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栅格式燃烧器流动与燃烧数值模拟

作　者: 周本权
导　师: 李隆键
学　校: 重庆大学
专　业: 工程热物理
关键词: 热风炉 栅格式燃烧器 数值模拟 燃烧 冷风均匀度
分类号: TF544
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


热风炉是高炉炼铁的重要设备,它向高炉提供的热风风量、风温直接影响到高炉炼铁的产量、质量和能源消耗。热风炉用栅格式燃烧器具有火焰长度短、理论燃烧温度高、燃烧稳定性强及煤气燃烧完全的特点,综合性能都优于其它几种形式的陶瓷燃烧器。但因为栅格式燃烧器的基本燃烧特性还没有完全了解,而且缺乏系统的研究和成熟的设计经验,栅格式燃烧器没有得到广泛的应用。本文针对某高炉热风炉栅格式燃烧器模型实验装置建立了燃烧器内组份流动、混合和燃烧的物理、数学模型,并进行了相应数值模拟计算。采用RNG k ?ε模型模拟燃烧器内的湍流流动;采用组份扩散模型模拟冷态浓度分布;采用PDF模型模拟燃烧过程。对模拟试验的六组不同运行工况进行了冷态和热态数值模拟计算,计算结果揭示了热风炉栅格式燃烧器内的流场结构、组份混合和燃烧过程,并在此基础上统计得到了空气和煤气通道的阻力特性以及不同位置的速度、浓度均匀度和燃烧效率。冷态计算结果表明:空气通道的平均阻力系数约为13.09,煤气通道的平均阻力系数约为13.22,在试验的流量范围(Q=175~762 Nm3/hr)内,通道内的流动均处于自模化区。其空煤气配气速度均匀度为0.751,燃料组份浓度均匀度为0.815,氧气组份浓度均匀度为0.738。随着空煤气流量的增大,空煤气配气均匀度稍微有所降低。根据栅格式燃烧器流场特性分析了造成冷风配气不均匀的主要原因,并提出了改变燃烧室结构方式及尺寸以提高其冷风配气均匀度的方案。热态数值计算结果表明:燃烧室内湍流预混燃烧反应主要集中在燃烧室底部400mm高度范围内。残余燃料组份的扩散燃烧反应在距燃烧室底面1500～2000mm区域内完成。空、煤气流量越大,火焰长度越高。不同工况下其燃烧效率在89.5%～91.37%范围之间。流量越小,预热温度越高,燃烧效率越高。本文还针对栅格式燃烧器原尺寸模型进行了数值模拟计算,其空煤气的配气均匀度为0.713,燃料浓度均匀度为0.871,氧气组份的浓度均匀度为0.733。燃烧反应主要发生在燃烧室底部区域内,其火焰长度约为5m,燃烧室出口烟气平均温度约为1250℃,燃烧效率为88.99%。本文实现了对栅格式燃烧器内冷态和热态时流场、浓度场和温度场的模拟,其结果可以用来实现燃烧器的改进及优化设计,从而节省设计时间和减少设计费用,具有重要的工程实际意义和学术价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-22
  1.1 蓄热式热风炉的原理和分类  9-14
    1.1.1 热风炉的原理  9
    1.1.2 蓄热式热风炉的分类  9-14
  1.2 高炉热风炉的国内外研究状况  14-19
    1.2.1 提高空、煤气的预热温度  14-15
    1.2.2 冷风均配技术  15-16
    1.2.3 改进燃烧器设计  16-19
  1.3 数值模拟在热风炉燃烧器研究中的应用  19-21
  1.4 本课题的研究目的和研究内容  21-22
    1.4.1 本课题的研究目的  21
    1.4.2 本课题研究的主要内容  21-22
2 数学物理模型  22-30
  2.1 基本控制方程  22-23
  2.2 湍流模型  23-25
  2.3 组份输运模型  25
  2.4 燃烧模型  25-28
  2.5 辐射换热模型  28-30
3 数值计算方法  30-35
  3.1 计算网格划分  30-32
  3.2 边界条件的处理  32-33
    3.2.1 边界条件  32
    3.2.2 壁面函数  32-33
  3.3 求解控制  33-34
  3.4 收敛判定  34-35
4 栅格式燃烧器流动和燃烧数值模拟  35-61
  4.1 计算参数及工况  35-36
  4.2 冷态时模拟计算结果及分析  36-48
    4.2.1 栅格式燃烧器阻力特性  36-37
    4.2.2 栅格式燃烧器内流场特性及配气均匀度  37-48
  4.3 热态模拟计算结果及分析  48-60
    4.3.1 燃烧室下部流场特性  48-51
    4.3.2 燃烧室燃烧特性  51-60
  4.4 燃烧温度及燃烧效率  60-61
5 栅格式燃烧器原尺寸模型数值模拟  61-69
  5.1 冷态结果  61-63
  5.2 燃烧计算结果  63-69
6 结论和建议  69-71
  6.1 结论  69-70
  6.2 建议  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
附录：作者在攻读硕士学位期间论文发表情况  75

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中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 炼铁 > 高炉操作 > 热风炉操作
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