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(1.湖北特種設備檢驗檢測研究院,湖北 武漢 430071; 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210000; 3.華中科技大學,湖北 武漢 430074)
鋼鐵行業(yè)是基礎產(chǎn)業(yè)同時也是高耗能行業(yè),高爐熱風爐是煉鐵生產(chǎn)的重要設備,其提供的高風溫對于提高煉鐵產(chǎn)量和品質具有重要作用,因此國內外對于提高熱風爐風溫進行了廣泛的研究[1-2]。在煉鐵生產(chǎn)工藝過程中大概有四分之一的熱量由熱風爐提供給高爐,高爐產(chǎn)生的高爐煤氣大概有40%被熱風爐消耗,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展對鋼鐵的需求必將越來越大,故提高高爐熱風爐熱效率對于降低企業(yè)成本,提高能源利用率具有重要的意義[3-4]。出爐風溫是評價熱風爐效率的重要指標,目前提高出爐風溫主要有四種手段[5-6]:(1)提高燃料熱值可以提高理論燃燒溫度,因此高熱值的燃料與高爐煤氣混燒方法被用于提高風溫。(2)對燃料與助燃空氣進行預熱可以有效的提高燃燒溫度,有利于提高風溫。(3)改進熱風爐耐火材料結構,根據(jù)不同部位換熱特點,溫度分布設計合理的耐火材料。(4)優(yōu)化燃燒器結構,合理組織燃燒流場,提高燃燒傳熱效率。摻燒高熱值燃料雖然能有效提高出爐風溫,但是由于投入成本高氣源緊張導致很多企業(yè)無法承擔;采用預熱的方法十分消耗動力,對燃燒器的性能要求比較高。因此目前國內外大多采用優(yōu)化燃燒器結構參數(shù),合理組織流場提高燃燒傳熱效率的方式[7]。提高風溫能有效的降低高爐的焦比和燃料比,鋼鐵廠[8-9]通過技術改造采用新型燃燒器,優(yōu)化送風有效的提高了風溫。采用數(shù)值模擬方法[10-11]對熱風爐內的流動傳熱問題進行研究被廣泛的采用,潘亞蕊[12]等采用數(shù)值模擬方法對采用陶瓷燃燒器的頂燃式熱風爐的燃燒過程進行了模擬,模擬了不同陶瓷燃燒器結構下的冷態(tài)流場,結果發(fā)現(xiàn)燃燒器水平夾角為30°時均勻性最好。陶瓷燃燒器在頂燃式熱風爐應用較多,戴方欽[13]等研究了多火孔無焰陶瓷燃燒器在頂燃式熱風爐上的應用,考察了爐內燃燒的溫度分布,流場特性,煙氣成分。燃燒器出口流場分布的均勻性對燃燒影響非常重要。楊陽[14]等對帶單塊阻流板的霍戈文燃燒器的流場特性進行了研究,分析了阻流板位置對速度偏析情況的影響。霍戈文熱風爐是應用較為廣泛的熱風爐,但是目前針對霍戈文熱風爐矩形燃燒器的研究較少,對燃燒器結構特點,燃燒器內部的流動特性不清晰。如何合理的設計燃燒器結構使出口流場達到理想的狀態(tài)是研究的熱點之一。本文針對某鋼廠采用兩塊導流板結構的霍戈文矩形燃燒器進行了研究,考察了導流板開度對流場均勻性的影響。采用試驗和模擬的方法考察了導流板對流場均勻性的影響。試驗與模擬結果顯示中心處流速較小,出口流速呈波浪狀分布,隨著間隙的增大均勻性指數(shù)提高。通過研究找到了模擬工況下的最佳間隙。
實驗模型是按照鋼廠安裝現(xiàn)場管道結構按一定比例縮小搭建,圖1所示為實驗模型裝置流程圖,主要設備包括鼓風機、管道、矩形燃燒器。離心鼓風機的流量為5 000~10 000 m3/h,全壓為1 673~2 554 Pa;通風管道直徑為280 mm,管道有兩個垂直角,從管道入口處到第一個轉角直管段長為1 000 mm,兩個轉角處直管段長度為1 200 mm,第二個轉角處直管段長度為904 mm;燃燒器底部長600 mm,寬150 mm,高551 mm,燃燒器噴口寬90 mm,中間兩塊活動導流板寬度為320 mm,高551 mm。豎直風道總長度1 560 mm。煤氣流量(2 000~3 480 Nm3/h)按140℃的煤氣折算成常溫空氣,實驗模擬流量為:2 884.86~5 019.66 m3/h,為了與實際工況對應本文試驗流量取5 000 m3/h。
