頂燃式熱風爐的數(shù)值模擬研究

黃碧輝, 呂遐平

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海201999）

0 引 言

頂燃式熱風爐的工作原理是：把熱風爐的燃燒器放置在熱風爐的頂部[1]，預熱后的助燃空氣、高爐煤氣分別通過助燃空氣通道、高爐煤氣通道送入設置在熱風爐頂部的陶瓷燃燒器，然后在熱風爐預燃室、拱頂充分燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣由上往下通過格子磚，從位于熱風爐底部的2個煙氣支管排入煙氣總管，經(jīng)過煙氣余熱回收裝置之后由煙囪排放至大氣。當高溫煙氣通過格子磚時，格子磚不斷與高溫煙氣發(fā)生熱交換，吸收煙氣的熱量并得到充分加熱，直至拱頂溫度、蓄熱室底部煙氣溫度都達到設定值之后轉(zhuǎn)入送風周期或者悶爐。通過閥門切換，熱風爐由燃燒或者悶爐轉(zhuǎn)入送風周期，來自高爐鼓風機的冷風從蓄熱室底部的煙氣出口進入熱風爐，由下往上通過格子磚，冷風與格子磚之間不斷發(fā)生熱交換，吸收格子磚的熱量變成熱風，最后由熱風出口送出熱風爐，直至熱風出口溫度達到設定值之后再轉(zhuǎn)入燃燒周期或者悶爐[2]。

文中采用通用流體數(shù)值模擬軟件，對頂燃式熱風爐內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬研究，建立頂燃式熱風爐數(shù)字化模型，模擬爐內(nèi)煤氣與助燃空氣燃燒時的溫度分布，煙氣速度分布，燃燒時煙氣出口風溫隨時間的變化過程，送風時送風出口風溫隨時間的變化過程。

1 計算模型

1.1 幾何模型

幾何模型總體由陶瓷燃燒器、燃燒室、蓄熱室組成。模型如圖1、圖2所示。

燃燒器由上下兩個環(huán)形通道組成，上部通道為煤氣通道，下部通道為助燃空氣通道。在燃燒期，有煤氣入口和助燃空氣入口兩個入口，一個出口為底部的煙氣出口；在送風期，有一個入口為底部的冷風入口，一個出口為上部的熱風出口。

1.2 數(shù)值模型

流體流動所遵循的物理定律，是建立流體運動基本方程組的依據(jù)，這些定律包括質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、動量守恒方程（運動方程）、能量守恒方程、組分平衡方程、氣體的狀態(tài)方程等[3]。

使用非穩(wěn)態(tài)方法進行本次流場計算，湍流模型選擇k-ε模型[4]，燃燒模型選擇組分運輸有限速率渦耗散模型，在燃燒過程中，需要考慮熱風爐內(nèi)的輻射換熱，輻射對于爐內(nèi)的煙氣溫度場影響很大，P1輻射模型適用于氣相燃燒，輻射傳遞方程易于求解，在燃燒計算穩(wěn)定后，再開啟P1輻射模型，易于計算的收斂。由于熱風爐的蓄熱室是由格子磚堆砌而成，則在計算中將格子磚簡化為多孔介質(zhì)模型[5]，通過設定多孔介質(zhì)區(qū)域的黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)及孔隙率來考慮其對煙氣產(chǎn)生的阻力，還需設定格子磚的密度、熱傳導系數(shù)、比熱等傳熱參數(shù)[6]。爐內(nèi)煙氣與格子磚的熱交換過程，通過使用非平衡雙能量方程進行考慮，設定煙氣與格子磚的換熱系數(shù)，通過計算可以分別得到煙氣的溫度與格子磚的溫度。

2 邊界條件

計算6種工況（如表1），計算中的邊界主要為入口邊界、出口邊界、壁面邊界[7]。所有入口采用速度邊界，并設定入口氣體溫度，所有出口采用壓力邊界，送風期的冷風入口即為燃燒期的煙氣出口。

表1 工況

給定所有入口的氣體溫度值及入口的氣體組分，設定燃燒的反應機理[8]：一氧化碳與氧氣反應，2CO+O2=2CO2；氫氣與氧氣反應，2H2+O2=2H2O。煤氣入口與助燃空氣入口氣體組分如表2所示。

3 計算結(jié)果

3.1 爐內(nèi)溫度場

熱風爐燃燒室內(nèi)，煤氣與助燃空氣混合后，燃燒形成火焰，如圖3、圖4所示，燃燒后的煙氣在爐內(nèi)由上向下流動，在煙氣穿過格子磚的過程中，煙氣不斷與格子磚進行熱交換，格子磚溫度逐步上升，格子磚溫度基本呈線性分布，如圖5、圖6所示。

3.2 爐內(nèi)煙氣速度場

煙氣的流速在煤氣通道內(nèi)達到最大值，燃燒室拱頂存在低速區(qū)，蓄熱室上方存在回流區(qū)，蓄熱室為格子磚區(qū)域，對煙氣產(chǎn)生阻力，則在格子磚區(qū)域，煙氣流速急劇下降，煙氣穿過格子磚區(qū)域后，在底部煙氣出口，流速上升。爐內(nèi)煙氣速度場如圖7、圖8所示。

3.3 煙氣出口溫度

煙氣出口溫度是不斷上升的過程，隨著燃燒過程的進行，溫度不斷升高，燃燒前期，煙氣出口的溫升相對平緩，燃燒后期，溫升速度加快，如圖9所示。

3.4 熱風出口溫度

送風期熱風出口溫度隨送風進行，溫度逐步下降，如圖10所示。

4 結(jié) 論

文中6種工況的爐內(nèi)流場總體上是非常相似的，得到了燃燒期的煙氣出口溫度變化過程與送風期的熱風出口溫度變化過程，燃燒期的火焰燃燒溫度、燃燒時間、送風時間、煙氣流速，以及煙氣與格子磚之間的換熱能力，都會對燃燒期的煙氣出口與送風期的熱風出口的溫度變化產(chǎn)生較大的影響。

通過對熱風爐流場的數(shù)值模擬，建立了一個頂燃式熱風爐的數(shù)字化流場計算模型，非常有助于掌握各種工況下，爐內(nèi)的溫度場、速度場等結(jié)果，有利于對熱風爐的設計參數(shù)、生產(chǎn)操作參數(shù)進行調(diào)整與優(yōu)化。