蓄热式钢包烘烤器气体混合特性数值模拟.pdf

第 4 卷第 4 期 2005 年 12 月 热科学与技术 Journal of Thermal Science and Technology V ol.4 N o.4 D ec.2005 文章编号 1671-8097200504-0323-06 收 稿日 期 2004-07-28; 修回日 期 2005-10-27. 作 者简 介 李 欣 1980-, 男, 硕 士生, 主要 从事蓄热式燃烧技 术等 方面的 研究 . 蓄 热 式 钢 包 烘 烤 器 气 体 混 合 特 性 数 值 模 拟 李 欣 1, 梁 凯 丽2, 冯 俊 小1 1.北京科技大学 热能工程系, 北京 100083; 2.山东莱芜钢铁集团公司 技术中心, 山东 莱芜 271104 摘要利用 CFD 通用商业软件模拟了蓄热式钢包烘烤器的流场和气体混合状况,比较了不同空气喷入速度、 不同空煤气烧嘴间距、 不同空气预热温度等不同工况对空煤气混合状况的影响,并定量分析了这些影响的大 小和趋势。 为蓄热式钢包烘烤器燃烧装置的合理设计提供依据。 关键词 蓄热式燃烧; 钢包; 数值模拟 中图分类号 T F05;T F 066.2文献标识码 A 0 引 言 蓄 热式 燃 烧 技 术又 称 高 温 空 气 燃 烧 技 术 hi gh tem perature ai r com busti on H A T C , 于 20 世纪初开发成功。 该技术利用蓄热室预热助燃 空气或煤气,可极限回收废气余热,将助燃空气或 煤气预热至 800 ℃ 以上,具有节能潜力大,与常 规钢包烘烤装置相比节能率可达 30 ～ 70 ,污 染物排放少,火焰燃烧区域大,燃烧温度高,燃烧 噪 声低等优点。 从 20 世纪该技术引入我国后,经 过 十 几 年 的 研 究 与 开 发, 目 前 已 得 到 广 泛 应 用 [1-5 ]。 在 炼钢生产中,钢包用来盛炼钢炉冶炼好的 钢水。 它不仅是运送钢水的工具,更是影响钢水精 炼的重要因素。 为确保转炉出钢的顺利进行,同时 更有效地减少能耗,提高热效率,要求钢包在盛钢 水 前, 其内衬耐火 材料的表面温度应被 加热至 1 100 ℃ 以上。 我国冶金企业传统的钢包烘烤装 置多为立套管式烘烤器,该烘烤器存在热效率低、 烘烤时间长、 烘烤质量差等问题,难以满足生产需 要,甚至会造成生产事故。 随着蓄热燃烧技术的应 用领域越来越广泛,人们开始开发应用蓄热式钢 包烘烤系统 [6-7 ]。 本文就是以蓄热式空间燃烧烤包 器为例,利用 C FD 通用商业软件,对钢包内部的 气体混合状况进行数值模拟,比较不同工况对气 体混合程度的影响,为钢包烘烤器燃烧装置的设 计提供依据。 1 数学模型 1.1 模型的几何尺寸及网格划分 本文研究的钢包内径 2.293 m 、 高 2.7 m ;包 盖上共有三个烧嘴,两个空气烧嘴在两侧,中间为 煤气烧嘴, 在包盖周 围有宽约 0.1 m 的缝隙 存 在 [8]。 另外只考虑钢包内气体混合流动情况,不考 虑钢包壁厚。 对钢包进行网格划分,其中空煤气烧嘴,包盖 缝隙及壁面进行网格细化,提高网格精度,保证空 煤气烧嘴面上有 40 以上个网格,包盖缝隙面上有 9 层网格;对于壁面,采用网格胀大技术完成网格 的细化和合理过度。 钢包的物理模型见图 1,网格划分见图 2。 图 1 钢包物理模型图 Fig.1 Physicalm odelof ladle 图 2 钢包网格生成图 Fig.2 M esh of ladle 1.2 控制方程组 连续方程 ∂ρ ∂t ρU 01 动量方程 ∂ρU ∂t ρUU -μeffU p′ μeffU T B2 能量方程 ∂ρh ∂t - ∂p ∂t ρUh μ μt σT - qr3 湍动能方程 ∂ρk ∂t ρUk μ μt σk kGk Gb- ρ ε4 湍动能耗散率方程 ∂ρ ε ∂t ρUε μ μt σε ε ε k cεlGk-cε 2ρ ε 5 组分方程 ∂ρYs ∂t ρUYs μ μt σYs Ys-ws 6 式中B为体积力;μeff为有效黏度,μeff μμt, μtcμρk 2/ε ;G k为剪切产生项;Gb为体积产生项; cε 1、cε 2、 σk、 σε、 σT、 σYs为常数;qr、ws为源项。 