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1、华中科技大学 硕士学位论文 蓄热式燃烧器结构优化数值模拟及实验研究 姓名：丁翠娇 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：柳朝晖 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 I 摘 要 高温空气燃烧技术是一项全新的节能环保型燃烧技术，蓄热式燃烧器是新技术中 最为关键的部件，本文围绕蓄热式燃烧器结构的优化开展数值模拟和实验研究，结果 如下： 论文首先针对高炉煤气双预热蓄热式燃烧器稳态燃烧过程构造了数值模型，湍流 流动采用k -模型，燃烧采用涡耗散(Eddy Dissipation Model)模型，耦合蒙特卡洛辐 射传热模型
2、，NOX生成采用Zeldovich模型。对蓄热式燃烧方式下高炉煤气燃烧化学反 应机理进行了分析， 结果表明： 采用Lavrov提出的单步总包反应计算CO结果偏差较大， 与实际情况不符，采用两步的包含CO可逆反应和水汽反应机理相对合适。 借助于数值模拟方法，对蓄热式烧嘴关键结构对燃烧过程温度场和浓度场的影响 规律进行了研究，比较分析了 12 种不同烧嘴喷口组合状态下的燃烧情况，结果显示： （1）烧嘴喷口距离在 15D20D间调整和角度在 39间改变对炉内整体温度水 平和温差大小结果影响不大，燃烧高温区主要集中在炉膛的中部，温度梯度较小，温 度分布很均匀，炉膛中心区域内温度差在 100以内。 （2
3、）烧嘴喷口小间距时，喷口 角度不易过大，否则会出现燃烧不完全现象。当烧嘴喷口间距过大时，喷口角度不能 过大也不能过小。综合分析确定烧嘴结构在 18D、5组合状态下燃烧效果最优，性 能最稳定。 （3）NOX的模拟计算结果表明，实验烧嘴结构能够很好的实现低NOX生成 技术，同时也反映出低热值高炉煤气燃烧NOX生成低。 对蓄热式燃烧技术的过程特性进行了详细的实验研究，结果表明：蓄热式燃烧不 同于常规燃烧，其燃烧过程为一周期变化的非稳态过程，炉内温度场和浓度场均随着 换向动作做周期性的变化。计算结果与实验测试值对比表明：模拟计算结果准确，炉 内温度场和浓度场分布规律与实测结果一致，温度预测最大绝对误差
4、在 50以内，相 对误差小于 3%，炉尾烟气各组分含量CO、O2和CO2与实测值一致，NOX排放水平较 实测值偏低。 关键词：蓄热式燃烧器 无焰燃烧 数值模拟 实验研究 优化设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 II Abstract High temperature air combustion (HTAC) is a new energy saving and environmental protection technology, and the regenerative burner is the most key part
5、of HTAC. Centering on the structure optimization of burner, numerical simulation and experimental study has been carried out. The results are as follows: The combustion process of blast furnace gas regenerative burner is simulated with the FLUENT software, and the calculation model consists of k- tw
6、o-equation model for turbulent flow, discrete transfer model for radiation process, Eddy-Dissipation model for gas combustion and Zeldovich model for NOX formation. The comparison of two different chemical reaction mechanisms is completed, and the results indicate that water-vapor reaction mechanism
7、 is more suitable for the blast furnace gas regenerative combustion than global reaction mechanism proposed by Lavrov. The comparative study on the influences of nozzle structural parameters has been carried out by means of numerical simulation, and the results indicate that: (1) The change of the d
8、istance between air nozzle and gas nozzle in 15D-20D and the angle of nozzle in 3-9has little influence on temperature, and the high temperature zone mainly concentrates in the middle of the furnace, the temperature field is uniform, the temperature difference is less than 100 . (2) The matching of
