（钢铁冶金专业论文）蓄热式燃烧系统换热过程的数值研究.pdf

囱茎直鲨盔塑主兰垡塑 摘要 蓄热式高温空气燃烧技术是2 0 世纪9 0 年代兴起的集节能、环保等多重优点的高新 技术，是被国际燃烧界公认的燃烧领域的革命。 本研究主要基于二维t e a c h 程序、传热原理和能量守恒，开发出了一套二维非稳态 直通道的温度场程序。并对此程序进行了改进，运用v i s u a lb a s i c6 0 和v i s u a l f o r t r a n5 0 的混编技术实现了人机对话，在可视界面上进行系统参数、结构参数和热 工参数的调整，同时进行数值计算和图形数据分析。 应用所开发的计算机模拟软件，对包钢2 # 高炉热风炉蓄热室内格子砖与流经格砖 的气体之间的对流换热、辐射换热以及格子砖内部的导热过程进行了数值求解，分析了 热风炉的传热过程。把计算结果与现场数据进行对照，验证了程序的可行性。通过分 析，得出了不同的操作周期、格子砖高度等参数对热风炉热工性能的影响。并对高炉熟 风炉操作制度作了简单的研究，提出了“烧一送”操作制度在理论上的的可行性。 蜂窝陶瓷蓄热体是高效蓄热式燃烧系统的关键部分，通过它的蓄热和放热实现对高 温烟气的余热回收和对冷空气的预热。可使尾气温度降到1 5 0 。c 以下空气预热到8 0 0 1 0 0 0 ，热效率达到8 0 。应用开发出的二维非稳态传热程序对蜂窝陶瓷蓄热体进 行了热态模拟，以考察它的传热过程和传热性能；并设计了几组模拟实验，观察换向周 期、蓄热体高度、蓄热体孔径、蓄热体的恒压热容和导热系数等参数对蜂窝陶瓷蓄热体 传热性能的影响；同时得出了合适的结构参数和热工参数。由于同时还进行了蓄热式 燃烧系统的实验研究，将数值模拟的结果和实验数据进行对比分析，尽管在具体数据上 存在偏差，两者变化规律基本相同，进一步证明了所开发的程序的正确性和可行性。 关键词：蓄热式燃烧系统：蜂窝陶瓷体：格子砖；传热特性；数值计算法 堕蓥点型垫盔堂堡主堂壁塑 一一 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a te x c h a n g i n gp r o c e s si nt h e r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ns y s t e m a b s t r a c t r e g e n e r a t i v eh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi s ar t e wh i 曲t e c h n o l o g y s p r i n g i n gu pf r o mt h en i n 嘶e so ft h e2 0 t he e n t u f y w i t hm a n ya d v a n t a g e ss u c ha se n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o m n e n t - p r o t e c t i n ga n ds oo n , i th a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e da sar e v o l u t i o no f c o m b u s t i o ns c i e n c eb yi n t e r n a t i o n a lc o m b u s t i o nc i r c l e s i nt h i sp a p , ap r o g r a mc a l c u l a t i n gt h et w od i m e n s i o n a lu n s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l di na s t r a i g h tf l o w i n gh o l ew a sd e v e l o p e d , w h i c hi sm a i n l yb a s e do nt h e2 - dt e a c hp r o g r a m , h e a t t r a n s f e rt h e o r ya n de n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e m o r e o v e r , i m p r o v e m e n t sw e r em a d et ot h e p r o g r a m ：r e a l i z i n gn m n - m a e h i n ee n n v e r s a t i o nb yu s i n gv - b a s i c6 0a n dv - f o r t r a n5 0m i x i n g p i o 粤珊瑚n i i 唱t e c h n o l o g y ，s y s t e mp a r a m e t e r s , f r a m ep