1.3 边界条件 1.3.1 进口条件 采用 D i ri chl et条件,给定进口速度,进口处的 湍动能k和湍动能耗散率 ε 由以下公式确定 kintcP1I 2 kU 2 int7 εint ρcμ k 2 in t 1000Ikμ 8 式中cP1与cm为经验常数,Ik为湍流密度,Uint为 平均进口速度。 1.3.2 出口条件 对排烟烧嘴和钢包缝隙分别给定出口速度和 压力条件进行计算。 1.3.3 壁面条件 钢包壁面为固定壁面,采用壁面函数,无滑 移,无内热源,认为其绝热。 2 计算结果及分析 2.1 工况确定 对 于具体工况的选择,主要是分析不同空气 喷入速度,不同空煤气烧嘴距离及不同的空气预 热温度对混合状况的影响,见表 1。 表 1 具体计算工况 T ab.1 W ork condi ti on 空煤气烧嘴距离 0.52 m ,空气预热温度 1 000 ℃ ,改变空气喷入速度 /m s- 1 空气喷入速 度 23.6 m /s,空气预 热温 度 1 000 ℃,改变空 煤气烧嘴距离 /m 空气喷入速度 23.6 m /s,空煤气烧 嘴 距离 0.52 m ,改变空气 预热 温度 /℃ 工况一19.80.42600 工况二23.60.52800 工况三28.20.621 000 2.2 空气入口速度对混合状况的影响 钢 包烘烤器所用煤气种类为转炉煤气,主要 成分见表 2。 煤气 的供给量约为 240 m 3/h, 喷入速度 为 23.6 m /s, 在保证过量空气系数为 1.05 的前提 下,改变空气烧嘴直径,使得空气的喷入速度依次 为 19.8、 23.6、 28.2 m /s,分别用工况一、 二、 三代 表,得到空煤气混合云图。 423热科学与技术 第 4 卷 表 2 煤气成分 T ab.2 C om ponents of gas 成分φ /成分φ / C O52.0 CO218.0 H21.0 N228.4 O2 0.6 比 较发现,在空气预热温度相同1 000 ℃ 的情况下,对于工况一,空气喷入速度小于煤气喷 入速度近 4 m /s,空气流向煤气流一侧发生偏移, 二者过早发生混合,且没有充分卷吸烟气,不利于 形成空间高温低氧燃烧;对于工况二,随着空气喷 入速度的增大,煤气流开始向空气流一侧偏移,空 气流可以在空间中卷吸烟气后与煤气混合,并持 续到钢包底部;当空气喷入速度进一步增大至工 况三时,结合工况二与工况三的“ CO 与 O2的摩尔 浓度之比图” 图 4 发现,当空气喷入速度比煤气 喷入速度高近 5 m /s 时,煤气流被空气流卷吸,煤 气向空气侧扩散程度加大,煤气与空气的摩尔比 变大,易于形成低氧燃烧环境。 图 3 空煤气混合状况从左至右依次为工况一、 二、 三 Fi g.3 Condi ti ons of gas adm i xture 图 4 C O 与 O2的摩尔浓度之比依次为工况二、 三 Fi g.4 M ol ar concentration rati o betw een CO and O2 从图 5 可以看出,工况一的空气喷入速度较 小,对烟气的卷吸作用弱,氧气向周围扩散时浓度 较高,影响了空间低氧燃烧环境的形成,高度为 h。 当空气喷入速度增加至工况二与工况三后,空 煤气喷入速度比为 0.9 ～ 1.2。 由于卷吸作用,避 免了局部氧气浓度高,结合图 3 ～ 5 可得,此时空 间内煤气与空气的摩尔浓度比变大,氧气分布均 匀,煤气扩散充分,易形成良好的高温低氧燃烧环 境。 这种条件下火焰稳定,其体积与表面积远大于 传统火焰 [9]。 