導(dǎo)流板對(duì)霍戈文矩形燃燒器流場(chǎng)均勻性影響的試驗(yàn)和模擬研究

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(1.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,湖北 武漢 430071; 2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210000; 3.華中科技大學(xué),湖北 武漢 430074)

0 前言

鋼鐵行業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)同時(shí)也是高耗能行業(yè)，高爐熱風(fēng)爐是煉鐵生產(chǎn)的重要設(shè)備，其提供的高風(fēng)溫對(duì)于提高煉鐵產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)于提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫進(jìn)行了廣泛的研究[1-2]。在煉鐵生產(chǎn)工藝過(guò)程中大概有四分之一的熱量由熱風(fēng)爐提供給高爐，高爐產(chǎn)生的高爐煤氣大概有40%被熱風(fēng)爐消耗，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)鋼鐵的需求必將越來(lái)越大，故提高高爐熱風(fēng)爐熱效率對(duì)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(fēng)溫是評(píng)價(jià)熱風(fēng)爐效率的重要指標(biāo)，目前提高出爐風(fēng)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(fēng)溫。(2)對(duì)燃料與助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱可以有效的提高燃燒溫度，有利于提高風(fēng)溫。(3)改進(jìn)熱風(fēng)爐耐火材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同部位換熱特點(diǎn)，溫度分布設(shè)計(jì)合理的耐火材料。(4)優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，合理組織燃燒流場(chǎng)，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(fēng)溫，但是由于投入成本高氣源緊張導(dǎo)致很多企業(yè)無(wú)法承擔(dān)；采用預(yù)熱的方法十分消耗動(dòng)力，對(duì)燃燒器的性能要求比較高。因此目前國(guó)內(nèi)外大多采用優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理組織流場(chǎng)提高燃燒傳熱效率的方式[7]。提高風(fēng)溫能有效的降低高爐的焦比和燃料比，鋼鐵廠[8-9]通過(guò)技術(shù)改造采用新型燃燒器，優(yōu)化送風(fēng)有效的提高了風(fēng)溫。采用數(shù)值模擬方法[10-11]對(duì)熱風(fēng)爐內(nèi)的流動(dòng)傳熱問(wèn)題進(jìn)行研究被廣泛的采用,潘亞蕊[12]等采用數(shù)值模擬方法對(duì)采用陶瓷燃燒器的頂燃式熱風(fēng)爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬，模擬了不同陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)下的冷態(tài)流場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃燒器水平夾角為30°時(shí)均勻性最好。陶瓷燃燒器在頂燃式熱風(fēng)爐應(yīng)用較多，戴方欽[13]等研究了多火孔無(wú)焰陶瓷燃燒器在頂燃式熱風(fēng)爐上的應(yīng)用，考察了爐內(nèi)燃燒的溫度分布，流場(chǎng)特性，煙氣成分。燃燒器出口流場(chǎng)分布的均勻性對(duì)燃燒影響非常重要。楊陽(yáng)[14]等對(duì)帶單塊阻流板的霍戈文燃燒器的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，分析了阻流板位置對(duì)速度偏析情況的影響?；舾晡臒犸L(fēng)爐是應(yīng)用較為廣泛的熱風(fēng)爐，但是目前針對(duì)霍戈文熱風(fēng)爐矩形燃燒器的研究較少，對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，燃燒器內(nèi)部的流動(dòng)特性不清晰。如何合理的設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)使出口流場(chǎng)達(dá)到理想的狀態(tài)是研究的熱點(diǎn)之一。本文針對(duì)某鋼廠采用兩塊導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的霍戈文矩形燃燒器進(jìn)行了研究，考察了導(dǎo)流板開(kāi)度對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響。采用試驗(yàn)和模擬的方法考察了導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響。試驗(yàn)與模擬結(jié)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(guò)研究找到了模擬工況下的最佳間隙。

1 實(shí)驗(yàn)裝置模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前凑珍搹S安裝現(xiàn)場(chǎng)管道結(jié)構(gòu)按一定比例縮小搭建，圖1所示為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置流程圖，主要設(shè)備包括鼓風(fēng)機(jī)、管道、矩形燃燒器。離心鼓風(fēng)機(jī)的流量為5 000～10 000 m3/h，全壓為1 673～2 554 Pa；通風(fēng)管道直徑為280 mm，管道有兩個(gè)垂直角，從管道入口處到第一個(gè)轉(zhuǎn)角直管段長(zhǎng)為1 000 mm，兩個(gè)轉(zhuǎn)角處直管段長(zhǎng)度為1 200 mm，第二個(gè)轉(zhuǎn)角處直管段長(zhǎng)度為904 mm；燃燒器底部長(zhǎng)600 mm，寬150 mm，高551 mm，燃燒器噴口寬90 mm,中間兩塊活動(dòng)導(dǎo)流板寬度為320 mm，高551 mm。豎直風(fēng)道總長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)?zāi)M流量為：2 884.86～5 019.66 m3/h，為了與實(shí)際工況對(duì)應(yīng)本文試驗(yàn)流量取5 000 m3/h。

試驗(yàn)實(shí)物裝置如圖2所示，鼓風(fēng)機(jī)將空氣送入直管段，通過(guò)送風(fēng)管進(jìn)入燃燒器，空氣流過(guò)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(fēng)速儀測(cè)量出口風(fēng)速。測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)網(wǎng)格法選取代表性點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在燃燒器長(zhǎng)度方向上除兩個(gè)端點(diǎn)外每隔40 mm布置測(cè)點(diǎn)一個(gè)，共14個(gè)測(cè)點(diǎn)；寬度方向布置三排，每隔22.5 mm布置一排總計(jì)三排，總共有45個(gè)測(cè)點(diǎn)。