t w a m e t e r s a n dh e a t e n # n e e r i n g p a r a m e t e r sb e h ga d j u s t e do nav i s u a li n m f a e e , m e a n w h i l ed o i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa n d a n a l y s i so f f i g u r ea n d d a t ar e s u l t s u s i n gt h i sc o m p u t e , s i m u l a 垃n gs o f l w s i ed e v e l o p e d , h e a tc o n v e c t i o na n dr a d i a t i o nb e t w e e n c h e c k e r si nt h ec h a m b e ra n dg a sw h i c hi sf l o w i n gt h r o u g ht h ec h e c k e rh o l e s , a n dh e a t c o n d u c t i o ni n s i d et h ec h e c k e r si nt h eb f2 群h o tb l a s ts t o v eo fb a o t o ui r o na n ds t e e lc o m p a n y w f f f en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d t h eh e a ti r a n s f e rp r o c e s sd f m eh o tb l a s ts t o v ew a s a n a l y z e d t h e r e s u l t sa g r e ew i t hl o c a l ed a t a , s ot h ev a l i d i t yo f 血ed e v e l o p e dp r o g r a mw a sp r o v e d t h r o u g h r e s u l t so nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s , i n f l u e n c e so f t h e 哪i e i 稍n gc y c l ea n dt h ec h e c k e r s 碱g h to nh e a t e n g h a 咖p e r f o r m a n c e so ft h eh o tb l a s ts t o v ew e l ea n a l y z e d m o r e o v e r , t h r o u g hs i m p l e r e s e m h e si n t oq ) e 】枷d gs c h e d u l e so ft h eh o tb l a s ts t o v e ，f e a s i b i l i t yo f t h e o n e - b u r n i n g 伽肛 b l o w i n g o p e r a t i n gs c h e d u l ei nt h e o r e t i c a l 她w a sp u tf o r w a r d t h ek e yp a r to ft h eh i g he f f i c i e n c yr e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ns y s t e mi st h eh o n e y c o m b c e r a m i cr e g e n e r a t o r t h r o u g hi t sh e a ts t o r i n ga n dh e a te x c k a n g i n gb e h a v i o r s , t h er e s i d u a l h e a to ft h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n - p r o d u c e dg a si s r e c y c l e d ，t h ec o l dc o m b u s t i o n h e l p i n ga i ri sp r e h e a t e d ，w i t ht e m p e r a t u r eo f t h ew a s t eg a sd r o p p i n gt ob e l o w1 5 0 c ，c o l d a i rp r e h e a t e dt o8 0 0 - 1 0 0 0 1 2 ，h e a te f f i c i e n tr e a c h i n g8 0 t h e2 - du n s t e a d yh e a t 2 塑茎点鲨奎塑塑焦塑 一一 