9、nozzle distance and nozzle angle is important, and the inappropriate design will cause incomplete combustion. At the same time, 18D and 5 is the optimal combination. (3) NOX simulation results show that the structure of experimental burner is efficient to reduce NOX generation, and using the low cal
10、orific value blast furnace gas is same. The experimental study on regenerative burner is finished, and the results indicate that all of the combustion performance parameters have the unsteady and cyclical process characteristics and the simulation results are consistent with the experimental data. K
11、eywords: Regenerative burner Flameless combustion Numerical simulation Experimental Study Optimum design 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学
12、校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪 论 1.1 研究背景 蓄热式燃烧技术，也称高温空气燃烧技术(Hig
13、h Temperature Air Combustion，简称 HTAC)，是上世纪九十年代首先由日本开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术1， 在日本一些现代化冶金企业的商业应用结果表明： 应用新燃烧技术可获得节能40-50% （荷兰国际火焰研究中心报告，HTAC的节能效果可以达到 60%)，单位能耗CO2量减 少 30%， 燃烧炉窑NOX排放量可由数百或数千ppm降到 30-50ppm的水平，相同生产率 设备的尺寸可大幅度减小，设备投资可减小 10-20%2-4。该技术还保证了钢铁企业自 产低热值煤气（高炉煤气、转炉煤气以及混合煤气）的有效利用，成为企业实现节能 降耗以及能源平衡的一项有力措
14、施5。 高温空气燃烧技术包括两项基本技术手段67： 一项是采用蓄热式换热装置， 极大 限度回收燃烧产物的显热，用于预热助燃空气，获得 800-1000以上的高温；另一项 是采用燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获 得浓度为 15-3% (体积)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛下燃烧，火焰的热化学 行为与传统的燃烧过程完全不同。它具有高效节能和超低NOx排放等多种优点，又被 称为环境协调型燃烧技术8。 高温空气燃烧过程基础研究工作在我国才刚刚开始，低热值煤气在高温低氧条件 下的火焰特性尚未明了，高、低污染的燃烧条件尚未确定910，造成我国的蓄热式燃 烧技术同先进
15、国家相比存在很大的差距，尤其是在产品的设计和应用上反映出了诸多 的问题，主要表现在燃烧器蓄热体寿命短，换向阀故障率高，加热温度不均匀，炉内 气氛控制不理想，加热件氧化烧损严重，炉压波动大等方面。为解决现存问题，充分 利用好这一节能新技术，必需了解和掌握其燃烧过程特点，以开发高效优质的蓄热式 燃烧器产品。为此需要建立蓄热式燃烧过程数学模型，结合实验室实验研究，来指导 新产品设计以及现场应用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 1.2 蓄热式燃烧技术简介 蓄热式燃烧技术的工作原理如图 1-1 示11： 图 1-1 蓄热式燃烧技术原理图
16、蓄热式烧嘴加热系统和传统的加热系统有着很大的不同。传统的加热系统烧嘴是 独立的，燃烧火焰局部温度高，NOX生成量大；对废气的余热回收一般集中在炉尾烟 道处（设置空气预热器） ，高温废气经过空气预热器温度降低（400左右）排入大气， 常温空气被预热 （600以下） 后分送至各烧嘴， 由于是部分余热回收， 热效率较低12。 如图 1 示，蓄热式烧嘴加热系统烧嘴成对设置，一个蓄热式燃烧单元由一对(两个)烧 嘴本体、一对(两个)装有蓄热体的蓄热室及一套配有控制系统的换向阀所组成。成对 的两个烧嘴分别担任燃烧和预热以及排烟和蓄热的任务，交替工作。当一对烧嘴中的 甲烧嘴工作时，所产生的大量的高温烟气经由乙烧嘴排出，乙烧嘴中的高效蓄热体得 以加热，而排烟温度可降低到 200以下甚至更低；一定的时间间隔后，通过切换阀， 使乙烧嘴工作，而甲烧嘴蓄热，常温空气进入乙烧嘴后，被蓄热体加热至接近炉气温 度的水平（最高的达到空、炉气温差为 50） ，然后参与燃烧