兩塊導(dǎo)流板的寬度都為320 mm，在槽內(nèi)可以自由滑動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)流板，來(lái)調(diào)整導(dǎo)流板的間隙尺寸大小，測(cè)量不同導(dǎo)流板間隙下出口速度。統(tǒng)計(jì)流速均勻性，分析流速分布隨導(dǎo)流板間隙變化的特點(diǎn)，得到最佳導(dǎo)流板間隙。

2 物理模型的建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?duì)應(yīng)的物理模型如圖4所示，物理模型的建立與試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢孪嗤叽?如表1)。

表1物理模型主要幾何參數(shù)

燃燒器長(zhǎng)/mm燃燒器寬/mm燃燒器高/mm支撐個(gè)數(shù)風(fēng)管直徑/mm600150/901 56015280

燃燒器內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程為湍流流動(dòng)過(guò)程故湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

(1)

(2)

式中σk、σ——?jiǎng)幽芊匠毯蛿U(kuò)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(dòng)能；

YM——在湍流的可壓縮流動(dòng)中，過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)。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(shí)驗(yàn)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(shí)際工程應(yīng)用中這些常量都是適用的。

模型采用gambit進(jìn)行建模，網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，對(duì)導(dǎo)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(zhuǎn)彎處的流曲率小于0.97。對(duì)物理模型的網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了驗(yàn)證，總體網(wǎng)格數(shù)為625 294～726 332之間。用模擬方法考察導(dǎo)流板寬度對(duì)出口速度場(chǎng)均勻性的影響。

模擬邊界條件：

(1)冷態(tài)管道進(jìn)口面是空氣流速進(jìn)口的邊界條件，由于送風(fēng)管有一段直管段，模擬中假設(shè)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(yàn)中出風(fēng)口直接進(jìn)入大氣，即出風(fēng)口空氣是自由發(fā)展流動(dòng)，出口壓力定為大氣壓約等于101 325 Pa。

(3)在流動(dòng)中與外界沒(méi)有任何的傳熱，所以壁面為絕熱條件。

3 結(jié)果分析

導(dǎo)流板對(duì)流動(dòng)均勻性有著重要影響，不同導(dǎo)流板的間隙對(duì)于空氣量的分配，流速的分布都有著重要影響。針對(duì)導(dǎo)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(jìn)行了試驗(yàn)；同時(shí)針對(duì)以上工況采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了研究；兩種方法得到的結(jié)果吻合度很高，模型能準(zhǔn)確的模擬實(shí)際物理過(guò)程。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的局限性無(wú)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(chǎng)特性，得到了最佳間隙。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖5是在流量5 000 m3/s工況下，不同導(dǎo)流板間隙下各測(cè)點(diǎn)速度分布圖。橫坐標(biāo)代表燃燒器出口長(zhǎng)度方向，縱坐標(biāo)代表45個(gè)測(cè)點(diǎn)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(fēng)速相對(duì)于邊緣處風(fēng)速低。這主要是由于燃燒器中心導(dǎo)流板的存在使得中心處局部阻力增大，邊緣處阻力相對(duì)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(guò)，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(duì)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(shuō)明增大間隙有利于速度的均勻性。

3.2 模擬結(jié)果

針對(duì)以上試驗(yàn)我們進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的模擬研究，建立與試驗(yàn)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(duì)中心區(qū)域較高；整個(gè)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(yàn)結(jié)果趨勢(shì)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(shì)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(duì)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。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果均勻性對(duì)比

以上結(jié)果的分析沒(méi)有對(duì)出口流速均勻性進(jìn)行量化，為了量化出口速度均勻性特性，采用以下模型對(duì)速度進(jìn)行處理，得到均勻性指數(shù)見(jiàn)式(5)

(3)

(4)

式中Va、Vm——面積加權(quán)平均速度和質(zhì)量加權(quán)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(gè)流通截面被劃分的總面數(shù)；

ρi——第i個(gè)面上的平均密度。

(5)

計(jì)算結(jié)果如圖8所示，橫坐標(biāo)是導(dǎo)流板間隙，縱坐標(biāo)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(shì)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(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為1.3%，吻合度高。說(shuō)明模型的選擇，邊界條件的設(shè)定，假設(shè)條件的確定可以準(zhǔn)確的模擬物理實(shí)際過(guò)程。在3.4節(jié)中采用相同的模型模擬研究了更大范圍內(nèi)間隙的影響。

3.4 最優(yōu)間隙模擬

模擬試驗(yàn)結(jié)果都表明隨著間隙的增大出口速度均勻性提高，但是沒(méi)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(yàn)條件所限無(wú)法繼續(xù)增加間隙，無(wú)法采用試驗(yàn)方法研究整個(gè)間隙對(duì)均勻性影響的特性。為了得到間隙對(duì)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(dāng)間隙為180 mm時(shí)均勻性出現(xiàn)了最大值0.975；當(dāng)間隙超過(guò)180 mm繼續(xù)增大時(shí)均勻性指數(shù)開(kāi)始降低。故在所模擬工況內(nèi)得到最佳間隙為180 mm。

4 結(jié)論

針對(duì)熱風(fēng)爐矩形噴口燃燒器的速度均勻性特性進(jìn)行了研究，采用模擬和試驗(yàn)方法考察了導(dǎo)流板間隙寬度對(duì)出口速度均勻性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)模擬和試驗(yàn)結(jié)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(huì)越來(lái)越好。

(3)試驗(yàn)與模擬結(jié)果最大誤差為1.3%，吻合度好。模擬模型能準(zhǔn)確的體現(xiàn)此物理過(guò)程及規(guī)律。

(4)出口流速均勻性在間隙為180 mm的時(shí)候最好，均勻性指數(shù)達(dá)到了0.975。