t r a n s f e rp r o g r a md e v e l o p e dw a sa p p l i e dt ot h eh o ts t a t es i m u l a t i o n so ft h eh o n e y c o m b c e r a m i cr e g e n e r a t o r , w h o s eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r e s t u d i e d s e v e r a lg r o u p so fs i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c e so fr e v e r s i n ge y c l e ，h e i g h to ft h er e g e n e r a t o r , d i a m e t e ro ft h er e g e n e r a t o rh o l e s ， s p e c i f i ch e a tu n d e ri n v a r i a b l ep r e s s ( c d ) a n dh e a tc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n to ft h er e g e n e r a t o r o nh e a tp e r f o r m a n c e so ft h eh o n e y c o m bc e r a m i cr e g e n e r a t o r , m e a n w h i l e ，a p p r o p r i a t e f l a m ep a r a m e t e r sa n dh e a t e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s w e f eg i v 眈h e r e s i n c ea c t u a l e x p e r i m e n t so ft h er e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ns y s t e mw e r ec a r r i e do u ta tt h es o , m ot i m e , t h e r e s u l t sa c h i e v e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s ef r o me x p e r i m e n t s ， a l t h o u g hw i t h , s o m ew i n d a g e ，t h ev a r y i n gl a w sw e r eb a s i c a l l yt h es a m e ，w h i c hc o n f i r m e d v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ep r o g r a md e v e l o p e d k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ns y s t e m ；h o n e y c o m bc e r a m i c ；c h e c k e r ：l l e a t 缸眦疏r w r f o r m a n c c ；n u m e r i c a lm e t h o d 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名：导师签名： 日期： 堕茎直型垫查堂堡主堂! ! ! 垒塞一 1 文献综述 1 1 工业炉蓄热式燃烧系统的发展现状 能源是人类生存和社会发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力，对国 民经济的持续、快速发展和人民生活水平的不断提高起着举足轻重的作用。人类发 展依赖于各种各样的l 靶源资源，可持续性发展嗣样依赖于环境的保护。随着工业的 快速发展，节约能源、保护环境也越来越受到重视。各国也因此制定了相应的政策， 并应用高科技手段将能耗和污染降低。 上世纪九十年代，美、日、英等国开发出蓄热式燃烧系统，并在此后不断力n 以 发展完善，现已较成功地应用于加热炉、热处理炉、锻造炉等工业炉上，实现了高 效节能与低污染物排放“1 。 这里简单回顾工业炉窑燃烧器的发展过程，着重介绍蓄热式燃烧器的结构、原 理、特点以及它的发展应用现状。 1 1 1 工业炉窑燃烧嚣的发展 ( 1 ) 冷风燃烧器脚 较早的燃烧器为冷风燃烧器，冷空气由燃烧器进入炉窑燃烧室助燃，燃烧生成 的烟气直接经烟道由烟囱排出。使用这种燃烧器时，炉内温度不均匀，能耗高，热 效率低，烟气中co ：、no x 及烟尘的含量都很大。 ( 2 ) 预热式燃烧器 预热式燃烧器以冷风燃烧器为基础，在烟道中设嚣换热器，将助燃空气预热到 3 0 0 5 0 0 。