試驗實物裝置如圖2所示,鼓風機將空氣送入直管段,通過送風管進入燃燒器,空氣流過燃燒器空間從出口流出。
在燃燒器出口處采用QDF-6型數(shù)字式風速儀測量出口風速。測點布置圖如圖3所示。測點布置根據(jù)網(wǎng)格法選取代表性點進行測量,在燃燒器長度方向上除兩個端點外每隔40 mm布置測點一個,共14個測點;寬度方向布置三排,每隔22.5 mm布置一排總計三排,總共有45個測點。
兩塊導流板的寬度都為320 mm,在槽內可以自由滑動。試驗過程中通過滑動導流板,來調整導流板的間隙尺寸大小,測量不同導流板間隙下出口速度。統(tǒng)計流速均勻性,分析流速分布隨導流板間隙變化的特點,得到最佳導流板間隙。
根據(jù)實驗模型建立對應的物理模型如圖4所示,物理模型的建立與試驗模型一致相同尺寸(如表1)。
表1物理模型主要幾何參數(shù)
燃燒器長/mm燃燒器寬/mm燃燒器高/mm支撐個數(shù)風管直徑/mm600150/901 56015280
燃燒器內的流動過程為湍流流動過程故湍流模型采用標準k-ε模型
(1)
(2)
式中σk、σ——動能方程和擴散方程的湍流Prandtl數(shù);
Sk、S——根據(jù)具體情況下決定的;
Gk、Gb——由層流速度梯度、浮力產(chǎn)生的湍流流體動能;
YM——在湍流的可壓縮流動中,過渡擴散產(chǎn)生的波動。湍流速度ut由下式確定
(3)
式中Cμ——常量;
C,C,Cμ,σk,σ——模型常量,它們的值都是實驗中得到的,它們的值為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3在絕大多數(shù)的實際工程應用中這些常量都是適用的。
模型采用gambit進行建模,網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格,對導流板和雨滴形支撐等曲率變化較大部位加密劃分網(wǎng)格,使得在小部件或是轉彎處的流曲率小于0.97。對物理模型的網(wǎng)格獨立性進行了驗證,總體網(wǎng)格數(shù)為625 294~726 332之間。用模擬方法考察導流板寬度對出口速度場均勻性的影響。
模擬邊界條件:
(1)冷態(tài)管道進口面是空氣流速進口的邊界條件,由于送風管有一段直管段,模擬中假設在入口處空氣流速為分布均勻。
(2)燃燒器出口邊界條件為壓力出口,由于試驗中出風口直接進入大氣,即出風口空氣是自由發(fā)展流動,出口壓力定為大氣壓約等于101 325 Pa。
(3)在流動中與外界沒有任何的傳熱,所以壁面為絕熱條件。
導流板對流動均勻性有著重要影響,不同導流板的間隙對于空氣量的分配,流速的分布都有著重要影響。針對導流板間隙為70 mm,80 mm,90 mm,100 mm,110 mm,120 mm,130 mm,140 mm的工況進行了試驗;同時針對以上工況采用數(shù)值模擬的方法進行了研究;兩種方法得到的結果吻合度很高,模型能準確的模擬實際物理過程。由于試驗現(xiàn)場的局限性無法繼續(xù)增大間隙,采用模擬的方法繼續(xù)增大間隙研究了160 mm,180 mm,200 mm,220 mm工況的流場特性,得到了最佳間隙。
