（动力工程及工程热物理专业论文）蓄热式环形加热炉燃烧及污染物排放特性.pdf

重庆大学硕士学何论文 中文摘要 摘要 高温空气燃烧技术是2 0 世纪8 0 年代以来国际燃烧领域大力推广应用的一项 全新燃烧技术。为了让高温空气燃烧技术能够在非对称供热的环形加热炉上更好 地得以应用，本文采用r n gk 一湍流模型、非预混燃烧模型、p 1 辐射换热模型、 热力型n o x 生成模型，针对使用高炉煤气的双预热蓄热式环形加热炉的燃烧和污 染物排放特性进行了数值模拟分析，通过不同的燃烧器流股交叉、喷嘴距离、预 热温度、燃烧器负荷等工况，研究了蓄热式环形加热炉的流动、燃烧、n o x 生成 及排放等特性。 研究结果表明，从燃烧器喷出的射流由于受断面来流的影响，其射流轴线不 同程度的向下游倾斜。越靠近上游的燃烧器喷出的射流受断面来流影响越显著， 其射流轴线相对于远离上游的燃烧器喷出的射流倾斜越严重。 同种工况下，空气与轴线相交的喷入角越大，火焰体积越小，参考平面上的 最高燃烧温度越高；喷嘴距离越大，火焰长度越短，参考平面上的最高燃烧温度 越低：预热温度的升高提高了燃烧稳定性，使得参考平面上的最高燃烧温度和燃 烧室平均温度明显增高；随着燃烧器负荷的增大，参考平面上的最高燃烧温度和 燃烧室平均温度升高，且其燃烧室平均温度比参考平面上的最高燃烧温度升高的 快。当燃烧器负荷低于7 0 额定工况时，炉内温度分布不够均匀，炉内平均温度 比较低，难以满足燃烧特性的要求。 与普通的燃烧方式相比，采用蓄热式燃烧，环形加热炉内的n o x 生成量较少， 在本文所涉及的研究工况中，n o x 的排放量最小为1 6 5p p m ，最大为1 5 7p p m 。 预热温度和喷嘴距离对n o x 排放量的影响大于燃烧器流股交叉和燃烧器负荷对 n o x 排放量的影响。 关键词：蓄热式燃烧，环形加热炉，燃烧特性，污染物排放特性，数值模拟 重庆人学硕士学何论文 英文摘要 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( h i t a c ) i san e wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yt ob e v i g o r o u s l yg e n e r a l i z e dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a lc o m b u s t i o ns i n c et h e 19 8 0 s f o rg o o da p p l yh i t a ci nu n s y m m e t r i c a lh e a ts u p p l yo fa n n u l a rf u r n a c e ，i nt h e t h e s i s ，c o m b u s t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb l a s tf u m a c eg a so f d o u b l e r e g e n e r a t i v ea n n u l a rf u r n a c ea r en u m e r i c a l l ya n a l y z e dw i t hr n gk - e t u r b u l e n c e m o d e l ，n o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ，p 1r a d i a t i o nm o d e l ，t h e r m a ln om o d e l b a s eo nd i f f e r e n tj e ta n g l eo fb u r n e r , d i f f e r e n tj e td i s t a n c e ，d i f f e r e n tp r e h e a tt e m p e r a t u r e ， d i f f e r e n tb u r n e rl o a d ，a n ds oo n ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，n o x f o r m a t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ej e t sf l o wf r o mb u r n e ri n c l i n ed i f f e r e n td e g r e eo nt h e i n f l u e n c eo ft h ef l o wf r o mf u r n a c es e c t i o n t h ej e t sf l o wf r o mu p s t r e a mb u r n e ra r e i n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yo ft h ei n l e to ff u r n a c es e c t i o n ，a n dt h e j e