c ，有效地提高热能利用率。但助燃温度的增高使得火焰中心区温度提 高，炉膛内形成局部高温区，导致no x 摊放量增大，同时局部高温区又造成炉内 温度分布不均匀且影响炉膛耐火材料、炉内金属构件的使用寿命。 ( 3 ) 蓄热式燃烧器 蓄热式燃烧器是集燃烧器、换热器，排烟功能为一体的新型燃烧器，通过蓄热 体，利用燃烧产生的废气余热将空气预热到8 0 0 c 以上，大幅度提高热能利用率。 塑鐾查燮奎塑主堂竺堡茎 最新研制的低nox 蓄热式燃烧器又采用了分级燃烧，并利用烟气回流技术，使n 0 x 排放量达到很低的水平，降低了污染。 1 1 2 蓄热式燃烧系统的结构、原理、和特点 ( 1 ) 蓄热式燃烧系统的结构 如图卜l 所示，蓄热式燃烧系统主要由陶瓷蓄热室、燃料喷口、高温空气喷 口、绝热管道、换向阀等装置组成。蓄热室大多紧靠在燃烧器上，燃烧器喷口既是 火焰入口又是烟气排出口。蓄热体材料的主要成分是氧化铝，一般采用直径为十几 毫米的陶瓷球。近来己发展采用蜂窝陶瓷体作为蓄热体，蜂窝陶瓷蓄热体与陶瓷小 球蓄热体相比具有比表面更大、蓄热效率更高等优点。 ( 2 ) 蓄热式燃烧系统的工作原理 蓄热式燃烧系统主要通过蓄热体的蓄热和放热，利用废气的热量将助燃空气预 热至高温，从而提高热能利用率；同时叉采用了分级燃烧和烟气回流技术，减少了 燃烧污染物的排放量。 蓄热式燃烧器必须成对安装，两个为一组。其中包括两个相同的燃烧器、两个 蓄热器、一套换向阀门和配套控制系统。如图卜l 所示，a 烧嘴工作时，燃料和空 气由a 烧嘴喷入，燃烧生成的火焰加热物料，高温废气进入b 烧嘴，并通过辐射、 对流传热将热量传给蓄热体，废气温度降低到2 0 0 以下经过换向阀由烟道排出。 然后换向工作，冷空气通过b 烧嘴的蓄热室后，已含热量的蓄热体再以对流换热为 主的方式将空气预热至高温( 一般空气预热温度与排废气入口温度仅差5 0 1 5 0 ) ，薅使传热蓄热体被冷却。换向润一般以3 0 2 0 0s 的频率进行切换，使两个 蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态，周而复始地运行。最新的蓄热式燃烧器常采 用低n0 x 燃烧技术，即分级燃烧、烟气回流技术等；燃料分成两部分，少量的一 次燃料与高温普通空气燃烧，进入炉膛的气体抽引周围炉气，形成含氧量低于1 5 的贫氧高温区，二次燃料在贫氧高温区进行完全燃烧。国外常把这种燃烧方式称为 高温空气燃烧技术( h t a c ) 州”。 2 堕鍪查型垫查堂堡主塑堡塞 i i c 燃料：- - x 懋事4 挨栩隅 图卜i蓄热式燃烧器的结构和上作原理图”1 ( 3 ) 蓄热式燃烧系统的特点 a ，较高的烟气余热回收率 采用蓄热式燃烧器，可以最大限度地回收烟气中的热量，能使空气预热到8 0 0 以上的高温，因而增加了炉内的热量，太大地提高了炉子的热效率。蓄热式燃烧 器与一般陶瓷换热器相比，空气预热温度可提高4 0 0 5 0 0 ，燃料节约率可增加 3 0 左右。 b 实现低空气系数下完全燃烧 由于助燃空气被预热到着火点队上的高温，燃料与空气一接触就能迅速燃烧， 而炉内部分烟气回流使燃烧火焰体积增大，促进燃料与空气的均匀混合，因此在接 近i 的空气系数下也能完全燃烧，空气系数的减小，不仅提高炉子的热能利用率， 也减小了其它部件设备的尺寸。 c ，炉温均匀分布 由于一对蓄热式燃烧器是在极短的时间内反复交替燃烧，火焰长度方向的温差 被相互抵消。同时燃料在高温贫氧区燃烧，火焰体积威倍增大，火焰的边界几乎扩 展到炉膛边界，从而使得炉膛内温度更加均匀，温度梯度仅5 0 v 觑。因此被加热 物料受热均匀，提高了产品的质量，延长了炉膛及炉内金属构件使用期。 堕茎直趑竖堡主堂! ! 鲨茎 d 炉子热能利用率高 随着炉膛平均温度增高，炉内传热增强，物料加热速度增快，炉子热能利用率 大大提高，炉子的产量随之增高。对于同样产量的炉窑而言，炉膛尺寸可缩小2 0 以上。 又因为废气的排出温度低、体积小，可避免采用有耐火材料内树的烟道、烟 囱，其结构尺寸也可缩小。所以炉子的总尺寸可缩小更多，设备造价将更低。 e 减少燃烧污染物的总排放量 蓄热式燃烧器的高效节能降低了燃料消耗量，也就相应减少e0 ：等气体的排放 量。nox 的生成主要取决于燃烧过程中火焰最高温度及氮、氧的浓度。采用蓄热 式燃烧器，炉内平均温度虽然升高，但炉温均匀没有局部高温区，峰值温度低于 1 5 0 0 ；而分级燃烧、炉内烟气回流及低空气燃烧又降低了氮、氧的浓度，因而no x 的生成量能减少到很低的水平，达到了降低污染的目的。蓄热式燃烧器在低空气 系数下实现完全燃烧，也降低了烟气中烟尘含量。 f 。对燃料的适用性强 蓄热式燃烧器可用气体燃料和液体燃料( 以低粘度油为主) 。对高温炉也能使 用低发热值的燃料。 1 1 3 蓄热式燃烧器的应用 由于它所具有的优势，不论是新建的妒窑还是改造炉窑，采用蓄热燃烧器都能 产生显著的经济效益和社会效益【6 j 。 国内抚钢建造了2 0 t 蓄热式罩式退火炉。燃料用q j = 1 4 0 0 4 1 8 k j m 3 发生炉煤 气，退火温度8 0 0 9 5 0 0 ，排烟温度1 5 0 0 ，空气单预热。