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包钢轨梁厂蓄热式加热炉数值模拟 作者 孙海龙指导老师 刘中兴伍永福时间 2010 6 15 1 论文简介 本课题主要的研究目的及意义 本论文是以包钢轨梁厂蓄热式加热炉为基准 通过对蓄热式加热炉数值模拟的研究和加热炉内HITAC过程与钢坯加热过程进行的模拟 来优化包钢轨梁厂3 蓄热式加热炉的运行制度 并利用该系统对钢坯在炉内的加热过程进行模拟分析 并与现场生产记录数据进行对比 证明了模型的研究价值和适用性 在此基础上 分析燃烧组合方式对炉内流场 温度场和浓度场以及钢坯加热效果的影响 研究结果将为蓄热式加热炉在我国的推广与设计提供参考模型 2 本课题研究内容 现如今国内加热炉发展到现在以日趋完善 为了满足现代工业发展的要求 我们必须及时准确的了解加热炉内的详细情况 这种情况下国内外普遍运用fluent来建立加热炉模型模拟炉内燃烧情况 这样数值模拟在蓄热燃烧的机理研究中得到了大量的运用 越来越多的实验结果证明通过模型的建立和模拟我们可以更好的控制加热炉内的情况 使炉内运行情况得到大大改善 因此 运用数值模拟来改善优化蓄热式加热炉的运行是今后加热炉界的发展方向之一 主要内容有以下几点 3 1 通过调节蓄热式加热炉烧嘴的流速和方向来观察炉内温度场的变化对钢坯的影响 从而对烧嘴进行改造 2 发现蓄热式加热炉现存的技术问题 3 运用Fluent建立蓄热式加热炉的实体模型 通过对不同换向组织方式对钢坯加热能力影响的仿真实验来模拟炉内流场温度场的分布情况 优化蓄热式加热炉运行过程 4 仿真模拟研究过程中用到的模型及边界条件的设定 在用FLUENT做模拟燃烧时选用了标准k epsilon湍流模型 Eddy Dissipation涡耗散模型 P 1辐射传热模型 燃烧计算方法选用 SIMPLER算法 在对模型设定边界条件时 对炉膛外壁面采用绝热模型 进出口边界条件分别选用了速度入口边界条件和压力出口边界条件 壁面条件考虑到辐射问题 根据经验取板坯的黑度取 0 8 炉墙的黑度取 0 85 忽略钢坯的移动速度 认为钢坯为相对静止 5 此外 在不影响分析结果的前提下 对加热炉作如下假设 加热炉处于正常生产下的相对稳定 由于钢坯下部的水梁结构很复杂 而且实际的加热过程中经常出现熔渣的现象 忽略钢坯下部的水梁结构 故只考虑板坯上面的情况 不考虑浮力的影响 6 模拟仿真结果分析 加热炉内流场特征右图为蓄热式加热炉内X方向上煤气 空气喷嘴中心截面的速度矢量分布图 由图可以看出由于入炉空气和煤气之间存在较大的速差 射流之间速度差的存在使炉内形成回流和卷混 回流的烟气对稳定燃烧起到了积极的作用 此外由于空气射流具有一个向下的角度 将带给附近射流向下的分速度 受钢坯和炉墙的约束 也将形成旋涡 7 Y方向上煤气 空气喷嘴中心截面的速度矢量分布图 8 由上图可知 气流的速度从加热一段 加热二段至均热段速度依次变大 均热段气流速度最大 但在均热段下部靠近钢坯出口处 受到侧墙的影响 容易形成死角 气流速度很低 在2m s以下 进入第二加热段后 速度开始逐渐提高 在加热二段中部处 炉膛上部及钢坯附近速度提高到3 5m s左右 到第二加热段的尾部 钢坯表面附近的炉气速率约为5m s 9 加热炉内温度分布特征 钢坯在炉内的加热过程及其温度分布是加热炉生产工艺的重点 图 一 为加热炉内三个加热段的温度分布图 由图 一 知 整个炉膛中 烧嘴火焰中心温度最高 最高温度达到1690K 而且火焰区域的温度梯度较大 加热一段火焰短小 温度在1370K 1480K之间 加热二段火焰较长 温度较高在1370K 