t sf l o wf r o mu p s t r e a m b u r n e ri n c l i n em o r es e v e r e l yt h a nt h ej e t sf l o wf r o md o w n s t r e a mb u r n e r u n d e rt h eh o m o l o g o u sc o n d i t i o n s ，w h e na i r - j e ta n g l ei n c r e a s e s ，t h ef l a m ev o l u m e d e c r e a s e s ，a n dt h em a x i m 啪c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo fr e f e r e n c ep l a n ei n c r e a s e s w i m t h ei n c r e a s i n gj e td i s t a n c e ，t h ef l a m el e n g t ha n dt h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e o fr e f e r e n c ep l a n ed e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n gp r e h e a tt e m p e r a t u r e ，t h ei m p r o v e m e n t o fc o m b u s t i o ns t a b i l i t y ，t h es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eo ft h em a x i m u mc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r eo fr e f e r e n c ep l a n ea n dt h ea v e r a g ec o m b u s t i o nc h a m b e rt e m p e r a t u r e w i t h t h ei n c r e a s i n gb u r n e rl o a d ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo fr e f e r e n c ep l a n e a n dt h ea v e r a g ec o m b u s t i o nc h a m b e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e t h ea v e r a g ec o m b u s t i o n c h a m b e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf a s t e rt h a nt h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo f r e f e r e n c ep l a n e w h e nb u r n e rl o a dl o w e rt h a n7 0 ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h e f u m a c ei sn o n - u n i f o r m ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c ei s v e r yl o w ，a n dt h e r e q u i r e m e n to fc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sd i f f i c u l t yt ob es a t i s f i e d n o xf o r m a t i o na n de m i s s i o na r ec o m p a r a t i v el i t t l e b yu s i n gr e g e n e r a t i v e c o m b u s t i o ni na n n u l a rf u r n a c e i ni n v o l v e dc o n d i t i o n so ft h i st h e s i s ，t h em i n i m u mn o x e m i s s i o ni s16 5p p m ，a n dt h em a x i m u mn o xe m i s s i o ni s15 7p p m t h ec h a n g eo f p r e h e a tt e m p e r a t u r ea n dj e td i s t a n c eh a v eag r e a t e ri n f l u e n c eo nt h en o