与原有台式退火炉相 比，产量提高3 0 ，节约燃料7 0 ，炉内温差由5 0 减小到l o - e 。 国外日本n k k 钢管公司福山热轧厂2 3 0t h 热轧步进式加热炉，采用高温空气 燃烧技术改造后，吨钢平均能耗减少2 5 ，n o x 排放量降低6 0 。 1 2 陶瓷蓄热体 蓄热式气体燃烧技术作为额兴的先进燃烧技术，具有高效节能和超低氮氧化物 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 排放的双重优越性。其“高效节能”主要是通过其关键部件一一陶瓷蓄热体回收高 温烟气的余热再将热量传递给助燃空气来实现的。 蓄热体是填充在蓄热室内进行热交换的介质。其材质要求耐高温、密度高、导 热系数高、比热容高、成本低和使用寿命长等，新型陶瓷材料刚好符合上述要求。 1 9 8 0 年，蓄热体的研制工作取得重大突破，产生了体积小巧的高效蓄热室，使蓄热 室和燃烧器结为一体的蓄热式燃烧器成为现实。 下面着重介绍两种形式的陶瓷质填充物，并对它们作性能上的比较。 1 2 1 陶瓷小球蓄拱啉 作为蓄热室常用的填充物陶瓷小球，在八十年代我国就对其进行了开发研究得 出了一系列有用的实验数据，下面对其几个重要的参数进行描述 7 1 1 8 1 ： ( 1 ) 蓄热室内冷态阻力特性 气体流经蓄热室的阻力损失是蓄热室设计的重要技术指标，了解蓄热室在冷态和热 态的阻力特性，是合理选择工业炉的供风系统和排烟系统设备的重要前提。 实验结果表明；陶瓷球蓄热室的阻力损失与蓄熟室的高度成正比；阻力损失随着陶 瓷球直径的增大而减小；气体流经蓄热室的阻力损失与空塔流速之间呈幂函数关系。 根据实验结果采用回归的方法，得出陶瓷球蓄热室在冷态条件下的阻力特性方程 为： a 尸，日= 彳一( 1 一s ) 2 v i e 3 d 2 + b ( 1 一i 帮2 占2 d 式中，p 一阻力损失，h 一蓄热体高度，e 一蓄热室孔隙率，v - - 空塔流速，( 1 _ 陶 瓷球直径，u 流体的动力粘度系数，p 一流体的密度，a 、& 一系数。 ( 2 ) 蓄热室内热态阻力特性 实验结果表明：温度对空气和烟气阻力损失的的影响成线性关系；阻力损失随 空塔流速的增大而增大，其变化规律为幂函数关系；阻力损失随着陶瓷球直径的增 大而减小，其变化规律近似反比关系。据此得出热态阻力特性方程如下： 妤 h = a l u o + t 1 2 7 3 1 1 风i d 内蒙古科技大学硕士学位论文 式中，p0 _ 一标准状态下的气体密度，u m 空气或烟气在周期内的平均速度，a l 一由 实验确定的系数，t 哪空气或烟气在周期内的平均温度。 ( 3 ) 陶瓷球蓄热室的换热特性嘲 蓄热室的工作过程是周期性地通过被预热介质( 助燃空气或煤气) 与废气，也就是 周期性地处于放热和吸热状态。在整个过程中，废气温度、空气温度、蓄热体温度不仅 是时间的函数，也随位置的不同而变化。陶瓷球蓄热室内换热过程是包括对流、辐射和 传导在内的复杂的非稳定态传热过程。我国学者对陶瓷球蓄热室这种周期性非稳定态换 热过程的主要特性进行了较为深入、系统的研究。 蓄热室温度分布特性 通过实验，掌握了如下规律t a 、空气出口温度随着时间的延长而逐渐降低，其规律近似成线性变化； b ，在一个周期内排烟温度随着时间的延长而升高，其规律也近似成线性变化： c 、蓄热体表面温度在冷却期随着时间的延长丽逐渐降低，其规律近似成线性变 化l d 、蓄热体表面温度在加热期随着时间的延长而逐渐升高，其规律近似成线性变 化； e 、蓄热室内部烟气温度和空气温度沿高度方向的变化也近似成线性变化； r 蓄热体表面温度的变化与空气和烟气温度的变化规律基本一致，在同一位置， 球的表面温度比空气温度高4 0 6 0 ，比烟气温度低4 5 5 5 ，球的直径大时，球与 气体之间的温差较大，球径小时，球与气体的温差较小。 陶瓷球的综合热交换系数 从实验结果得知；随着换向时间的增加，综合热交换系数的值减小；随着球径的增 大，综合热交挺系数的值亦减小。根据有关的热交换理论和实验的结果，我国学者提出 如下综合热交换系数的表达式翻： l 足 + 上4d 矿( f o ) + + ! j - 一 生 垡! 墨 al 6 堕茎直型垫查堂堡主鲨茎 式中：k 啊综合热交换系数，nh _ 一加热期气球之间的挟热系数，nr _ 糟却期气- 球 之间的换热系数，d 一球的直径，九一球体的导热系数，f o 一傅里叶数( = at d 2 ，a m 导 温系数，。一换向时问) ，矿= o 1 一半。 r 0 通过实验，得出球气之间的换热系数与气体温度、空塔流速、球直径之间的关 系，对实验数据进行数学回归以后得出如下关系式【1 2 】： 空气：口= 4 “+ 2 7 3 ) o 3 1 6 v o d o 3 9 2 烟气：口= 曰“+ 2 7 3 o7 ”v o 3 7 d0 1 ” 式中，a 、b 为经验常数。 1 2 2 蜂窝陶瓷蓄热体 与我国加热炉长期沿用的陶瓷小球蓄热体相比，蜂窝陶瓷蓄热体在换热面积、设备 尺寸和换向时间等多方面都显示了相当的优越性。 蜂窝陶瓷蓄热体的结构特性决定了其优越的传热性能。