頂燃式熱風(fēng)爐的數(shù)值模擬研究

黃碧輝, 呂遐平

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201999）

0 引 言

頂燃式熱風(fēng)爐的工作原理是：把熱風(fēng)爐的燃燒器放置在熱風(fēng)爐的頂部[1]，預(yù)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(shè)置在熱風(fēng)爐頂部的陶瓷燃燒器，然后在熱風(fēng)爐預(yù)燃室、拱頂充分燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥缮贤峦ㄟ^格子磚，從位于熱風(fēng)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(dāng)高溫?zé)煔馔ㄟ^格子磚時，格子磚不斷與高溫?zé)煔獍l(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(dá)到設(shè)定值之后轉(zhuǎn)入送風(fēng)周期或者悶爐。通過閥門切換，熱風(fēng)爐由燃燒或者悶爐轉(zhuǎn)入送風(fēng)周期，來自高爐鼓風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)從蓄熱室底部的煙氣出口進(jìn)入熱風(fēng)爐，由下往上通過格子磚，冷風(fēng)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(fēng)，最后由熱風(fēng)出口送出熱風(fēng)爐，直至熱風(fēng)出口溫度達(dá)到設(shè)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(fēng)爐內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，建立頂燃式熱風(fēng)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(fēng)溫隨時間的變化過程，送風(fēng)時送風(fēng)出口風(fēng)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(fēng)期，有一個入口為底部的冷風(fēng)入口，一個出口為上部的熱風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(shè)定格子磚的密度、熱傳導(dǎo)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(jìn)行考慮，設(shè)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(shè)定入口氣體溫度，所有出口采用壓力邊界，送風(fēng)期的冷風(fēng)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(shè)定燃燒的反應(yīng)機(jī)理[8]：一氧化碳與氧氣反應(yīng)，2CO+O2=2CO2；氫氣與氧氣反應(yīng)，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(fēng)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(fēng)出口溫度

送風(fēng)期熱風(fēng)出口溫度隨送風(fēng)進(jìn)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(fēng)期的熱風(fēng)出口溫度變化過程，燃燒期的火焰燃燒溫度、燃燒時間、送風(fēng)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(fēng)期的熱風(fēng)出口的溫度變化產(chǎn)生較大的影響。

通過對熱風(fēng)爐流場的數(shù)值模擬，建立了一個頂燃式熱風(fēng)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(fēng)爐的設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。