两种类型顶燃式热风炉性能实验研究(rr)

1、2010年全国全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会两种类型热风炉流动与混合性能的实验研究陈维汉 崔方辉 王承庆 张正涛（河南豫兴热风炉工程有限公司 郑州 452374）摘要：本文针对两种类型（型和型）顶燃式热风炉的燃烧装置模型，测量其气体流场的速度分布与浓度分布，达到一定程度上了解炉内气体流场的流动与传质性能的目的.基于流体流动、传热与传质理论，分析和比较了各种类型其结构的合理性与性能的优越性，为顶燃式热风炉设计中结构与运行参数的确定提供了可信的依据。关键词：顶燃式热风炉，燃烧装置模型，实验研究，流动与混合特征，结构与性能分析the experimental study of the flow

2、and mixing performance for two types of hot blast stoveChen weiHan Cui fanghui Wang chengqing Zhang zhengtao(Yuxing hot blast Stove engineering Co., Ltd. Henan Zhengzhou 452374)Abstract:In this paper, experimental model have been placed for two types ( and type ) of top burning stove's combustio

3、n device, the velocity of its gas distribution and concentration were measured, the purpose of this is to some extent understand the furnace gas flow and mass transfer characteristics. Based on fluid flow, heat transfer and mass transfer, the rationality of the various structural and performance adv

4、antages were analyzed and compared for various types of burners. and a credible basis was provided for the determination of the structure and operation parameters in the top burning stove design,Keywords：top burning blast stove, burning device model, experimental study, flow and mixing characteristi

5、cs, structure and performance analysis一、 概 述热风炉是高炉炼铁工程的重要辅助设备，是通过以蓄热体为媒介将煤气燃烧释热传给高炉鼓风的集燃烧过程与传热过程于一体的间歇加热与冷却的周期性运行的热工装置，其结构的合理与稳定直接影响其流动、燃烧、及传热过程的性能，也就关乎其自身及高炉的运行质量、利用效率以及使用寿命。因此，从工程角度对热风炉进行热工性能的实验研究应该是一件常规的研究工作。综观热风炉的发展历程，从内燃式热风炉到外燃式热风炉，再到今天普遍采用的顶燃式热风炉，处处可寻热风炉技术创新与改革的踪迹，也展现出热风炉技术在实践中的探索与发展。而今，在进入顶燃式

6、热风炉时代以后，如何在各种纷繁复杂的结构中寻找出真正的结构稳定、配置合理、性能优异的热风炉炉型，应该是热风炉技术创新与应用研究工作所应该做的事情。从热风炉的工作原理上看，它是一个集流体流动过程、燃料燃烧过程、与气流传热过程于一身的热工装置。一个优良的热风炉结构应该能提供一个合适的流体流动与燃烧的环境、和一个适于流体在其中流动传热的环境。由于热风炉是一个燃烧气体燃料的装置，而气体燃料的燃烧过程又主要是受物理过程控制，也就是涉及到气流的流型与相互间的混合以及温度的高低等主要因素。简而言之，不论何种结构的热风炉，其工作过程都是通过在燃烧室中实现煤气与助燃空气的混合与燃烧进而产生炽热的烟气，并在蓄热室

7、中与多孔蓄热体间进行换热而使其温度升高（蓄热），之后通过反向送入冷空气的换热过程来吸收多孔蓄热体的蓄热量，从而达到为高炉提供高温热空气的目的。因此，热风炉的性能主要是由高炉煤气与空气混合的燃烧过程及烟气或空气与蓄热体之间的传热过程来决定。这就表明，热风炉良好的工作状态不仅取决于燃烧室中燃烧过程的稳定性、完全燃烧的程度及整体的燃烧状态，而且与蓄热室中多孔蓄热体的结构与布置状态、空气或烟气在多孔蓄热体中的流动特征与换热性能密切相关。显然，通过实验研究与数值模拟来获得热风炉各个部位的流动、传热与燃烧过程的相关参数的分布特征，并从中归纳出热风炉的优化设计参数应该成为现代热风炉设计与研究的首要工作之一。

8、基于上述分析，这里针对两种类型（型和型）顶燃式热风炉的燃烧装置模型进行其热工性能的对比性实验研究，测量燃烧装置的气流流动与混合特征，达到定性或一定程度定量地掌握炉内气体流场的流动与传质性能的目的，并结合流动、传热与传质的理论分析比较各种结构设计的合理性与性能的优越性，为确定顶燃式热风炉的结构与设计参数提供可信的依据。这里的试验装置模型是以500m3（或2500m3）高炉用热风炉的结构尺寸为原型来制作，其相关尺寸是原型的1/10(或1/15)，主要进行冷态条件下气流的流动与混合性能的实验研究。实验是针对不同结构的燃烧器进行，通过测量其速度分布和浓度分布的特征来分析各自的性能的优劣。实验结果显示，