xe m i s s i o nt h a n t h ec h a n g eo f j e t a n g l eo fb u r n e ra n db u r n e rl o a d i i 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 k e y w o r d s - r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o n ，a n n u l a rf u r n a c e ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， p o l l u t a n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 i 学位论文独创性声明 l 本 人声明所 呈交的盟- i k 士 学 位 论文 拙经墨鱼塑噎燮塑逝童聋逊! 勤是磊个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：名纭色 导师签名： i y 六1 9 签字日期；矽矿旷 签字日期：叫一i ，一乒 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程 ) ，愿意将本 提交中国学术期刊( 光盘版) 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 腿i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：旁冬 刷噬名i 茹烯m 牛0 月￥口 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 噬装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 能源是人类社会赖以存在和发展的基础。目前，世界能源原料仍以石油、煤 炭和天然气等矿物原料为主。b p 世界能源统计2 0 0 5 的数据表明，全球石油储 量可供生产4 0 多年，天然气和煤炭则分别可以供应6 7 年和1 6 4 年【l 】。中国地大物 博，能源资源非常丰富，据2 0 0 6 年中国统计年鉴的数据全国主要能源的基础储量 为：石油2 4 8 9 7 2 1 万吨、天然气2 8 1 8 5 4 亿立方米、煤炭3 3 2 6 4 亿吨；但若以“人 均拥有量”来衡量，中国却是资源贫瘠国，2 0 0 6 年人均石油储量只有1 9 吨，人均 天然气储量2 1 6 8 立方米，人均煤炭储量2 5 6 吨，分别为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 ，中国的人均资源储量远远低于世界水平，能源供给前景不乐观【2 】。根据 美国能源情报署的资料，2 0 0 2 年，在生产相同总量的g d p 情况下，我国消费的能 源是日本的9 2 倍，是美国的3 4 倍【3 】。这说明我国的能源利用总体效率与发达国 家相比仍有较大差距。环境状况也不容忽视，尽管国际气候变化协议( 京都议定 书) 要求降低c 0 2 排放，但随着发电和石油需求的增长，c 0 2 排放仍在快速增多。 据美国化学与工程新闻杂志统计报道，2 0 0 4 年世界排放c 0 2 的前2 0 位国家( 地 区) 中，美国是c 0 2 排放最多的国家，达5 7 1 3 亿吨；其次是中国，为3 1 7 6 亿吨； 第三位是俄罗斯，为1 5 5 3 亿吨；第四位是臼本，为1 1 8 2 亿吨；第五位是印度， 为1 0 1 0 亿吨。随着中国经济的快速发展和人口的增长，由于能源消耗引起的n o x 排放有持续增长的趋势。环境统计数字显示，2 0 0 6 年全国n o x 排放量为1 5 2 3 万 吨，其中以燃料燃烧产生的n o x 排放为主体，如以原煤为燃料的火电厂、工业窑 炉、民用锅炉等在内的固定源排放。有资料统计，在全国n o x 排放中，6 0 1 8 为 固定源，所以固定源仍是我国n o x 排放的主要污染源。在固定源n o x 排放中，工 业锅炉和电站锅炉分别占5 4 1 2 和4 3 1 1 【4 】。可见降低能源消耗和有害气体的排 放，是保护环境、实现可持续发展的必然要求。 在全国冶金加热用的工业炉中，一般采用的燃烧技术中包括调焰燃烧、平焰 燃烧等，而调焰燃烧、平焰燃烧使用的燃料多是高热值燃料，且因为燃烧区域集 中、燃烧温度较高，造成污染物排放比较严重【5 。7 1 。因此需采取措施提高燃烧效率， 降低污染物的排放。 蓄热式炉内的关键燃烧技术是高温空气燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o n ，简称h i t a c ) ，高温空气燃烧技术是2 0 世纪8 0 年代以来国际燃烧领 域大力推广应用的一项全新燃烧技术，它具有高效烟气余热回收和低污染物排放 等多重优越性【8 ，9 1 ，同时通过对燃料或助燃空气预热至8 0 0 以上的高温，使该类 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 燃烧技术可以在环形加热炉等高端加热场合得到应用。