由于单位体积的换热面积增 大，大大改善和加速了蓄热体和高温烟气及燃烧空气之间的传热过程，换热效率可提高 到9 0 ；其直流通道结构，使阻力损失只有传统陶瓷小球蓄热体的1 4 ，而且不易造成 流道堵塞，保证了运行的安全性。表1 - 1 为陶瓷小球和蜂窝陶瓷蓄热体的性能比较。 表l - l 陶瓷小球蓄热体和蜂窝陶瓷蓄热体的性能比较聊 重量(单位)l 1 1 0 换向时闻( s ) 1 2 0 3 0 流通形状和面积 曲线小 直线大 压力损失 高 低 堵塞问题 有 无 维护周期 1 0 - 1 5 天 6 个月 塑翌直鲨查堂堡主塑堡塞 在相同条件下，将同质量的气体换热到同一温度所用的球状蓄热元件的体积约是蜂 窝状陶瓷的3 倍。换句话说，欲获得同样的换热效果，后者的体积较之前者可减少 2 3 。这意味着构件轻便、结构紧凑的燃烧器蓄热体的一体化设计更易于实现，尤 其可以解决对已有工业炉窑进行节能技术改造时经常遇到的炉体周围空间有限，大尺寸 蓄热体排布、配置困难的问题。 ( 1 ) 蓄热体的热效率与温度效率 定义式为； 蓄热体的热效率， r = ；一q ；) q ：x 1 0 0 蓄热体的温度效率， r = ( r ：一f ：) b ：一f ；) 1 0 0 式中，q ”nq k m - 分别为空气出口与入口热焓，k j m ： q 7 v _ 一姻气入口热焓，l l h ； t ”k 、t k 一分别为预热空气出口与入口平均温度，； t y 烟气入口平均温度，。 国内外大量实测数据表明，应用陶瓷蜂窝体时，t ”k 与t7 ，相当接近，蓄热体的温 度效率高达9 5 ，热回收率可达8 0 左右。 。 需重点指出的是，温度效率i l t 与换向时问t 有密切关系，传热速度随换向时间t 的缩短而提高。当t = 1 0 s 时，传热速度最高，此时温度效率q 。亦为最高。考虑到换向 装置寿命及换向中断停顿时间等其它因素，在采用陶瓷蜂窝体的情况下，适宜的换向时 间约为2 0 6 0 s 。这较之陶瓷球3 0 s 3 m i n 的换向时间大大她缩短，因而更有利于均化 炉内温度场。 ( 2 ) 压力损失 陶瓷蜂窝体的压力损失较小( 通常在1 0 0 0 p a 以下) 。在气流速度及流通截面积相同的 条件下t 1 0 0 孔陶瓷蜂窝体和巾1 2 陶瓷球相比，蜂窝体的压力损失一般只有陶瓷球的 1 3a 佣如，气流速度为l 2 5 m s 时，1 8 0 孔，岔、高1 5 0 m m 的蜂窝体压力损失为 内茎重型垫叁堂堡主塑堡塞 1 0 7 3 4 3 p a ，而高2 0 嘶强的q b1 2 球床压力损失为2 0 0 2 5 0 0 p a 。由此可见，采用陶瓷 蜂窝体的蓄热燃烧系统不仅可节约燃料， 而且较之陶瓷球蓄热体降低了风机的动力消 趔0 1 1 1 】【1 2 1 。 ( 3 ) 维护 蜂窝体内的气流方向通常是往复流动，也没有流动的滞留区或低速区，结构上 难以被灰尘堵塞或出现堆积现象。此外，根据烟气的含尘程度有的蜂窝体的格孔数 比1 0 0 少( 格孔较粗) 。当然，烟尘中结晶析出物或粘性物含量多时要注意堵塞的可 能性。 在工业炉中，利用高温废气预热空气( 或煤气) 来节约燃料是最有效可行的。 蓄热式燃烧器实现了高温烟气预热空气、炉内烟气回流技术等，成功地解决了提高 热能利用率和降低燃烧污物排放量两大问题，它的高效节能、低污染体现了当代工 业炉发展的方向，同时也能带来巨大的经济效益。蜂窝陶瓷体具有的传热性能好、 热效率高、压力损失小、体积小、维护方便等优点，为蓄热式燃烧系统的更好地实 现离效节能提供了条件。 l3 传热过程的数值模拟 1 3 1 数值传热学的发展 传热学按研究方法可分为分析传热学、试验传热学和数值传热学。分析传热学 是应用数学求解的方法来获得传热问题的精确解：实验传热学则是通过实验的方法 来测定数据、分析传热现象和传热过程。分析传热学在较为简单的导热领域发展得 较为成熟，但即使在导热领域，复杂的问题( 如带有相变的导热问题) ，也还是难 以获得分析解；至于对流换热，由予问题本身的非线性，能得出分析解的例予更 少。实验研究是传热学最基本的研究方法，但实验特别是工业实验往往耗资巨大， 实施难度较大。数值计算方法则具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程等优 点，随着计算机工业的发展，数值传热学在近2 0 年得到了飞速的发展m ，。 数值传热学( n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r ，n h t ) 又称计算传热学( c o m p u t a t i o n a t 9 堕錾查型垫堑堡主塑堡茎 h e a tt r a n s f e r , c h t ) ，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法通过计 算机予以求解的一门传热学与数值计算方法相结合的交叉科学。