1570K之间 而均热段火焰最长 温度最低在1370K 1390K之间 这与现场燃烧结论相同 加热一段主要是将刚入炉的钢坯迅速加热到所需求的温度 要求温度较高 进入加热二段后 为了提高钢坯加热质量 需要更高的温度和较长的火焰 保证钢坯得到充足的热量 而均热段主要是维持钢坯在一定的温度 因此不需要很高的温度 但长的火焰可以加大钢坯的受热面积 10 图 一 炉内加热段温度分布图 11 CO2质量分数分布 图 二 为计算得到的沿炉长方X 19300mm截面和X 35460mm X 40460mm处沿炉长方向中心截面上的CO2质量分数分布图 从图中不难发现 CO2质量分数较高的部位集中在加热炉钢坯区域的下部 整个区域CO2质量分数最高值为0 0207 烧嘴布置得较多的部位 CO2质量分数梯度较大 整个炉膛中有多个局部高CO2及低CO2区 整个截面上的CO2的高 低质量分数区与温度的高温 低温区相对应 12 图 二 加热炉内CO2在各加热段的分布图 加热一段X 19400mm处CO2质量分数分布图 13 加热二段X 35460mm处CO2质量分数分布图 14 均热段X 40460mm处CO2质量分数分布图 15 模拟结果的后处理 由于现场的试验条件有限 根据现有的资源 只能针对部分模拟的结果进行试验验证 钢坯在加热的过程中 炉膛内温度场的分布是否合理对钢坯的加热影响较大 所以我们在包钢现场根据运行情况在特定时间段取了一组具有代表意义的数值 作为模拟结果的验证标准 见表5 1 16 表1加热炉现场运行数据 由图 二 和表1对照可以看出 模拟的结果和现场运行数据的相对值差均在5 的范围之内 从而说明了模拟的结果基本上是与实际相符的 是可行的 模拟结果可为步进式加热炉的进一步研究和设计提供了很好的参考依据 不得不指出的是 由于问题的复杂性 软件功能和计算机性能的局限性等原因使得数值模拟的有些计算结果与实际情况有一定偏差 此外模拟计算时间长等特点因而无法满足在线检测的要求 只能为研究和改进设计提供一些依据 17 不同换向组织方式对钢坯加热能力影响的仿真实验 HIATC加热炉中多股射流火焰成群布置 不同的换向燃烧组织方式具有不同的流场和温度场分布 将不同程度的影响到钢坯的加热效果 通过调整换向控制方式 可以将炉内各段的火焰全部布置在同一侧也可以将火焰不知成交叉燃烧 在国外如日本等国家基本上采用交错式火焰布置方式 如图5 5所示 他们认为这样更有利于改善炉内气体的流动和卷混 实现高温低氧燃烧 但国内工程技术人员存在一个顾虑就是认为采用这种交错式火焰布置方式可能会造成 短路 即部分燃料和回流的烟气来不及进一步混合 燃烧便从旁边的排烟口排出炉外 为了分析不同火焰布置对炉内流场和温度场的影响 本研究对交错式和同侧式两种换向控制方式进行数值实验 为实现加热炉的优化控制提供参考 两个仿真工况以图 三 所示时间段的终点时刻加热炉内速度场 浓度场以及温度场 包括钢坯温度场 为初始条件 除换向方式外 其它进出口条件不变 18 图 三 加热炉换向控制方式的仿真工况示意图 a 全同换向想控制 钢坯入口 钢坯出口 19 b 交叉换向控制 20 全同侧换向控制时的仿真结果与分析 与基准工况的分段同侧换向控制不同 本文所说的全同侧换向控制方式指同一燃烧周期内加热炉各段的火焰全部布置在同一侧 图 四 为该工况下煤气 煤气喷嘴中心截面速度矢量图 由于各段的射流方向相同 炉内流场分布相对来说比较稳定 紊乱程度不如基准工况 加热二段与均热段之间不存在明显的旋涡 但可能由于它们之间速度差的影响 加剧了同向射流间的相互干涉 该区域与附近其它区域的速度矢量有细微差别 21 由于加热一段与加热二段相邻喷嘴之间的距离较大 