h i t a c 技术于9 0 年代初在 日本取得突破性进展并已得到广泛应用。除同本外，美国、英国和欧洲工业发达 国家均在大力推广该技术的工业化应用，并取得了巨大的节能和环保效益【10 1 。我 国自9 0 年代中期 1 i 】也开始关注这项新技术，尤其是最近几年其发展非常迅猛，已 在多家钢铁厂的近百台加热炉及钢包烘烤器上采用了高温空气燃烧技术【l 2 1 。 h i t a c 技术可广泛应用于冶金、石化、机械、建材、锅炉等行业的热工设备上。 它既能提高加热炉的能源利用率，又能降低污染物的排放，是满足当前资源和环 境要求的先进技术。 对于使用高炉煤气的高温空气燃烧技术在非对称供热的环形加热炉上的应 用，由于高炉煤气的低热值，为了达到设定的燃烧温度，需要使用空气和煤气都 预热的双预热蓄热式燃烧技术。双预热蓄热式环形炉内的流动、燃烧、污染物排 放等是炉子设计、应用过程中的重要问题，温度的均匀性、局部高温区与物料加 热质量、n o x 产生量等直接相关。通过对烧嘴结构、预热温度、燃烧器负荷等关键 参数的调整，使炉子的加热工况最优，以n o x 为主的污染物排放最低，是工程设计 和工程应用中比较关心的问题。本文就以上问题使用适当的模型进行了数值模拟， 得到了一些关于以上参数之间的定量关系。 图1 1h i t a c 技术的基本原理示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fh i t a ct e c h n o l o g y 1 2 国内外现状 1 2 1 蓄热式燃烧技术的工作原理 高温空气燃烧技术的基本原理如图1 1 所示，该系统为双蓄热条件下两组燃烧 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 器对称布置时的工作原理图，由一个燃烧室( 炉膛) 、两个蓄热式燃烧器和一个四 通换向阀组成。首先，助燃空气和高炉煤气经过换向阀进入蓄热室b ，预热后的空 气和高炉煤气从右侧通道的喷1 ：3 喷出并在燃烧室内混合燃烧。燃烧产物对物料进 行加热后进入左侧通道，同时高温烟气以辐射和对流的方式迅速将热量传递给蓄 热室a ，然后以低于2 0 0 的低温烟气进入换向阀，经引风机排入大气。设定的 换向时间一到，控制系统发出指令，换向机构动作，空气和高炉煤气、烟气同时 换向。此时经过蓄热室a 预热后的空气和高炉煤气从左侧通道的喷口喷出并在燃 烧室内混合燃烧，这时右侧通道的喷口作为烟道。在引风机作用下，使高温烟气 通过蓄热体、换向阀、引风机排出，一个换向周期完成。然后，重复以上周期， 从而连续不断地预热空气和高炉煤气，使系统稳定运行。预热后的空气和高炉煤 气在高速喷入燃烧室时，形成一个低压区，在周围产生强烈的卷吸效应，卷吸周 围炉内的烟气形成含氧量低于2 1 的低氧高温气流，使燃料在低氧( 2 - - - 2 0 ) 状态下实现燃烧。四通换向阀以一定的周期换向，换向周期的长短通常根据烟气 排出温度确定，排烟温度的高低又与管道密封结构、蓄热体几何结构、传热特性、 以及热负荷密切相关，所以不同的燃烧系统，换向周期并不相同，但一般控制在 3 0 - - 2 0 0s 之间，排烟温度一般控制在2 0 0 以内 1 3 - 1 8 】。 高温空气燃烧技术的主要特征表现为以下几方面： 采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体， 能够在最大程度上回收高温烟气的物理显热，烟气的余热回收率可达7 5 以上， 烟气排放温度低，仅1 5 0 - 2 0 0 。节能率可达3 0 0 9 】。 随空气温度升高( 8 0 0 - - - - 1 2 5 0 ) 和( 或) 氧气浓度降低( 2 1 2 ) ，火 焰结构并不完全相同，火焰体积明显增大，特别是氧气浓度低于1 0 后，火焰亮 度减弱，体积迅速增大，边缘无稳定形态，甚至充满整个燃烧室空间。这是因为 在高温低氧浓度时，氧分子被大量惰性气体分子所分散，喷嘴附近的氧分子数量 已明显少于氧浓度为2 1 时的氧分子数量，只有少量的燃料分子在喷嘴附近与氧 分子相遇发生燃烧，而大量的燃料分子必须到炉膛大空间中才能与氧分子相遇发 生燃烧，各组分在炉内的分布更加均匀。所以，高温低氧条件下的火焰体积明显 地增大，扩展了火焰燃烧区域，使得炉内温度分布均匀，温度集中的区域大大改 善，可使被加热物体受热更加均匀，从而提高了产品质量和成品率，也意味着单 位产品能耗的降低，炉窑尺寸可以缩小，使得相同尺寸的热工设备，其产量可以 提高2 0 以上，降低了设备的造价。由于火焰大部分是在炉膛空间内才开始逐渐 燃烧，因而燃烧时的噪音比较低【2 0 ，2 1 1 。 燃烧产物中热力型n o x 的排放量随着最高燃烧温度的升高而显著增大。最 高燃烧温度可定性地由火焰亮度反映，火焰亮度越强，最高燃烧温度便越高。燃 重庆大学硕十学位论文 i 绪论 料在高温低氧气氛中燃烧，火焰亮度明显减弱。可见在高温低氧条件下，局部高 温区趋于消失，最高燃烧温度趋于下降，因此，蓄热式炉内高温低氧条件下的燃 烧具有n o x 排放浓度低的特性【2 2 2 3 j 。 