钢铁工业加热炉富氧燃烧能效分析及数值模拟

摘要

富氧燃烧技术（Oxygen Enriched Combustion，简称OEC），是指利用O2浓度高于普通空气的富氧空气与燃料进行混合并燃烧，主要有提高燃料燃烧热效率、强化炉内辐射换热、降低排烟热量损失以及减少污染物排放量等优点，是燃烧领域的一种新型节能技术。
　　本文对钢铁加热炉和富氧燃烧技术进行了简单介绍，分析了目前国内外钢铁加热炉富氧燃烧的研究与应用现状，并利用Process Heating Assessment and Survey Tool（PHAST）软件和Fluent软件分别对钢铁加热炉进行富氧燃烧能效分析及数值模拟，主要研究了助燃空气中O2浓度的提高对钢铁加热炉的影响。
　　首先，利用PHAST软件对加拿大Gerdau钢厂加热炉进行富氧燃烧能效分析，比较在不同O2浓度（21％、27%和100%）下加热炉内热量损失、能耗量及热效率等，并利用公式计算采用富氧燃烧后加热炉CO2减排量、富氧燃烧改造成本以及经济效益等。结果表明，采用富氧燃烧后，加热炉能耗量和总热量损失有所降低，而节能率及热效率随助燃空气中O2浓度的增加逐渐提高；加热炉CO2排放量随助燃空气中O2浓度的增加而逐渐降低，钢铁产量及经济效益随之逐渐提高。
　　其次，利用Fluent软件对日本钢管公司某蓄热式钢坯加热实验炉进行富氧燃烧数值模拟，分析助燃空气中O2浓度的提高对加热炉内速度分布、温度分布以及浓度分布等的影响，并将数值模拟结果与原加热炉实验数据进行对比。结果表明，采用富氧燃烧后，在燃烧器空气喷口截面积不变的情况下，炉内富氧空气射流入口速度明显降低；助燃空气中O2浓度提高后，炉内火焰最高温度及平均温度有所升高，烟气中N2的质量分数随之逐渐降低，而CO2和H2O的质量分数均随之逐渐提高。数值模拟结果与实验数据的相对误差均低于5%，这说明数值计算结果基本上与实验数据相吻合，从而验证了数值模拟的准确性和可行性。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 钢铁加热炉简介

1.3 富氧燃烧技术简介

1.4 本文主要研究内容

第2章 钢铁加热炉富氧燃烧能效分析

2.1 PHAST软件简介

2.2 钢铁加热炉概况

2.3 富氧燃烧能效分析

2.4 本章小结

第3章 钢铁加热炉空气燃烧数值模拟

3.1 数值模拟技术简介

3.2 钢铁加热炉概况

3.3 计算区域的网格划分

3.4 数学模型及边界条件的设定

3.5 数值模拟结果及分析

3.6 数值模拟结果与实验数据的对比

3.7 本章小结

第4章 钢铁加热炉富氧燃烧数值模拟

4.1 概述

4.2 数值模拟设置

4.3 数值模拟结果及分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 研究成果

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