其基本思想是：把 原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场( 如速度场、温度场、浓度场等) ，用 一系列有限个离散点( 称为节点，n o d o ) 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值之问关系的代数方程( 称为离散方程，d i s c r e t i 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。它主要包括区 域离散、控制方程离散、代数方程组的求解三个环节，各种不同的数值解法也主要 在于这三个环节的不同。 可以按照数值计算( 即数值模拟) 的思想直接编程计算，也可以使用市场上经 过一定考核的数值计算软件来进行传热过程的数值计算。数值计算可以拓宽实验研 究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次 数值模拟相当于进行一次数值实验。历史上也曾有过首先由数值模拟发现新现象而 后由实验予以证实的例子。 一旦建立了实际问题合理的数学模型，数值模拟能发挥很大的作用。由于它本 身一些固有的优点，在最近2 0 年中，数值模拟已发展成为工业界进行c a d c a m 及过程控制的一个重要手段，在多种工程领域中得到广泛的应用。例如：叶轮机械 粘性三元流的计算，电站锅炉炉膛内流场与温度场的模拟，大型铸件凝固过程中温 度场的预测，单晶拉制过程中温度场及磁场作用的分析，电子器件冷却过程中最高 温度的测算，挟热器壳侧流场与温度场的三维仿真等。在这段期间内，用于流动与 传热数值模拟的商业软件市场也有了很大的发展，先后出现了像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 等大型通用软件。由此可见，传热与流 动的数值模拟在发展工业与国民经济中的重要作用越来越明显。 1 3 2 传热过程的数学模型简介 自然界的传热有导热、对流换热和辐射换热三种基本形式。所有的传热过程都 满足能量守恒定律，即符合能量传输方程。 兰传热过程涉及到流体流动且流场未知时，需将能量传输方程耦合在流动的传 输方程中，可采用s i m p l e ( 8 e m i - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s m t l i n k e de q u a t i o n s ) 系 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 列算法求解。流动的传输方程包括流体的连续性方程和动量传输方程。由于压力场 未知，先给定一个初始的压力场，由连续性方程导出压力修正方程。对压力进行逐 步修正直至收敛。表卜2 给出二维柱坐标系下流动和能量传输的控制方程“。 当流场已知或可以根据其他变量( 如温度t ) 由经验公式计算出时，则只需计 算能量传输方程，可由其它变量( 如t ) 对流场进行校正。 柱坐标系下的控制方程组为： 笔笋+ 亟竽+ 亟掣= 昙q 罢，+ ；昙( 一警，+ & a f 苏丹 绌、9 盘r 卉”两“9 表卜2 柱坐标系下控制方程中各变量及源项 中 r ， s 。 l o 0 p u 弘ok “o ， 一罢+ 吴红当+ 一li at 伊i a v ， 一面+ 面似事+ 7 万伊瓦 一等+ 吴o + ! 昙当一2 壁兰 一石+ 磊石) + 7 言_ 2 手； q 一声 c i 格i ( 一c 2 p b 2 ，k h u o * 酞 = 一这里： 。 p = p 啦= 弘两丰弘哪 拈 2 哮2 + 售n 学2 ，+ 学+ 参2 l 国 防，一、西南7f _ u v k 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 课题的提出 1 4 。l 我国的能源现状 我国是能源消费大国，一次能源消费总量仅次子美国，位于世界第二。但人均能源 消耗量只有约世界平均水平的l 乃，而人均能源消费量反映了一个国家或一个地区的髓 源消费水平。其次，发电效率较高的日本和美国的能源结构中石油占的比例相对较大， 而中国的能源消费结构中煤炭占有近2 ，3 ，且发电效率远低于世界平均水平。总的看 来，我国能源系统的特点是； 人均资源缺乏，布局不均 能源资源总量多，人均少，人均耗能大大低于世界平均水平。能源资源、能源生产 与经济布局不协调，北煤南运、西电东送、西气东输将是长期的格局。 消费结构不合理 能源结构仍以煤为主，煤炭消耗占能源总消耗的6 0 0 , 4 以上；第二产业仍然是能源消 费的主要部分，这导致了能耗高、能源利用率低( 只有大约3 2 ，美国5 0 以上) 、能 源浪费和严重的环境污染：自鲁源供应系统抗风险能力不足。 环境形势严竣 煤炭生产以地方和集体煤矿为主，原煤入选率低，大多数煤炭未经洗选，高灰分、 高硫分的煤直接加以使用，而且掺杂含假严重，造成严重污染。我国s 0 2 的排放居世界 第一位，酸雨的覆盖蘧积已达国土面积的4 0 ；c 0 2 的捧放量已占全球总排放量的 1 1 ，仅次于美国，居世界第二位。 工业炉窑是我国的耗能大户，约占全国能耗的1 4 ，但工业炉窑热效率的平均值很 低，只有3 0 左右，而以高温烟气形式捧放的余热量约占总能耗量的3 0 5 0 。