由于节能减少了能源的消耗，也就减少了c 0 2 的排放，缓解了温室效应，因 此，高温低氧燃烧也具有低c 0 2 排放量的特性。 适用性较强，能用于多种不同工艺要求的工业炉。由于蓄热式燃烧系统的 炉温均匀性好，炉温波动小，不存在高温区过分集中及火焰对工件的冲刷等问题， 所以它的适用范围较宽。目前已在大中型推钢式及步进梁式轧钢加热炉、均热炉、 罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤器、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉 等工业炉上使用。在实际运行中比较稳定可靠，取得了比较好的经济效益和社会 效益【2 0 】。 低热值的燃料( 如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的 液体燃料等) 借助高温预热的空气或高温预热的燃气可获得较高的炉温，扩展了 低热值燃料的应用范围，使低热值燃烧可以应用于环形加热炉等高端场合。 1 2 2 蓄热式燃烧技术的应用现状 高温空气燃烧技术是2 0 世纪8 0 年代末由日本学者田中良一等人提出的一种 全新概念的燃烧技术。该技术主要包含两项基本技术手段：一是最大限度地回收 废气的余热，将助燃空气预热到8 0 0 以上的高温，达到燃料自燃点以上，燃料 的可燃范围扩大；二是利用燃烧烟气回流等措施降低燃烧区的含氧体积浓度，使 燃料在低氧气氛( 2 - - 2 0 ) 下仍可保证稳定燃烧。高温空气燃烧技术在钢铁工 业中得到较好应用的国家是同本，1 9 9 3 年同本政府针对“防止地球温暖化行动计 划”，决定在钢铁和有色金属行业的工业炉领域立项开发高效工业炉技术，以实现 节能3 0 以上、n o x 和c 0 2 的排放指标达到日本政府要求的目标。由于高温空气 燃烧技术的节能和低n o x 排放特性，日本政府最终将该技术列为国家“高效能工业 炉开发”项目。1 9 9 7 年京都会议上f 1 本政府承诺到2 0 1 0 年使温室气体c 0 2 的排放 量降低6 ，加速了这一项目的实施。日本在1 9 9 8 年已经开始进入h i t a c 技术的 工业化示范推广阶段，仅当年就有5 0 余家企业采用h i t a c 技术开发工业炉窑，其 节能平均效果达到5 0 ，n o x 排放指标达到同本政府环境要求。此外，还将此燃 烧技术应用于固体燃料气化、燃料再处理与转化等领域 2 4 瑚】。 高温空气燃烧技术的燃烧过程类似于扩散控制式反应，局部高温区趋于消失， n o x 生成受到抑制。同时，在低氧环境下，燃烧火焰具有与传统燃烧截然不同的 火焰特征。作为一项新的燃烧技术，高温空气燃烧技术由于它的高效节能、传热 均匀和低污染特征，2 0 世纪9 0 年代以来，世界工业发达国家十分重视高温空气燃 烧技术的研究与开发应用工作。在高温空气燃烧技术基本原理的基础上研发了具 4 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 有各自技术特点的烧嘴。德国发展了“无焰氧化”燃烧技术；意大利则开发了“中度 与强化的低氧稀释”燃烧技术：美国有“低氮氧化物喷射”燃烧技术。目前，这些技 术己成功应用于熔炼炉、加热炉以及各种热处理炉上，并已得到广泛应用，其应 用领域有：熔炼炉、均热炉、玻璃熔化炉、铝熔炼炉、钢坯连续式加热炉、锻造 炉、台车式退火炉、干燥炉、锅炉、陶瓷加热炉、各种废弃物处理( 工业、居民 和家畜家禽废物等处理) 、燃料再处理和转化、低热值燃料的应用等等【2 9 3 2 1 。取 得了巨大的节能和环保效益，并显示了其非常广阔的应用前景。 近年来，中国一直致力于高温空气燃烧技术的研究开发与应用，在消化吸收 国外先进技术的基础上，国内先后有众多科研院校与企业对高温空气燃烧技术的 机理、低污染特征、应用技术等进行了一系列研究，特别是在技术应用方面取得 了很大进步，在蓄热式烧嘴、蓄热体材料等方面拥有了近2 0 0 个专利【3 3 1 。并针对 钢铁企业高温烟气余热利用率较低的现状，率先在冶金行业的炼钢烤包器、连续 加热炉、热处理炉等多种炉窑设备上得到了应用，取得了良好的节能与降低n o x 排放量的效果【3 4 3 5 1 。1 9 9 1 年北京科技大学成功研制了蓄热式自身预热烧嘴。1 9 9 3 年北京北岛能源技术有限公司率先在莱钢均热炉上进行蓄热式燃烧技术改造。 1 9 9 8 年9 月萍乡钢铁有限责任公司首次和北京北岛能源技术有限公司合作采用蓄 热式燃烧技术进行轧钢连续式加热炉燃烧纯高炉煤气技术的开发研究，并率先在 萍钢的轧钢加热炉上应用，在国内首次实现了蓄热式燃烧技术燃烧高炉煤气在连 续式轧钢加热炉上的应用。到2 0 0 2 年，仅北京北岛能源技术有限公司和北京神雾 热能技术有限公司就完成了5 2 座各种不同类型加热炉的蓄热式燃烧技术改造并顺 利投产。除去这两家公司之外，其它诸如北京赛能杰、上海嘉德、北京力通、中 冶赛迪等公司也陆续进军蓄热式燃烧技术领域，高温空气燃烧技术先后在上百座 轧钢加热炉、均热炉、热处理炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉、钢包烘烤器等 窑炉上得到成功应用，取得了显著的经济效益、良好的节能效果以及低污染的环 境效应等多重优越性【3 6 ，3 7 1 。