圖5是在流量5 000 m3/s工況下,不同導流板間隙下各測點速度分布圖。橫坐標代表燃燒器出口長度方向,縱坐標代表45個測點的速度。從圖中可以看出,不同工況下(圖5a~f)燃燒器出口靠近中心區(qū)域風速相對于邊緣處風速低。這主要是由于燃燒器中心導流板的存在使得中心處局部阻力增大,邊緣處阻力相對較低,大部分空氣流向間隙處。不同縫隙下(圖5a~f)速度都呈不同程度波浪式分布,這主要是由于雨滴支撐的作用。由于支撐的存在使得流通面積減小,空氣主要從支撐之間通道流過,在支撐位置處速度較低,從支撐表面往流通中心流速逐漸增大,支撐之間速度相對支撐壁面速度大。隨著間隙的增大,速度變化的幅度,波浪程度都有所降低(圖5a、h)。速度變化幅度從32%降到了22%,說明增大間隙有利于速度的均勻性。
針對以上試驗我們進行了對應的模擬研究,建立與試驗尺寸相同的物理模型,模擬了相同的工況。如圖6所示為出口截面處的速度云圖。從圖中可以看出在左右兩邊區(qū)域速度相對中心區(qū)域較高;整個出口截面速度呈現(xiàn)出高速區(qū)與低速區(qū)間接出現(xiàn)的現(xiàn)象,即波浪狀;速度的分布與試驗結果趨勢一致。隨著間隙的增大顏色的區(qū)分度減小(圖6a、g、h),即速度均勻性趨好。均勻性的變化趨勢模擬結果與試驗結果一致。圖7給出了80 mm間隙下出口截面的壓力分布,可以看出與速度分布對于在高速區(qū)域壓力較大,低速區(qū)域壓力較小,正是在這種波浪狀的壓力下才出現(xiàn)波浪狀的速度分布。
以上結果的分析沒有對出口流速均勻性進行量化,為了量化出口速度均勻性特性,采用以下模型對速度進行處理,得到均勻性指數(shù)見式(5)
(3)
(4)
式中Va、Vm——面積加權平均速度和質量加權平均速度;
Ai、A——取第i單元的單元截面和總截面的面積;
n——整個流通截面被劃分的總面數(shù);
ρi——第i個面上的平均密度。
(5)
計算結果如圖8所示,橫坐標是導流板間隙,縱坐標是均勻性指數(shù)值。可以看出在模擬的工況下隨著間隙的增大均勻性指數(shù)逐漸升高,表明均勻性趨好,與出口速度分布的趨勢一致。在間隙為120 mm到140 mm之間均勻性指數(shù)驟然增大。模擬結果與試驗結果最大誤差為1.3%,吻合度高。說明模型的選擇,邊界條件的設定,假設條件的確定可以準確的模擬物理實際過程。在3.4節(jié)中采用相同的模型模擬研究了更大范圍內間隙的影響。
模擬試驗結果都表明隨著間隙的增大出口速度均勻性提高,但是沒有得到間隙繼續(xù)增大情況下均勻性的變化規(guī)律。由于試驗條件所限無法繼續(xù)增加間隙,無法采用試驗方法研究整個間隙對均勻性影響的特性。為了得到間隙對均勻性影響的整體特性,因此采用模擬方法,我們繼續(xù)增加間隙寬度,模擬了間隙為160 mm,180 mm,200 mm,220 mm的工況,得到了最佳間隙。如圖9所示是間隙從70 mm到220 mm均勻性指數(shù)的變化,從圖中可以看出隨著縫隙的增大均勻性指數(shù)也隨著增大;當間隙為180 mm時均勻性出現(xiàn)了最大值0.975;當間隙超過180 mm繼續(xù)增大時均勻性指數(shù)開始降低。故在所模擬工況內得到最佳間隙為180 mm。
針對熱風爐矩形噴口燃燒器的速度均勻性特性進行了研究,采用模擬和試驗方法考察了導流板間隙寬度對出口速度均勻性的影響。主要結論如下:
(1)模擬和試驗結果都表明流速在緊貼壁面處最大,速度呈現(xiàn)波浪形分布。
(2)隨著間隙的增大,空氣流速分布的均勻性會越來越好。
(3)試驗與模擬結果最大誤差為1.3%,吻合度好。模擬模型能準確的體現(xiàn)此物理過程及規(guī)律。
(4)出口流速均勻性在間隙為180 mm的時候最好,均勻性指數(shù)達到了0.975。