三维燃烧模拟，得到其燃烧器类似于平焰燃烧器，（1）卡 鲁金燃烧器的结构及形式都是好的，由于保证了一定的烟气旋流强度，燃烧器由套筒式 转变为平焰燃烧器。宏观气流流动模式缩短了火焰长度，也保证了卡鲁金顶燃热风炉有 较好的业绩。（2）计算机模拟结果可以用实测来证实。在实际热风炉上可测量宏观主 导切向流速来验证气流速度分布，或测量顶部格子砖的温度分布来得到证实。 李超等39应用湍流扩散火焰燃烧模型，在做了简单化学反应系统和快速反应假设， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 12 对卡鲁金热风炉的预燃室和拱顶内的燃烧过程进行了数值模拟研究， 确定了燃烧过程中 煤气、空气的速度分布。通过对卡鲁金热风炉燃烧过程的三维数值模拟可以得到如下结 论：（1）煤气和空气以切向流入，在炉内带来较大的旋流速度，使气流进入拱顶之后 沿边缘发展， 在中心形成回流， 可见切向速度是改变气流分布的一个很重要的手段。 （2） 预燃室顶部煤气入口以上的区域，除回流带入的少量其他气体外，几乎全是煤气，没有 助燃空气混入，没有燃烧反应发生，这一部分