热风炉中回流涡旋结构对其性能与结构的影响

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1、2010年全国炼铁低碳技术研讨会论文集热风炉中回流涡旋结构对其性能与结构的影响陈维汉刘世聚(河南豫兴热风炉工程技术有限公司)0、引言在流体的运动过程中，基于自身特征与边界特征的共同作用常常会形成漩涡运动。流场中大小不等、形态各异的漩涡，有的是清晰可见的而有的是不可见的，有的是有序的而有的是杂乱无序的，有的是稳定的而有的是变化的。典型的漩涡运动，如大气中的气旋（如台风、龙卷风等），湍流中的小尺度涡旋（杂乱无序的小漩涡），以及通常在射流流动、旋流流动、以及流体绕流物体流动所形成的回流涡旋等。在热风炉中由于其结构的不同以及气流进出上的差异，会造成流场的不同结构，最具有代表性的热风

2、炉内回流流场结构有：带预燃室（卡鲁金热风炉）的炉型结构因旋转气流形成的回流涡旋流场；带预燃室的柳钢炉型结构、外燃烧室（新日铁、地德式）的炉型结构等，其气流的无旋喷射形成了不稳定的射流涡旋流场；带火井燃烧室（霍戈文热风炉）内燃式热风炉炉型、气流周向上喷中部折返（豫兴热风炉）的炉型，因其气流折返而形成回流涡旋流场。这样一些流场结构必然对热风炉内的气体燃料的燃烧过程、以及气流与蓄热体间的传热过程产生决定性的影响，同时对热风炉的炉墙结构，尤其是燃烧室炉墙结构产生重要的影响。下面将针对不同炉型探讨其不同流场结构对燃烧与传热过程、炉墙结构的稳定进行定性的分析，作为热风炉结构设计的参考。

3、1、带气流旋切喷射预燃室热风炉内的旋流流场带预燃室的顶燃式热风炉在国内使用很普遍，其预燃室就是一个圆筒形内壁面上环形多层布置气流喷嘴的燃烧器，通常喷嘴与圆筒径向有一定旋切角度。按喷嘴的不同布置可分为：上面两层煤气喷嘴与下面两层空气喷嘴组成的分层喷射混合的燃烧器，煤气喷嘴与空气喷嘴交错排列快速均混燃烧器，以及煤气与空气喷管内部分预混后经环状布置喷射的半预混燃烧器。这样三种不同射流的混合方式就分别对应着分层混合的长焰燃烧、外混合的短焰燃烧、以及部分内混合的短焰燃烧。无论上述何种混合燃烧方式，只要有切向速度存在，其燃烧产生的高温烟气在锥段燃烧室中都会形成向下的旋流流动，旋转气流在

4、离心力作用下，沿壁面区域流速高而中心区域流速低，由此导致气流的边沿部位压力高而中心部位压力低。随着切向速度的增加旋流强度的增高，在高低差压大到一定程度时就会在气流的中心形成回流流动，产生对称的旋转着的轴对称涡旋（涡圈）。由于回流涡旋的存在而使得燃烧室中截面上的速度分布极不均匀，因而烟气流进入蓄热体时的速度分布也是不均匀的。这也就导致了气流与蓄热体间的传热效果各处是不一致的，从而降低蓄热体的利用率。同时，由于旋流作用下四周壁面区域的高流速，以及分层混合的燃烧过程在燃烧室近壁区火焰锋面随负荷而上下变化。这就使得该类型热风炉的锥段拱顶（燃烧室）内衬温度处在不断变化之中，其热应力作

5、用的不稳定与不均匀都会直接会影响到拱顶的稳定性和热风炉的整体使用寿命。如果采取煤气与空气喷嘴环形交错排列，因煤气与空气的均匀而快速混合，在回旋气流的加热下迅速燃烧。这样燃烧过程不至于延长到燃烧室中下部进行，整个燃烧室的温度场就变得均匀，不会造成燃烧室墙体因热应力的反复作用而损坏。但是气流旋转造成的轴向速度分布不均匀仍然不可避免，只能通过蓄热体的结构来予以调节。2、无旋喷射热风炉内的气流流场新日铁热风炉和地德热风炉、柳钢热风炉等，其内的流场都是无旋射流流场。一般而言，无论是外燃式结构还是顶燃式结构，无旋流的射流流场都是不稳定，不可能形成稳定而对称的流场结构。例如，在预燃室中燃

6、烧后形成的进入热风炉扩张锥段的射流，就不可能依附着扩张的壁面顺势流向蓄热室，也不能形成均匀的速度分布而进入蓄热室。由于从预燃室进入锥段燃烧室的气流的静压强通常是中部高而四周低，且最高压力更不能严格对称，故形成气流的偏斜与不对称的燃烧室流场结构是一种必然。通常是气流偏斜在一边，而另一边形成回流的低压区域。这样的烟气流进入蓄热室，其速度分布也是处于极不均匀的状态下，这必然会32010年全国炼铁低碳技术研讨会论文集降低格子砖的利用率和削弱格子砖与气流间的传热效果。为此，新日铁热风炉的格子砖采取中心高边缘低的塔形堆积方式用以调节气流分布的不均匀；柳钢热风炉则是采用球床蓄热体，借助球

7、床中气流的互通来调节气流的分布不均。这样做就可以有效提高蓄热体利用率和增强气流与蓄热体间的传热。此外，这种类型的流场结构始终是中心区域流速高且温度高，而边缘区域流速低、且温度较为均匀，使热风炉拱顶内壁热应力分布较为均匀，拱顶受热应力的作用较小、有利于热风炉结构的稳定。3、霍戈文型内燃式热风炉内折返气流流场霍戈文热风炉是在热风炉蓄热室内设有火井燃烧室和其下部的燃烧器，其混合燃烧过程在火井中完成，燃烧形成的烟气通过火井直接向上进入拱顶，在其作用下折返进入蓄热室。由于上下气流的相互作用在拱顶内形成一个回流涡旋。该涡旋是中