由此可见，尽管我国高温空气燃烧技术的研究起步较 晚，但在各个方面的共同努力下，推广应用的步伐较快，节能效果也十分明显。 1 2 3 蓄热式燃烧技术的研究现状 目前，国际上所丌展的蓄热式燃烧技术研究主要集中在以下方面： 燃烧特性的研究 g u p t aak 等【3 8 】用湍流k s 模型，区域换热方法，单步化学反应模型等进行计 算，发现火焰体积随着预热空气温度的升高和氧浓度的降低而增大。 y u a nj 等 3 9 , 4 0 1 对湍流燃烧采用p d f 模型，辐射采用区域传热模型，烟灰形成 采用二步t e s n e r 模型。计算结果揭示了空气预热温度、氧浓度对燃烧以及n o x 排 放的影响。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 g i r a r d ig 等分别采用标准k s 模型、雷诺应力模型模拟湍流流动，用d o 模型( 离散坐标模型) 模拟辐射，p d f 模型模拟燃烧，研究了不同温度条件下的 高温低氧燃烧特征。计算发现两种湍流模型的结果基本一致。 t a n i g a w at 等【4 2 】实验研究表明：传统燃烧情况下，如果燃烧中的空气温度提 高到一个较高水平，随着燃烧过程的进行，要出现一个最高温度。但如果燃烧中 的空气被不参加燃烧的惰性气体稀释，这个最高温度就会下降。与常规火焰相比， 高温稀释空气燃烧有火焰体积显著增加，远离燃料喷嘴下游部位的稳定燃烧，炉 温分布均匀等特性。 k a w a ik 【1 4 j 和t s a ijs 【4 3 】等对低热值燃料的高温空气燃烧特性做了研究，结果 表明低热值气体在空气温度预热到1 0 0 0 以上时可实现稳定燃烧，且炉内温度场 比较均匀。 y a n gw h 和b l a s i a kw 等【8 ，2 3 , 3 1 , 删对高温空气燃烧技术的研究结果表明：在 一定的预热温度( 8 0 0 以上) 下，随着氧气浓度的降低，火焰峰值温度明显下降， 温度分布更加均匀，平均温度提高，热流密度增强，传热效率大大提高；在低氧 浓度条件下，随着空气预热温度的升高，火焰稳定性增加，峰值温度随之上升， 但上升幅度减小，温度分布更加均匀，反映出高温低氧条件下，空气预热温度对 火焰温度分布特性的影响没有氧气浓度显著。同理，在低氧浓度下，随着燃料初 始温度的升高，火焰峰值温度逐渐增加，但平均温度分布改善明显；氧气浓度大 于1 0 时，对燃烧室内温度分布的影响就不明显。 段峰、邢国正【4 5 】利用数值模拟软件分析了一种新型高热值燃烧器在高温低氧 空气条件下的燃烧情况。同一般天然气燃烧器相比，这种燃烧器既能产生二段燃 烧，又能促进一定量的烟气回流。模拟分析表明：这种高热值燃烧器不仅具有较 高的温度水平，温度场均匀，而且燃烧效率高，n o x 的生成量较低，达到节约燃料 和降低污染的综合效果。 祁海鹰、李宇红等 4 6 】对高温低氧燃烧与常规燃烧的差异的研究表明：前者火 焰形状是不完整的，呈弥漫状，全场温差仅2 0 0 左右；而常规燃烧出现局部炙 热高温点，全场温差接近1 7 0 0 。 蒋绍嚷、彭好义等【4 7 】也对高温低氧燃烧技术的火焰特性进行了实验研究，观 察了丙烷在不同空气预热温度和不同含氧浓度气氛中的火焰特性，发现助燃剂预 热温度及氧气浓度是影响火焰体积的主要因素。对于普通空气而言，只提高预热 温度并不能使火焰体积明显增大，只有在预热温度提高到一定温度以上的同时降 低氧含量，才能得到体积较大的火焰，使得火焰的主体呈浓雾状，其边缘无稳定 的形态，随着预热温度的逐渐提高，能保持稳定燃烧的最低氧浓度值便越小。 蓄热体方面的研究 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 蓄热体是高温空气燃烧技术的关键部件之一，也是技术含量较高和体现工业 制造水平的部件。耐高温性、热效率、温度效率、压力损失、工作寿命、清灰难 易等都是衡量材料性能的重要指标，这些指标对换热器的热效率、使用温度、使 用寿命和维修周期等都有重要的影响。蓄热体应具有蓄热量大、换热速度快、结 构强度好、耐高温高压、抗氧化与腐蚀、阻力损失小、频繁冷热变换时无脆裂、 无脱落和无变形、经济耐用等特点，可选材料主要有陶瓷类( 碳化硅以及其它非 金属耐火材料) ，耐热耐蚀钢类( 不锈钢、耐热刚和耐热铁) 和碳素钢类。常见的 蓄热体形状主要有小球状、大片状、蜂窝状、短圆柱状、短空心圆柱状、算盘珠 状等。 目前世界上较先进的蓄热体是“蜂窝状蓄热体”，由同本工业炉公司n f k 和同 本钢管n k k 联合研制。材料为氧化铝，其换热比表面积高达1 3 4 0m 2 m 3 ，远远超 过了常用的球状蓄热体的比表面积2 4 0m 2 m 3 ，重量则为常规蓄热体的十分之一。 由于高速的蓄热和换热能力，使得相应的切换时间大大缩短，迸一步改善了空气 预热的动态换热特性【4 8 1 。蜂窝通道呈直线且流通面积较大，压力损失低，不易发 生粉尘堵塞，近年来在国内业界已经逐渐成为主流。 李伟等1 4 9 对蓄热体内的传热过程进行了数值模拟，研究了蓄热过程和放热过 程中蓄热体内的温度分布以及烟气和空气的温度和速度变化情况，并进一步研究 了气流速度和材料比热对蓄热体性能的影响。 