高温空气燃烧技术在冶金热工设备上的应用及数值仿真和优化研究

摘要

高温空气燃烧是燃烧学和热工领域的一项重要技术革新，研究高温空气燃烧过程及其在冶金工业炉窑中的热工特性，对于进一步发展高温空气燃烧技术的理论和应用具有重要意义。 本文对高温空气燃烧技术的发展、计算流体力学的理论和燃烧过程数值模拟方法的研究和应用状态进行分析，针对高温空气燃烧的基本特征，采用工业应用现场研究和CFD数值模拟相结合的方法，研究了高温空气燃烧过程特点及其在钢包烘烤和轧钢加热炉中的流体流动、燃烧、传热等全过程。主要研究内容和特点包括： (1)详细地阐述了高温空气燃烧技术的基本原理、主要特点、研发现状及存在的问题；研究了高温低氧空气的获得方法、燃料在高温低氧条件下的燃烧特征及其高效加热性能。 (2)系统地归纳了钢包的工作条件及其烘烤技术的发展，分别以采用空气-煤气双预热和采用空气单预热的HTAC钢包烘烤器为对象，对高温空气燃烧技术在钢包烘烤中的应用进行了较全面的现场研究，开发了一套安全、可行的钢包烘烤现场研究方法，并在生产现场成功实施。 (3)基于商业软件CFX4.3，建立了具有多入口、多出口的三维非稳态高温空气燃烧过程的数值仿真系统，通过数值模拟对两种不同类型HTAC钢包烘烤器的加热均匀性及钢包内高温低氧燃烧特性进行分析，研究了预热温度、气体流量等操作参数对炉内燃烧状况的影响，并用试验结果对数值模拟研究进行验证，分析了误差产生的原因。 (4)通过对唐钢160吨钢包蓄热式烘烤器的数值优化研究，获得了空气与燃气喷嘴的间距以及射流入口与烟气出口的相对位置对进口、出口同侧布置的钢包烘烤型燃烧室内气体温度场、氧气浓度场以及NOx排放量的影响。 (5)对高温空气换向燃烧的非稳态过程进行数值研究，获得了反映换向过程燃烧特征的大量可视化信息，丰富了对高温空气燃烧过程的认识，对简化高温空气换向燃烧的数值模拟提供了参考。 (6)对同一HTAC装置的燃料适应性进行数值模拟实验研究，分析了几种不同的燃料组分和热值对钢包内温度场和NOx排放的影响。具有不同成分和热值的燃料在高温空气中燃烧的火焰峰值温度、火焰长度和形状各不相同，随着煤气热值的增加，火焰温度升高、火焰体积变大；随着煤气中CH4、H2含量和热值的升高，单位时间内燃料燃烧所产生的NOx量增加。 (7)对轧钢加热炉数值模拟的研究现状和加热炉内HTAC过程与钢坯加热过程进行了详细研究，基于商业软件CFX4.3和部分单元过程的自编程序，建立了一套适合推钢式连续加热炉内HTAC过程的三维CFD仿真系统。利用该系统对加热炉内多烧嘴喷射射流的卷吸、燃烧现象以及钢坯在炉内的加热过程进行模拟分析，并与生产记录数据进行对比，证明了模型的适用性；在此基础上，对不同工况条件下炉内HTAC过程进行数值实验研究，分析燃烧组合方式对炉内流场、温度场和浓度场以及钢坯加热效果的影响，为HTAC加热炉工业现场组织生产提供依据。数值模拟研究的结果可以作为HTAC加热炉设计、开发的参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1我国钢铁工业的发展、能源消耗及环保工作现状