9、对于型热风炉而言，借助于气流的垂直上喷与交错混合，且利用气流折返的回流流场结构，充分实现了气流的完全且均匀的混合，以及进入蓄热室的均匀的气流分布；这样的流场特征为热风炉实现高强度燃烧和高效率传热提供了充分的条件；而对于型热风炉而言，采用较小入射（旋切）角度的喷嘴，具有流场稳定，回流区小、进入蓄热体前速度分布均匀等突出特征，且由于采用煤气与空气喷嘴的交错喷射，出口射流的混合状况良好；这也是该型热风炉实现高强度燃烧和实现高效率传热的良好结构条件；但是，型热风炉若采用大入射（旋切）角度的喷嘴、或带一定上倾角度的喷嘴，以及分层喷射结构的喷嘴，它们都不能产生进入蓄热体前的均匀的气流流场分布，且分层喷射结

10、构的喷嘴其混合效果也显得比较差。整体而言，型热风炉结构在流场结构、混合特征、以及流场的稳定性上均好于型热风炉结构。下面将给出实验的过程与结果分析二、 实验研究方法2.1实验装置这次实验研究的试验装置是基于冷态模拟实验与热态模拟实验能在同一套装置上完成而设计的。整体装置必须满足测试、观察和分析热风炉性能的要求，从而通过实验与检测达到相应的实验目的。考虑到上述两部分实验内容及它们相互的关系，这套实验装置就必须是一个按比例缩小的热风炉装置，为了便于测试和掉换不同结构的实验段，整个装置应能便于拆卸与重新组装。为此，考虑中的热风炉的实验装置的结构如图1所示，它是完全参照实际的炉型结构按1/10（或1/1

11、5）比例制作，它包含：拱顶燃烧室段、煤气、空气喷嘴段、蓄热室段和冷风室段。整个炉体分为四大段，每段的结构基本固定，相互之间可以自由地拆装。为了便于更换不同结构燃烧器的喷嘴结构，拱顶燃烧室段设计成可方便更换与连接。大体上，拱顶燃烧室段和蓄热室段为流场的测试部分。为了能在热风炉模型装置上完成流场结构与混合性能的实验，拱顶燃烧室和蓄热室的内壁浇注了一层耐火材料，且与金属炉壳间敷设50mm厚的保温层，壁面上钻有若干测试用小孔，便于插入测试探针进行流场测试，同时在相应位置预埋热电偶和开有静压孔。为了便于观察炉内情况在炉壁上开有嵌入石英玻璃的观察孔。测试点的位置如图1所式。这里仅仅利用该实验装置进行冷态流

12、场测试。在进行冷态流场测试中，煤气由冷空气模拟，而高炉助燃空气由热空气模拟。热空气与冷空气分别由两台风量在10002000立方米/小时、风压在1020kP范围的风机供给，风机由变频器进行流量的自动调节。模拟助燃空气的热空气通过管路从运行中的隧道窑冷却空气中抽取，冷、热空气在燃烧室中混合后排入环境中。实验中测量冷、热空气在燃烧器中混合后在燃烧室内的温度分布情况，以模拟两种气体喷射后的混合特征。2.2实验用的几种燃烧器结构燃烧器结构如图2所示，它们分别是环形交错排列垂直上喷燃烧器、喷嘴交错布置的小倾角度带上倾的旋流燃烧器、喷嘴交错布置的小倾角度旋流燃烧器、喷嘴分层布置的大倾角度旋流燃烧器、喷嘴交错

13、布置的大倾角度无旋流燃烧器，这里分别称之为型燃烧器、a型燃烧器、b型燃烧器、c型燃烧器、d型燃烧器。通过五种结构的喷嘴不同的气流流场特征与气流混合特征，进行型热风炉与型热风炉的整体性能评价，并从型结构中确定出最佳的喷嘴类型以及结构改进的方向。测量孔燃烧室预燃室（燃烧器）蓄热室冷风室蓄热体表面喷嘴段测孔测孔测孔测孔测孔测孔测孔图1b型热风炉模型实验装置示意图空气环道煤气环道测孔测孔测孔测孔测孔测孔测孔拱顶燃烧室段蓄热室室段燃烧器与喷嘴热风出口煤气进口空气进口图1a 型热风炉模型实验装置示意图冷风室段图2a a小旋切角斜上喷射燃烧器图2b b小旋切角水平喷射燃烧器图2d d大旋切角水平喷射燃烧器图

