顶燃蓄热式热风炉传热及流动过程的模拟研究

摘要

热风炉是高炉炼铁生产中的重要组成部分，主要功用就是为高炉提供高温且持续的热风，高风温是高炉炼铁中提高生铁的产量和质量、降低生产成本及能耗的有效措施之一，所以热风的温度及持续时间是评判热风炉工作性能的重要标准。而热风的温度及持续时间是由热风炉燃烧加热情况和送风换热情况决定，因此掌握热风炉内烟气和空气的流动及传热规律，尤其是烟气对蓄热体的加热过程、蓄热体对冷风的加热过程对于如何获取高风温及延长持续时间至关重要。
　　为了掌握热风炉内烟气和空气的流动及传热规律，本文分别建立了顶燃蓄热式热风炉燃烧期和送风期三维流动及传热数学模型，而且本文引用多孔介质模型作为蓄热体部分进行通体模拟，同时根据相似原理建立1∶12的冷态模型对所建数学模型的准确性进行检验。根据数值模拟的结果对分析制约目前所用热风炉的效率的因素，提出改进方法，同时采用本数学模型对改进后的热风炉内流动和传热过程进行分析对比，研究传统型热风炉和改进型热风炉的性能优劣。
　　热风炉工作过程可以分为燃烧期和送风期两个阶段，在燃烧期:高炉煤气和助燃空气混合，以旋流状态喷入燃烧室的燃烧空间充分燃烧后，流入蓄热体，加热蓄热体，最后由烟道流出，通过模拟结果显示整个热风炉最高温度可达1650K，燃烧室平均温度为1500K。在加热冷风阶段，冷风通过高温的格子砖进行换热，出口热风温度维持在1000℃以上的时间为9550s。同时发现燃烧室内部的涡流中心明显偏离几何中心，分析其原因是高炉煤气和助燃空气进入到燃烧器内部时，各个喷嘴的流速及进出口压差分布不均匀所致。冷态模型实验得到类似规律，模型炉内气流由上向下旋转运动，并且由上而下的旋转强度逐渐减弱。在不同流量的工况下，均可发现处在中心位置的飘带有所摆动，说明涡流中心稍有偏离。
　　针对各个喷嘴速度和压力分布不均匀的现象，提出以下几种优化方案:三向进气型、旋向进气型和三向旋转进气型。经过模拟发现，三向进气型热风炉内部形成的涡流处于几何的中心，蓄热体的加热情况较好，整个热风炉最高温度可达1690K，燃烧室内平均温度为1550K;出口热风温度维持在1000℃以上的时间为10450s。旋向进气型热风炉内部虽然流速有所提升，但涡流中心偏离几何中心，出口热风温度维持在1000℃以上的时间为9700s。三向旋转进气型热风炉内部的流速提升，但分布不均匀;涡流中心偏离几何中心，出口热风温度维持在1000℃以上的时间为9050s。综上所述，三向进气改进型顶燃蓄热式热风炉的工作效果较好。
　　同时本文还对传统顶燃蓄热式热风炉的不同喷嘴人流角度进行了模拟研究。对比三种喷嘴不同角度的模型可知，入流角度对热风炉的工作过程没有较大的影响，虽然高温区分布不同，但内部涡流相似，出口热风持续时间相差很小。
　　由此可见，通过FLUENT软件对顶燃蓄热式热风炉进行模拟的结果可以掌握热风炉内部的流动和传热的规律，而且使用多孔介质模型来进行通体模拟的结果可以为热风炉的设计提供切实可靠的依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 热风炉的分类及现状

1．2．1 热风炉的分类

1．2．2 热风炉的现状

1．3 热风炉数值模拟发展及现状

1．4 课题的研究目的及内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第2章 热风炉数值模拟理论

2．1 基本方程

2．2 湍流流动模型理论

2．3 辐射模型理论

2．4 多孔介质模型理论

2．5 燃烧模型理论

第3章 顶燃式热风炉燃烧期模拟结果分析

3．1 传统炉型

3．1．1 几何模型的建立

3．1．2 网格划分

3．1．3 边界条件

3．1．4 fluent求解

3．1．5 模拟结果分析

3．1．6 提出改进

3．2 改进型一：三向进气型

3．2．1 结构与网格

3．2．2 模拟结果分析

3．3 改进型二：旋向进气型

3．3．1 结构与网格

3．3．2 模拟结果分析

3．4 改进型三：三向旋转进气型

3．4．1 结构与网格

3．4．2 模拟结果分析

3．5 改进型四：不同喷嘴角度

3．5．1 速度矢量图对比

3．5．2 主截面温度分布图对比

第4章 顶燃式热风炉送风期模拟结果分析

4．1 传统炉型

4．1．1 速度矢量图

4．1．2 出口风温随时间变化规律

4．2 改进型一：三向进气型

4．2．1 速度矢量图

4．2．2 出口风温随时间变化规律

4．3 改进型二：旋向进气型

4．3．1 速度矢量图

4．3．2 出口风温随时间变化规律

4．4 改进型三：三向旋转进气型

4．4．1 速度矢量图

4．4．2 出口风温随时间变化规律

4．5 改进型四：不同喷嘴角度

4．5．1 速度矢量图对比

4．5．2 出口风温随时间变化规律对比

4．5．3 三个喷嘴角度的出口风温随时间变化规律

第5章 冷态模型实验

5．1 冷态模型建立

5．1．1 实验模型的设计原则

5．1．2 模型实验的相似条件

5．1．3 模型材料的选择与定性差数

5．2 冷态模型实验

5．2．1 实验模型

5．2．2 实验装置

5．2．3 供风系统

5．2．4 实验设备

5．2．5 实验方法

5．3 冷态模型结果分析

5．3．1 进行实验模型的前提条件

5．3．2 实验结果

第6章 结论

专题1 不同挡板角度对炉箅子的影响

1、热风炉底部炉箅子的几何模型及网格

2、不同挡板的几何模型

3、不同挡板角度对结果的影响

4、结论

专题2 不同类型的格子砖的蓄热性能对比

1、不同类型格子砖的几何模型和网格

2、不同类型格子砖在加热期的性能对比

3、不同类型格子砖在冷风期的性能对比

4、结论

参考文献

致谢