图 5 空煤气烧嘴中线处 O2的摩尔浓度变化 Fig.5 M olar concentrati on of O2on m iddle l ine 523 第 4 期 李 欣等 蓄热式钢包烘烤器气体混合特性数值模拟 2.3 空煤气烧嘴距离对混合状况的影响 煤 气供给量与空气过量系数均保持不变,煤 气与空气喷入速度均为 23.6 m /s,改变空煤气烧 嘴间距离,分别为 0.42、 0.52、 0.62 m ,用工况一、 二、 三代表,空煤气混合云图见图 6,C O 与 O2的摩 尔浓度比见图 7。 当 空煤气的喷入速度相同时,比较得出不同 空煤气烧嘴间距对气体混合状况的影响见表 3。 通 过结果比较不难发现,空煤气烧嘴间距越 小,二者混合得越早。 对工况一,由于空煤气混合 较早,烧嘴附近容易出现局部燃烧温度过高的现 象。 而对于工况二,空煤气在空间混合得较好,并 且推迟了二者的混合时间,可以避免局部高温的 出现。 随着空煤气烧嘴间距进一步增大至工况三, 二者混合环境逐渐恶化,已无法实现煤气正常的 射流扩散和大范围内的高温低氧燃烧环境,不利 于扩大燃烧空间。 因此,合理的空煤气烧嘴间距是 改善燃烧状况的重要因素。 图 6 空煤气混合状况从左至右依次为工况一、 二、 三 Fi g.6 Condi ti ons of gas adm i xture 图 7 C O 与 O2的摩尔浓度比从左至右依次为工况一、 二、 三 Fi g.7 M ol ar concentration rati o betw een CO and O2 表 3 不同空煤气烧嘴间距对气体混合状况的影响 T ab.3 Influence caused by different di stance 空煤气烧嘴间距 /m混合位置距 包盖距离 /m煤气向空气侧扩散状况气流偏 移状况 0.420.3可穿过混 合锋面扩散 至空 气区域 无 明显 偏 移, 空 煤 气 边扩 散 边 混 合,并延续至包 底 0.520.4可穿过混 合锋面扩散 至空 气区域 无 明显 偏 移, 空 煤 气 边扩 散 边 混 合,延续至包底 0.620.5扩散至空 气区域少,混合范围窄 煤气被空气强烈卷 吸,煤 气流严重 偏移,混合无法 延续 至包底 2.4 空气预热温度对混合状况的影响 煤 气供给量和空气过量系数保持不变,改变 空气的预热温度,取 600、 800、 1 000 ℃ 三个工况, 分别用工况一、 二、 三代表,空煤气混合云图如图 8 所示,O2与 CO 摩尔浓度分布状况如图 9。 比较发现,在相同空气供给量下,随着空气预 623热科学与技术 第 4 卷 热温度的升高,密度变小,喷入速度增大,空气流 对煤气流的卷吸作用增强,增强了煤气的扩散,同 时氧气的摩尔浓度在钢包内分布更加均匀,利用 卷吸烟气的作用易于形成高温低氧燃烧环境。 另 外由于速度变大,射流作用增强,空煤气在整个钢 包高度范围内都可混合得较好,也有利于燃烧空 间的扩大,使燃烧空间温度更均匀。 图 8 空煤气混合状况从左至右依次为工况一、 二、 三 Fi g.8 Condi ti ons of gas adm i xture 图 9 不同工况下 O2与 CO 摩尔浓度分布图 Fi g.9 M olar concentrati on ofO2and CO 3 结 论 1 空气预热温度相同,空煤气喷入速度比由 0.9 增加至 1.2 时,空气流对煤气流的卷吸作用逐 渐增强,空间内煤气与空气的摩尔浓度比变大,氧 气分布均匀,煤气扩散更加充分,易形成良好的高 温低氧燃烧环境。 2 该钢包烘烤器空煤气烧嘴间距在 0.52 m 左右时,可避免烧嘴附近出现局部高温,并在空间 内实现良好的高温低氧燃烧环境,扩大燃烧空间。 3 提高空气预热温度, 有利于加快 氧气扩 散,使氧气浓度分布均匀,易形成高温低氧燃烧环 境,同时扩大燃烧空间,使空间燃烧温度更均匀。 参考文献References [1] 许昌,吕剑虹,董长青. 高温低氧燃烧的发展及其 原理[J]. 能源研究与利用, 2002,421-26. 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