尚永红等【5 0 】通过建立陶瓷蜂窝蓄热体传热过程数学模型，把数值计算得到的 气体温度与某炼钢厂的蓄热式钢包烘烤器的实测数据作对比，分析了高风温燃烧 系统中陶瓷蜂窝蓄热体和气体间的热量交换，对于由温度分布不均匀，陶瓷蓄热 体膨胀或收缩受限制而产生的热应力进行了计算和分析，得出了蜂窝体的应力分 布情况以及结构参数对蜂窝体横截面上的热应力和传热过程的影响。 王皆滕等【5 1 】采用理论分析和实验相结合的方法，研究了蜂巢蓄热体的传热机 理、换热特性、温度特性、热回收率等性能参数及其随几何尺寸和换向时间的变 化规律，并且通过对实验结果的分析得出了最佳换向时间，总结了流动阻力的计 算公式。 欧俭平等【5 2 】介绍了高温空气燃烧过程中蜂窝蓄热体的工作原理和损毁原因， 并建立了蓄热体三维非稳态传热数学模型。采用代数雷诺应力模型和修正的速度 一压力耦合算法s i m p l e c ，耦合蓄热体内流体的流动和换热过程，用数值计算的 方法研究了蜂窝蓄热体的传热特性和格孔壁面上的应力变化规律。 降低n o x 排放的研究 气体燃料燃烧时主要形成的是热力型n o x 。燃气与氧气燃烧反应的活化能低 于氧原子与n 2 反应的活化能，因此，燃料首先与氧气发生燃烧反应；只有当氧气 7 重庆人学硕士学位论文1 绪论 有剩余时，才能进行氧原子和氮原子的反应，生成n o x 。只要合理控制炉内的氧 浓度分布和最高温度，就可有效的抑制热力型n o x 的生成。 文献 5 3 】研究了燃料与空气射流之间的相对距离对n o x 排放的影响规律，认 为燃料与空气射流之间的相对距离对烟气的回流、卷混和稀释程度有很大的影响， 相对距离越大，稀释程度越大，n o x 排放越少。但随着相对距离的增大，减少的 幅度变小。 w dd 等【5 4 】采用标准k 一模型，混合燃烧模型，z e l d o v i c h 的热力型n o x 生成 机理和d os o e t e 快速型n o x 生成机理，用离散坐标法模拟辐射，采用对数率壁面 函数，对i f r f 提供的实验炉进行研究，发现高温空气燃烧过程主要受空气燃料 已燃烧气体的混合程度的制约。 据g u p t a ak 等【38 】研究，丙烷作燃料且空气预热温度为11 5 0 时，当高温预热 空气的含氧量由2 1 降到2 时n o x 的生成量可由2 8 0 0p p m 减少到4 0p p m ，从而 满足环保的要求。 为抑制热力型n o x 的生成，国内外还专门设计和开发了气体燃料的高温低氧 燃烧喷嘴，其中以日本研制的f d i 燃烧器、德国研制的f l o x 燃烧器和中国神雾 公司研制的自身蓄热式燃烧器为代表。高温低氧燃烧器在保证气体燃料着火稳定 的同时，推迟燃料与空气的混合，加强烟气再循环等，从而炉膛内的温度分布比 较均匀，局部高温区趋于消失，削弱了热力型n o x 的生成。 1 3 蓄热式燃烧技术在环形炉上的应用 尽管蓄热式燃烧技术在多种类型的加热炉上得到了广泛应用，但是在供热负 荷不对称的环形加热炉上的应用还比较少。环形加热炉的主要特点是：三面受热、 加热时间短，温度均匀，坯料间隔布置，可根据要求改变炉内布料，适合于加热 异型钢坯；炉底与坯料间无相对运动，氧化铁皮脱落少，密封性好，有利于实现 机械化和自动化控制。蓄热式燃烧技术在特钢行业和环形炉上要得到应用，也面 临一系列需要解决的特殊问题，这些问题主要表现在【5 孓5 9 】： 特钢行业不可避免的需要加热特殊钢种，这些钢种有的需要保证不脱碳，有 的需要在某一温度范围内缓慢加热，有的对进炉温度有特殊要求。这些条件严重 地限制了蓄热式燃烧技术在特钢行业中的运用，也是目前蓄热式燃烧技术在特钢 行业中发展不快的主要影响因素。 环形炉主要用于钢管和车轮轮箍生产，由于钢管的钢种多，大部分合金钢的 加热工艺对温度的要求比较严格。传统环形炉本身划分有预热段、诸多加热段和 均热段，在这种情况下，要控制各段的加热温度适合特殊钢种的需要比较困难， 而蓄热式燃烧技术由于本身需要将大部分甚至全部炉气吸出，完全进入蓄热体， 8 重庆人学硕士学位论文1 绪论 因此不可能像普通环形炉那样，能够利用高温烟气向烟囱移动时的不断降温过程 形成各段可控而又较为理想的炉温，从而难以得到能适应钢管或轮箍加热工艺的 炉温分布。 由于环形炉本身结构的制约，其内环相对于外环而言，炉表面积小，加上炉 内辐射传热特性所决定，内环的供入热负荷比外环要小。供热负荷的不对称，是 对称性要求相当强的蓄热式燃烧技术很难适应的。因此环形炉本身的结构特点也 使蓄热式燃烧技术难以得到广泛应用。 环形炉由于本身结构所决定，其内环可供使用的空间异常狭小，难以给蓄热 式燃烧所必须安装的蓄热体提供有效的空间。而当蓄热体不能得到相对自由的安 装空间时，蓄热式燃烧技术相应地也就失去了发挥其效益的舞台。 所以对于蓄热式燃烧技术在环形加热炉上的应用，还需要针对环形加热炉的 特点以及以上存在的问题进行研究。 1 4 本课题的研究内容 本课题针对蓄热式燃烧技术在环形加热炉上的应用，采用f l u e n t 软件模拟蓄 热式环形加热炉内的流动、燃烧和n o x 生成及排放特性，根据现有的设计参数， 通过选取适当的流动模型、燃烧模型、辐射换热模型和n o x 生成模型，以及对模 型的修正和优化进行分析，主要研究以下内容： 调整空气和燃料烧嘴的喷射角度、距离、空气和燃料的预热温度、燃烧器 负荷等参数，使燃料在高温低氧条件下燃烧，使得炉膛内的温度分布比较均匀。 