目 前我国的余热资源回收率仅为2 0 3 0 ，绝大部分都自自地排放、浪费掉了，这不 仅浪费了宝贵的资源，而且污染了环境。 近年来，我国在节能和环保工作上加大了政策力度和投入，取得了显著的成 效，但与先进国家相比，尚存在相当大的差距。对冶金工业重点企业和3 5 个地方企 业的2 0 2 座加热炉进行余热资料调查表明，废气温度小于7 0 0 的占4 1 ，在7 0 0 2 堕鐾鱼鲨奎堂堡兰堡兰壅 9 0 0 的占5 1 ，大于9 0 04 c 的占8 ，平均烟气余热损失为3 2 。烟气排放中燃烧污 染物的含量超标严重，我国已成为世界上污染较严重的国家之一。 由此可见，节能和环保是我国能源利用的必然趋势，高新技术的开发势在必 行。 1 4 2 课题的必要性 如何有效地提高工业炉的燃料利用率，大幅度降低污染排放量是急需解决的问 题。利用先进技术，引进、消化并开发出新的节能设备，对设备进行改造、使之降 低能耗和减少污染，是十分必要的。 蓄热式燃烧技术基于蓄热室的概念，回收废气的余热、实现余热极限回收和助 燃空气的高温预热。采用蓄热式高温空气助燃的加热系统较之采用传统的空气助燃 系统有显著的节能效果，而且具有燃烧火焰稳定、炉膛温度均匀等多重优越性。因 此开发蓄热式燃烧技术对于解决我国的能源问题是十分必要的。 而蜂窝陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧系统进行热交换、实现热能回收和节能的关键 部件。因此研究蜂窝陶瓷蓄热体的传热过程和传热性能，对蓄热式燃烧系统的发展 具有重要的意义。 罄于数值传热学的发展，而采用数值模拟研究陶瓷蓄热体的文献并不多，这里选择 数值模拟的方法对蓄热式燃烧系统的蜂窝陶瓷蓄热体进行研究。 1 , 4 3 课甄研究的主要内容 本课题主要围绕以下几个方面展开： l 、对蜂窝陶瓷蓄热体部分运用数值模拟的方法进行温度场分布的预测； 2 、以高炉热风炉为例检验计算机程序的可靠性； 3 、对燃烧系统的温度效率和热效率等进行计算； 4 、将数值计算的结果与实验测出的相关数据进行比较，分析产生偏差的原因，检 验计算结果的正确性。 塑錾直鲨查堂堡主兰堡塑一 _ _ - m _ _ _ - j _ - _ _ - _ - _ ，- - _ _ _ _ 2 2 1 传输方程组 流场计算采用k - e 双方程模型，即满足气体的连续性方程、x 方向动量方程、r 方向动量方程、湍流动能方程( k ) 和湍流耗散方程( e ) ；温度场满足能量传输 方程。二维、枉坐标下、非稳态的不可压缩流体，控制方程分述如f ： 在二维柱坐标下，这些方程的通用形式为： 等- 1 - 警+ 竽= 昙q 罢，+ 吾昙c 詈，+ & o t倦0 r盘? mr 讲 1 钟 1 连续方程： 竺+ 塑! + ! 亟型：o 刁r融，升 x 方向动量方程： 塑生+ 塑字+ 型= 昙参+ 一1 器0t 删_ j o u a r a r r + 掌 良 苏”苏7务”却” s 罢+ 昙似习a u + ! 昙( 掣罢) 积出斑r 廿r r 方向动量方程： 竽+ 亟字+ 亟字= 丢似刍a x + 吾导c 掣塞，+ s a f 西缸” r 备函”“ a 毋p + 丢警，+ 吾昙c 似争一z 等詈 k 方程： 塑+ 挈+ 学召a 岫l jo kar ，+ 拳毒s 苏 丹 苏、盯。缸，1r 务vi i 干o 1 4 内蒙古科技大学硕l 学位论文 s = g 一傩 方程： 掣+ 掣+ _ a ( p - v z ) ：旦拦+ 1 o t ，一l z _ a c + j a衍氟务x 、仃。缸7ro r 、仃。却7 一 s = c l 掰，k c 2 声2 ，k 能量( t ) 方程： c 3 ( p f c p t ) + a ( p c 知p u t ) + a ( p f c p v t ) = 去( a + 7 1 石0 ( m 尹o t + s a f知 务知出r 务”知” 掌= 扛0 2 + ( 刍2 硭) 2 】+ 唔a u o r r+ 参2 卜i 盘咖出i “ 对输运方程进行差分，都可以得到如下的形式： 采用隐式差分格式，使用分段线性拟合的方式得系数如下： 铲| f o 船拿，一叫 口”= 8 。，仇一等，一t0 旷卜一争一叫 s = | 卜。，一等，一只8 铲0 掣 内蒙古科技大学硕士学位论文 口p = 口e + “矿+ 口+ 口s + 口；一s p 缸a r r ( j ) 6 辞s _ x 厶r r ( j ) + 口f o - p o p 或2 等 c = ( 用) 。r ( j ) a r 卟罨芋 破= 哗警 l = ( 删) 。r ( - ，) r e = ( p i ，) 。丑y ( j + 1 ) 缸只= ( ) 。足y u ) 缸 r ( ，) 为控制体主节点所在处的r 值，r v ( j + 1 ) 为控制体沿，方向的上边界所在 处的r 值，r v ( j ) 为控制体沿r 方向的下边界所在处的r 值，具体如下图所示。 融i i 、 r v t 。i 十j 。 j t ，) p j _ ! 压力修正方程： 由于流场压力未知，由连续方程导出压力修正方程，对压力进行修正。对连续 方程采用隐式差分