应用数值模拟进行蓄热式均热炉的优化设计

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1、应用数值模拟进行蓄热式均热炉的优化设计饶文涛，朱彤摘要：应用蓄热燃烧技术改造传统均热炉燃烧系统，可以节约燃气的消耗率，提高炉内温度场的均匀性。文章通过数值模拟试验，研究了均热炉应用蓄热燃烧技术改造后炉内的流场和温度场，提出了优化改造方案。关键词：均热炉；蓄热燃烧；数值模拟1前言90年代后期，蓄热燃烧技术在日本、欧美等国家得到积极推广和应用。该项燃烧技术主要利用高效蓄热体回收烟气中的余热，从而提高助燃空气的温度，使之达到800~1000°C以上，并将排烟温度降低到接近烟气露点。与传统助燃空气温度为400~500°C的燃烧系统相比，极大地提

2、高了能源利用率和燃烧效率；并且采用了多种低氮氧化物燃烧技术，减少了NOx等有害气体的排放。另外通过采用高温低氧扩散燃烧方式，将火焰弥散在整个炉膛空间，促进了炉膛温度分布的均匀性。因此，蓄热燃烧技术在工业炉领域得到了积极的推广应用[1~6]。本文以条钢厂均热炉为改造研究对象，按照实际的工艺状况，提出了三个改造方案，在综合比较的基础上，对其中一个方案进行了12个工况的计算，利用计算机数值模拟技术，通过热效率分析，以及炉内流场、温度场的分析比较，最后确定了改造的最佳方案和工况，实现了对工业炉改造前的科学论证。2现有燃烧系统及改造后的燃气节约率

3、图1为现有均热炉炉膛本体结构及烧嘴布置示意图，炉内摆放了9根钢锭。燃烧系统采用旋流式烧嘴，中间为燃气喷口，外环为助燃空气喷口。表1列出了燃烧系统运行参数。5000烧嘴800钢坯4000烟气出口图1炉膛结构及烧嘴布置示意图表1烧嘴运行参数燃料种类混合煤气（焦炉煤气+高炉煤气）.-3煤气热值/kJm2200×4.18煤气温度/°C3903.-1煤气流量/mh2159煤气压力/Pa30003.-1空气流量/mh5149.5（过量空气系数=1.1）空气压力/Pa3500空气温度/°C550输送入炉膛的热量包括燃气的燃烧化学反应热、燃气与助燃空气

4、的显焓。由于高温空气燃烧系统通过高效蓄热体有效回收炉膛排烟中的余热，提高助燃空气和低热值燃气的温度，增加送入炉膛的燃气和助燃空气的显焓，故在保证入炉热量不变的情况下，可以节约单位时间送入炉膛的热负荷。与此同时，相关的辅助设备如鼓、引风机的能耗也相应减少。因此，应用高温空气燃烧技术改造该均热炉燃烧系统，将有明显的节能效果。表2列出了助燃空气温度1000°C、燃气分别为不同预热温度时的燃气计算消耗量。通过与现有均热炉燃气消耗量比较，可以得到相应的燃气节约率。表2改造方案的不同燃气量以及燃气量调整后的燃气节约率燃烧系统现有均热炉高温空气燃烧系

5、统空气预热温度/°C5501000100010001000燃气预热温度/°C3904006008001000入炉热量/kW695269526952695269523.-1燃气流量/mh215918911845179917523.-1实际空气流量/mh5149.54510.34400.64290.94178.8燃气节约率/%12.4114.5416.6718.853改造方案比较及其数值模拟由于现场实际情况是三个均热炉坑并排在一起，中间的均热炉与两侧的均热炉共用炉墙，且炉顶盖是活动的，故烧嘴只能布置在前墙或前、后墙。燃烧系统改造方案考虑了以

6、下三种：（1）前、后墙布置高温空气烧嘴并保留原来排烟通道；（2）前、后墙布置高温空气烧嘴取消原排烟通道；（3）前墙布置集成蓄热式烧嘴。在前两种布置方式中，两对烧嘴分别布置在前、后墙，高温火焰周期性交替出现在炉膛两端，因此，可以促进炉内烟气流动的充满度，提高烟气与钢坯的对流传热和辐射传热，使钢坯受热均匀。其中，前一种方案由于保留原有排烟通道，有利于通过引风机和烟道闸板等调整炉压，保证加热工艺要求。第三种布置方式是把助燃空气喷口和排烟口同时布置在前墙，与煤气喷口组合在一起，成为新型集成蓄热式烧嘴。但由于大量蓄热体都需布置在前墙，使得烧嘴布置

7、困难。在综合比较上述三种方案后，改造方案选用第一种烧嘴布置方式，并按此方案进行数值模拟研究。为了优化采用高温空气燃烧技术改造均热炉的方案，提高均热炉加热效率，满足加热工艺要求，降低污染物的排放，本文对所提出的改造方案进行了数值试验研究。为了回收炉膛排烟的余热，前后墙的一对烧嘴需周期性交替完成喷射燃气、助燃空气的功能和炉膛排烟功能，故采用助燃空气和燃气直喷式喷口结构，以减小流动阻力。为了防止由于高温火焰冲刷对面墙，设计助燃空气射流速度在40m/s左右。设计烧嘴结构为：中间燃气喷口直径0.3m，燃气喷口水平方向的两侧各有一个直径0.3m的助

8、燃空气喷口，烧嘴中心标高4.1m，与原烧嘴标高一致。由于在入炉热量相同的条件下，不同预热温度的燃气量不同，因此，各个模拟工况的燃气射流速度也不相同；相应的空气射流速度也不同。另外，选定了三种喷口间距，以考察