14、2c c大旋切角分层喷射燃烧器 2.3实验数据的测量方法在热风炉冷态流场测试中实际测量大体上还是按二维流场的测量方法进行。沿高度方向（轴向）上取横截面，测定径向不同位置点上的切向和轴向速度，并在相互垂直的径向方向上进行测量，从而得到对应截面上的轴向和切向的速度分布。速度测量采用热线风速仪或靠背皮托管来完成。热风炉气体流场的温度分布测量采用热电偶来完成，同样是在每个轴向截面上读取两个径向上多个测点的温度数据，从而得到对应截面上的温度分布。蓄热体中温度变化采用预埋热电偶的办法来获得相关温度分布数据。为了便于准确获得流场参数的分布数据，相关的坐标支架要按照实验装置进行合理设计与制作。实验数据必须采用

15、计算机采集与处理。实验结果应整理成相应的线图、表格或关系式，并给出相关的结论，以便于进行各种燃烧器的结构与性能分析。三、 实验数据处理与分析通过对各种不同结构喷嘴的气流流场特征进行截面分布测试，并将实验结果进行整理而得到如下图表。3.1型热风炉实验模型流动特征的测试结果与分析四种型结构燃烧器的气流流场分布显示在图3系列中。对于a型燃烧器（即喷嘴交错布置倾斜上喷结构）其轴向速度分布和切向速度分布分别为对于b型燃烧器（即喷嘴交错布置小角度水平喷射的结构）其轴向速度为其切向速度分布为比较a、b两种燃烧器结构的流场不难发现，斜上喷的喷嘴增强了流场的旋流强度，以致使对应界面上的旋流速度大为提高，比较图3

16、a-2和图3b-2可见，斜上喷与平喷在每个对应截面上其周向速度几乎增大了一倍；这也就导致在同样的旋切角度下采用斜上喷时的轴向气流速度的分布的不均匀性前者远大于后者，以致进入蓄热室前的速度分布中前者仍然存在反向流速（见图3a-1和图3b-1）。这是因为部分旋转气流顶部折返后因与原来旋转向下的气流的旋转方向一致而加强了整体旋转向下气流的旋流强度。故在燃烧器中采用旋转倾斜上喷射流不是一个明智的选择，这样会使旋流强度的控制变得更加困难。对于c型燃烧器（即喷嘴分层布置大角度水平喷射的结构）其轴向速度分布与其切向速度分布为对于的d型燃烧器（即喷嘴交错布置大角度水平喷射的结构）其轴向速度分布与其切向速度分布

17、为为从c和d两种喷嘴结构的比较来看，由于喷嘴的倾斜角度基本相同，其流场结构没有明显的差异，进入蓄热室前的气流速度分布仍然存在较多的反向回流气流的流动状态，其情形与a型喷嘴结构的测试结果类似；唯有b型喷嘴结构在进入蓄热室前的气流分布中不存在回流流动。测试结果表明，选取合适的喷嘴倾斜角度是可以在用旋流保持整体气流稳定的前提下实现进入蓄热室前的气流流场分布均匀。3.2型热风炉实验模型气体混合特征的测试结果与分析四种型燃烧器结构的反映气流混合情况的相对浓度分布如图4所示。a、b两种结构的相对浓度分布沿截面改变的情况汇集于下表：比较a、b两种喷嘴结构所测试的相对浓度分布可以发现喷嘴交错布置极大地加强了煤

18、气与空气的混合过程，以至于气流到达测试截面时相互间已经能够做到充分混合了。虽然a型燃烧器由于有向上倾角而产生的流场结构比较复杂，但其混合效果并没有明显好于b型燃烧器。似乎b型燃烧器的混合效果还要好一些。c、d两种结构的相对浓度分布随截面的改变情况汇集于下表：比较两种喷嘴结构的相对浓度分布可以发现分层混合（c型）的浓度场的均匀性不如交错混合（d型）的浓度场。而且这里的分层喷射结构还是在煤气与空气喷嘴间的排列距离较为接近的情况下进行的。整体而言，由于a、b与d型喷嘴结构中煤气与助燃空气采用了交错布置的喷嘴，因而两种气流能快速地相互混合，以至于混合气流进入燃烧室锥段时全流场的浓度相对于截面平均浓度值