优化燃烧器结构及操作参数，使局部高温区得以减少，污染物排放得以降 低，从而实现良好的节能和环保效益。 9 重庆人学硕十学位论文2 蓄热式环形加热炉数学物理方法 2 蓄热式环形加热炉数学物理方法 蓄热式环形加热炉内的燃烧是一种复杂的物理化学现象，表面上为物质剧烈 氧化而发光、发热的现象，本质上则是包含流动、传热、传质和化学反应以及它 们之间相互作用的物理化学过程。 燃烧过程及其控制微分方程的复杂性以及巨大的计算量极大地限制了经典燃 烧理论的解析方法在经典燃烧问题的运用，计算机的出现，促进了燃烧学与数值 方法的结合。近年来，随着计算机硬件的不断升级、燃烧理论的发展以及商用软 件的日益成熟，燃烧计算模型的提出以及不断完善成熟，如传统的扩散燃烧、预 混燃烧、非预混燃烧、层流燃烧和湍流燃烧等都有了相对成熟的模型，这使得对 大规模实际工程进行数值模拟成为现实。数值模拟作为工程上的一种辅助工具， 已经被广泛运用于实际工程领域，运用数值计算方法来研究实际工程问题表现出 了极大的优越性，它具有成本低、时间短、所获得的信息详尽等众多的优越性， 因此发展十分迅速，有巨大的潜力，在世界范围内的学术地位日益重要。 本文采用的数值模拟软件是目前功能全面、适用性广、国内广泛使用的软件 之一的f l u e n t 软件，对蓄热式环形加热炉内的流动、燃烧、污染物排放等问题 进行模拟和分析。 2 1 物理模型 本模拟对象为如图2 1 所示的大型高炉煤气双预热蓄热式环形炉，取其中加热 段上的一段如图2 2 所示，该环形炉的中径为3 6m ，炉子垂直截面尺寸为5 0 0 0 m m x 2 3 0 0m m 。在炉子的外环和内环分别布置有蓄热式燃烧器，高炉煤气和空气分 别通过蓄热式燃烧器的喷口供入。燃烧器的中心高度为距离炉子底部上方1 3 0 0 m r n 。外环燃烧器煤气喷口为方形入口，外环燃烧器空气喷口为圆形入口，空气喷 口均匀布置在与煤气喷口长度方向上平行的两排，靠近煤气喷口一侧的一排空气 喷1 2 采取了有角度的供入，另一排的空气喷口采取与煤气喷1 3 射流方向平行的供 入，其中煤气喷口固定在偏向空气进口1 5 0 方向，靠近煤气喷口一侧的一排空气喷 口固定在偏向煤气进口方向，其具体角度根据工况而定。外环燃烧器空气喷口布 置6 个直径相等的圆形入口，内环燃烧器空气喷口布置8 个与外环燃烧器空气喷 口直径相等的圆形入口，内环燃烧器的煤气喷口截面相对外环燃烧器煤气喷口的 截面要大，长宽比进一步增大，以保证内外环供入的热量相当。外环和内环的燃 烧器为间隔交叉的非对称布置，外侧布置5 个燃烧器，内环布置4 个燃烧器。选 取炉子左侧垂直截面为断面入1 2 ，炉子右侧垂直截面为断面出口。被加热的物料 1 0 重庆大学硕j 蹲位论文2 蓄热式环形加热炉数学物理 让 位于可以转动的底部壁面上。所用的高炉煤气成分为( 体积分数) ：p ( c o ) = 2 64 ； 9 ( h 2 ) = 13 ：p ( c 0 2 ) = 1 5 ：p ( n 2 ) 。5 73 巳： 、 。+ 譬 。擘”8 dd o 麓 预热段 二u - 图21 蓄热式环形加热炉结构示意圈 f i g2 ic o n 艇i l i o n o f r c g c n e r a t i v e a n n u l f 圈2 2 双预热蓄热式环形炉模型图 f i g2 2s i m u l a t i n g m o d e lo f d o u b l e - p r e h e a l i n gr e g e n e r a t i v ea n n u l a r f u m a c e 臣， ：耄 ， 一段触 ， 重庆大学硕十学位论文2 蓄热式环形加热炉数学物理方法 在保证燃烧模拟准确性的前提下，对问题做出了如下几个假设： 不考虑换向所造成的压力、速度场及温度场暂态影响。 炉子断面入1 3 截面接受上游均匀供入的高温气流。 炉底加热物件等温，而其它炉壁为定热流壁面。 2 2 关键问题分析及计算工况的选取 2 2 1 关键问题分析 双预热蓄热式环形炉模型如图2 2 所示。由于环形加热炉的实际尺寸很大，外 环的弧长明显大于内环的弧长，因此，加热段的燃烧器采用了非对称布置，外环 上布置的燃烧器数量比内环上布置的燃烧器数量多。外环燃烧器供热与内环燃烧 器供热时相比，炉内流动与燃烧特性有较大的差异，需要对两种状态下分别进行 研究。 加热炉沿周向分为预热段、第- a n 热段、第二加热段、第三加热段、均热段， 由于物料温度不同，为了确保物料升温过程不对物料的性质产生严重影响，因此 每段加热炉的燃烧器热负荷均应该符合物料升温速度的要求，导致各段燃烧器的 热负荷可能并不完全一致。 加热炉底部的物料温度较低，需要吸收燃料燃烧释放的热量，而其他固体壁 面主要向周围环境传递热量，造成一定的散热损失。 由于炉内空间尺寸远大于燃烧器喷口尺寸，因此对于环形加热炉，除了射流 方向上流体的速度相对较大以外，其余区域地流体速度相对较小，并且会形成尺 寸大小不等的涡流区。 外环燃烧器工作时，内环燃烧器就是烟气出口，此时内环的燃烧器作为出口