蓄热式热风炉流动传热与燃烧性能的数值模拟与实验研究

摘要

蓄热式热风炉作为现代高炉炼铁重要的配套设备，其性能主要由高炉煤气燃烧以及烟气（或空气）与蓄热体之间的换热两个重要过程的效率所决定。本课题先对热风炉蓄热室内的流动与传热过程进行了数值模拟，然后对矩形燃烧器的喷口冷态流场进行实验测定，并且得到了相关的技术参数。 根据热风炉的实际运行状况对蓄热式热风炉内的流动换热过程进行了合理的简化，并基于热传导方程、气体流动方程和气体的热平衡方程，建立了蓄热体的非稳态传热模型，在对模型利用有限差分法和有限容积法得到离散方程的基础上，采用C语言编制了模拟计算程序。利用该程序对蓄热体内的导热以及蓄热体与气体间的换热情况进行耦合求解，得到蓄热式热风炉在开炉加热、换炉以及冷风三种工况下的气体温度与蓄热体温度随时间和空间的变化规律，同时得到蓄热体内部温度在径向和高度方向上的分布及其相关的运行参数。这对热风炉的优化设计与运行具有理论指导意义，对热风炉工艺操作参数的选择也具有实际的参考价值。 为了提高热风炉燃烧性能，对燃烧室的燃烧器喷口流场进行了冷态实验测定，分别测量多种工况下的测试区的速度场和浓度场。从实验结果可以看出，燃烧器出口处的燃气与空气的流动特性及其混和特性与空气喷口的结构、倾斜角以及煤气与空气的相对流速的大小密切相关，采用大速比和小倾角应该是加强射流刚度和提高混合效果的重要途径。这为优化燃烧器的设计与工艺操作提供了有指导意义的实验数据。