19、的比值大多在±2%的波动范围内变化，尤其是b型结构截面的相对浓度更在±1%之间波动，反映出气流混合好且气流脉动小，而c型结构因采用分层混合模式，混合效果不是很好，其截面上相对浓度的变化值较大，即使剔除近壁面测点影响其误差也在±2%上下波动；细看强旋流的a、c和d与弱旋流的b在浓度分布上的差异，就会发现沿四周炉墙较大流体流速是不利于煤气与空气的混合，故导致接近壁面附近的相对浓度差值就相对大一些；此外，带有上喷角度的a型结构，由于流场结构复杂，致使截面上的相对浓度值就波动较大，而没有上喷角度的b和d型喷嘴结构，因气流流场较为平稳，其截面相对浓度的波动值就较小；由于不能

20、得到在预燃室中的混合状态的数据，上述判断有待进一步证实。比较四种喷嘴结构可以得出的综合结论是，采用环形交错布置喷嘴的燃烧器结构在气流混合性能上优于分层布置喷嘴的燃烧器；在采用环形交错布置喷嘴的条件下，带上喷角度的喷嘴结构的整体均匀性与混合效果均不如水平喷射的喷嘴。如上所述，基于气体燃料燃烧是受物理过程控制，因而参与燃烧过程的两种气体间能否快速混合而达到恰当的混合浓度值是燃烧是否强度高、燃烧是否完全的重要指标。总之通过对四种不同的喷嘴结构的流场、浓度场的实验测定可以发现，喷嘴的最佳倾斜角度是可以寻找到的，试验中的b型结构就给出了令人满意的结果。由于b型结构采用环形交错布置喷嘴，使两种气流能实现充

21、分而快速地混合、更由于其较小的喷嘴倾斜角度，使得气流旋流强度大为下降，使得其射流形成的弱旋流流动在保持气流稳定的前提下，能使进入蓄热室的气流分布均匀，进而为热风炉高强度燃烧和实现均匀高效的传热与蓄热创造了良好的条件。3.3型热风炉实验模型流动与混合特征的测试结果与分析对于型热风炉的燃烧室实验测试的结果显示在如下图形中。 从图中可见，四周气流是向上流动而中部气流是向下流动的，四周的向上气流从中部折返的过程中，形成环状涡旋流流态，即回流流动；注意向下的气流的分布特征，不难发现其具有管内流动的速度分布剖面的流型；这也是圆筒状蓄热室所要求的流体流动的流型，即在蓄热体截面上具有较为均匀的速度分布，极有利

22、于强化蓄热体中的传热过程和提高蓄热体的利用程度。燃烧室中的这种向上喷射的气流折返而形成回旋流动的流态，有助于煤气与助燃空气混合物的预热、着火与燃烧，且有极强的火焰稳定的功能。图5d型热风炉冷态实验相对浓度分布图(s截面)图中可见，煤气与助燃空气采用交错布置的喷嘴垂直上喷后，能相互快速混合，以至于除喷嘴出口部位外全流场的浓度相对于截面平均浓度值比值均在小于，而出口出的相对浓度值更在1%的波动范围内。这只能反映出交错混合型燃烧器良好的气流混合功能。由于气体燃料燃烧是受物理过程控制，也就是受燃料气体与助燃气体相互混合特性控制，因而参与燃烧过程的两种气体间能否快速混合而达到恰当的混合浓度值是燃烧是否强

23、度高、燃烧是否完全的重要指标。综合分析型热风炉模型实验的结果，可以肯定交错混合型燃烧器配合采取沿周向垂直上喷进入燃烧室的燃烧装置结构，是能实现气体燃料快速高强度稳定燃烧的燃烧装置，也是能实现烟气与蓄热体高效率传热的气流组织装置，将其配置在热风炉上必然使热风炉的成为性能稳定的热风炉、成为高效节能的热风炉、成为高品质且输送高风温的热风炉。四、结 论在完成两种热风炉炉型和五种燃烧器的冷态实验测试之后，通过对不同结构的不同实验结果的分析与比对可以得到一些重要论断。型热风炉由于其环形燃烧器上配置悬链线形燃烧室，其垂直上喷的气流经拱顶折返，使得整个气流流场结构既存在稳定的回流结构又具有进入蓄热室的均匀的气流速度分布，且这样的流场结构是炉型结构自身造成的，而与气流的流速没有关系，明显具有自稳定特征。型热风炉由于其带预燃室燃烧器和