旋涡依然存在 但旋涡的类型发生了变化 在基准工况时 该处旋涡是 型 而在本工况条件下 该处旋涡呈 型 涡流的区域有所增大 这对加强气体的循环搅动是有益的 22 图五特定工况下煤气 煤气喷嘴中心截面温度分布图 a Y 6666mm处的温度分布情况 23 b X 19300mm处的温度分布 c X 35460mm处的温度分布 24 图 五 所示为加热炉内不同截面的温度分布云图 与基准工况相比 该工况条件下气体的平均温度有所降低 由于炉内气体的卷混程度较弱 火焰相对较短 尤其在加热二段与均热段交接区域 这种温度分布显然对钢坯的均匀 快速加热不利 出炉前钢坯的平均温度不到1500K 25 图 六 给出了该工况下煤气 煤气喷嘴中心截面速度矢量图 与基准工况相比 该工况下炉内流场具有显著的特征 由于相邻两股射流具有相反的方向 在它们之间形成几乎充满两侧炉墙的旋涡 整个截面的流场几乎由以主流为边界的涡流组成 相邻的两个涡之间具有相反的涡动方向 在空气 煤气喷嘴中心截面 流场分布具有同样的规律 随着换向燃烧的进行 这些涡旋将不断被打乱 消失 很快又形成新的 具有相反方向的旋涡 26 图 六 Y 6466mm处煤气喷嘴中心截面速度矢量图 27 图 七 所示为该工况条件下加热炉内Y 5450mm截面的温度分布云图 相比较而言 采用交叉换向控制时炉内具有较理想的火焰形状 炉内典型截面中 相互交错的20道火焰清晰可辩 且几乎连成一片 在加热炉宽度上的温度分布比较均匀 在炉长方向的温度分布也比较合理 28 图 七 X 19300mm和X 35460mm截面处的速度分布矢量图 29 全文总结 本文将CFD商业软件FLUENT应用于包钢轨梁厂蓄热式加热炉的热工分析 建立了完整的蓄热式加热炉内流场 燃烧 辐射和NOx排放的数学模型 模拟得到了炉内温度场 速度场和流体流场的分布 并做出了合理的分析 结合实际的情况 对温度分布的模拟结果作了试验验证 其主要内容与结论如下 30 1 详细地阐述了高温空气燃烧技术的基本原理 主要特点 研发现状及存在的问题 燃料在高温低氧条件下的燃烧特征及其高效加热性能 高温空气燃烧的最显著特征是燃料在低氧浓度条件下的燃烧能够稳定进行 助燃剂预热温度及反应区的氧浓度是影响火焰体积和污染物NOx生成的主要因素 在提高助燃剂预热温度的同时降低氧含量 将使火焰的峰值温度降低 火焰的体积增大 燃烧室内的温度梯度变小 NOx生成量降低 因此组织HITAC的关键是稳定地产生高温助燃气流 并在炉内建立低氧浓度气氛等燃烧条件 31 2 本文依据蓄热式加热炉的热工特点 建立了炉膛燃烧 流动和传热的稳态数学模型 计算所得的炉内温度与现场取得的数据基本吻合 说明本文所采用的模型与算法是合理可行的 3 在总结前人工作的基础上 确定了高温空气燃烧过程的数值计算模型和求解方法 采用标准的k 双方程气相湍流模型模拟湍流流动 对辐射换热采用P 1辐射方法 对被加热的钢坯按导热固体边界条件处理 借助商业CFD软件Ansys12 0 完成了对蓄热式加热炉中高温空气燃烧过程的现场模拟仿真实验 32 4 通过对 全同侧换向控制 和 交叉换向换向控制 火焰布置方式进行数值实验 分析燃烧组合方式对炉内流场 温度场和浓度场以及钢坯加热效果的影响 得出结果表明 采用交叉换向控制时炉内具有较理想的火焰形状 炉内典型截面中 相互交错的火焰清晰可辩 且几乎连成一片 在加热炉宽度上的温度分布比较均匀 在炉长方向的温度分布也比较合理 因此采用 分段交叉换向控制 火焰布置方式可以改善加热炉的温度制度 更有利于满足钢坯的加热工艺要求 33 5 通过对包钢轨梁厂蓄热式加热炉数值模拟的研究现状和加热炉内HITAC过程与钢