1.2高温空气燃烧技术的发展和在钢铁工业中的应用

1.3高温空气燃烧技术在我国开发和应用的前景

1.4高温空气燃烧技术的研究现状和存在的问题

1.5本研究工作的主要任务、内容和意义

第二章燃料在高温低氧条件下的燃烧

2.1高温空气燃烧技术概述

2.1.1基本原理

2.1.2高温空气燃烧主要设备及系统的工作原理

2.2高温低氧空气的获得

2.3高温低氧气氛下燃料的燃烧

2.3.1燃烧火焰的结构和特征

2.3.2燃烧温度

2.3.3 NOx的生成

2.4 HTAC的高效加热特征

2.4.1 HTAC技术强化炉内对流换热

2.4.2 HTAC技术强化炉内辐射换热

第三章燃烧过程的数值分析方法

3.1计算流体力学的发展

3.2数值模拟技术在燃烧过程研究中的作用

3.3燃烧过程的数值分析基础

3.3.1湍流流动的特点

3.3.2湍流流动模型

3.3.3湍流气相燃烧模型

3.3.4辐射换热模型

3.3.5 NOx生成模型

3.4高温空气燃烧过程数值计算中数学模型的确定

3.5数学模型的计算方法

3.6小结

第四章钢包烘烤中HTAC技术的应用和现场研究

4.1钢包的作用和烘烤要求

4.2原有钢包烘烤方法、效果及存在的问题

4.3唐钢160吨钢包烘烤中HTAC的应用

4.3.1钢包烘烤的HTAC设备

4.3.2蓄热式钢包烘烤装置的生产应用效果

4.3.3现场测试条件及结果

4.4涟钢100吨钢包烘烤中HTAC的应用

4.4.1烘烤设备

4.4.2应用效果

4.4.3现场测试

4.5小结

第五章唐钢160吨钢包烘烤HTAC过程的数值模拟

5.1引言

5.2解析区域及网格划分

5.2.1解析区域

5.2.2网格划分

5.3数值计算模型和方法

5.3.1数学模型

5.3.2求解方法

5.3.3边界条件和初始条件

5.4计算结果和分析

5.4.1包衬温度的计算结果

5.4.2钢包内的流体流动特征

5.4.3高温低氧特性

5.4.4钢包内CO的浓度分布

5.4.5污染物NOx的排放特征

5.5数值模拟结果的验证及误差分析

5.5.1结果验证

5.5.2误差原因分析

5.6小结

第六章唐钢160吨钢包烘烤优化研究

6.1引言

6.2计算工况

6.3网格划分

6.4结果与分析

6.4.1 l/D对燃烧效果的影响

6.4.2 w/D对燃烧效果的影响

6.5换向过程中的流动和燃烧现象

6.5.1换向过程中的流体流动

6.5.2换向过程中的燃烧

6.6小结

第七章涟钢钢包烘烤HTAC过程的数值模拟

7.1解析区域

7.2网格划分

7.3数值计算模型和方法

7.3.1计算条件

7.3.2基本计算工况

7.4结果及分析

7.4.1包衬温度的计算结果

7.4.2钢包内的流体流动特征

7.4.3包内温度分布

7.4.4包内氧浓度分布

7.4.5 NOx排放与分布特征

7.5计算结果的验证

7.6燃料组分和热值对钢包烘烤中HTAC过程影响的数值分析

7.6.1计算工况

7.6.2计算结果及分析

7.7小结

第八章HTAC加热炉内流体流动、燃烧与传热的数值模拟

8.1轧钢加热炉概述

8.1.1连续加热炉简介

8.1.2连续加热炉的炉型演变及发展

8.2蓄热式加热炉简介

8.3蓄热加热炉三维仿真研究

8.3.1加热炉仿真研究概述

8.3.2研究对象及模型的简化

8.3.3对钢坯动态加热过程的处理

8.3.4网格划分

8.3.5基本方法

8.3.6边界条件和计算工况

8.3.7计算结果与分析

8.3.7计算结果与分析8.3.7.1加热炉内流场特征

8.3.7计算结果与分析8.3.7.2加热炉内温度分布特征

8.3.7计算结果与分析8.3.7.3加热炉内气体浓度分布特征

8.3.8仿真结果的现场验证

8.4新钢HTAC加热炉出现烧嘴故障时钢坯加热能力的预测

8.4.1加热一段烧嘴故障时炉内温度分布

8.4.2加热二段烧嘴故障时炉内温度分布

8.4.3均热段烧嘴故障时炉内温度分布

8.5不同换向组织方式对钢坯加热能力影响的仿真实验

8.5.1全同侧换向控制时的仿真结果与分析

8.5.2交叉换向控制时的仿真结果与分析

8.6小结

第九章结论与建议

参考文献

攻读博士学位期间参加科研及发表论文情况

致谢