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卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器的数值模拟

彭川

   卡鲁金顶燃式热风炉相对于内燃式和外燃式热风炉,具有蓄热面积大、结构对称强度高、热效率高、送风温度高、生成维护费用低和使用寿命长等优点。相对于其他顶燃式热风炉,它采用一个多烧嘴环形陶瓷燃烧器,煤气与助燃空气得到充分混合并实现旋流燃烧,彻底消除了燃烧脉动,是顶燃式热风炉的重要发展方向之一。顶燃式热风炉的核心是陶瓷燃烧器,而目前国内外对卡鲁金热风炉燃烧器的研究和设计还缺乏系统全面的分析,因此对燃烧器的流场结构和燃烧特性的研究对优化它的结构,提高热效率都具有重要的意义。 本文针对某高炉的卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器建立与原型相似比为1:10的燃烧器内空煤气流动、混合和燃烧的数学、物理模型,应用FLUENT模拟软件,在给定速度入口边界条件下,选用RSM湍流模型(雷诺应力模型)来模拟燃烧器内的湍流流动,选用组分传输模型模拟冷态下的流场结构,分析热风炉燃烧器内空煤气流动混合特性、燃烧室不同截面上的流场特性和组分均匀度、空煤气喷口出口的流动特性以及蓄热室格子砖对出口气流的影响。 同时在冷态模拟的基础上选用PDF燃烧模型和P1辐射模型,在给定空煤气入口流量的条件下,模拟燃烧器中空煤气的热态燃烧过程。研究燃烧过程中烟气的速度分布、温度分布和组分分布特性,并计算得到空煤气燃烧的烟气出口温度和燃烧效率。 冷态数值计算结果表明:环形陶瓷燃烧器的多层多喷口结构能够保证空煤气气流充分混合并形成旋流,旋流气流将在燃烧室中心产生回流,局部地方产生小的漩涡,从而有效地缩短火焰的长度。同时流量大小对燃烧室不同截面和燃烧室出口流动的均匀性基本没有影响。预热室中四层喷口流量均匀度达90%,空气喷口的速度均匀性相对煤气喷口更好,因此通过优化煤气喷口布置可以提高喷口出流的整体气流均匀性。烧烧室出口气流分布不均匀,边缘速度大,中心气流速度小,最大速度为最小速度的2.5倍,但其均匀性优于传统顶燃式热风炉,燃烧室出口的平均速度均匀度为68.74%,燃料组分浓度均匀度为71.76%,氧气组分浓度均匀度为74.91%,因此考虑通过优化热风炉的结构设计来提高蓄热室上部的气流分布。 热态模拟结果表明:燃烧室内空煤气燃烧为典型的扩散燃烧,煤气引入管在上,空气管在下形成预燃室中空气包裹煤气的旋流流动状态,旋流燃烧和回流阻碍了火焰中心的发展,大大缩短火焰的长度不会对蓄热室格子砖产生影响,同时预燃室半球球顶空间充满了煤气,燃烧在空气喷口下方才开始,空煤气在燃烧器中的燃烧效率达到95.44%,燃烧室出口的烟气平均速度为6.7135m/s,烟气平均温度为1534.7K。 最后,论文本课题进行了总结,并对卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器的后续研究工作提出了建议。……   
[关键词]:卡鲁金顶燃式热风炉;陶瓷燃烧器;数值模拟;喷口均匀性
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:重庆大学2010年