D0I:10.13374/i.issm1001053x.2010.08.0B0 第32卷第8期 北京科技大学学报 Vo132 No 8 2010年8月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Aug 2010 霍戈文内燃式热风炉传输现象 胡祖瑞) 程树森)张福明 1)北京科技大学治金与生态工程学院.北京1000832)北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043 摘要利用CD仿真对首钢1780霍戈文内燃式热风炉进行了数值模拟分析，主要研究了空气和煤气混合前在矩形燃烧 器中的流动，混合气体在燃烧室的燃烧、含量分布，温度分布、火焰形状以及拱顶的速度分布和温度分布.结果表明：空气喷嘴 出口界面和煤气出口截面的流场都存在一定程度的不均匀性：沿燃烧室宽度方向，火焰高度变化剧烈：拱顶出口截面残余极 少量的一氧化碳，蓄热室表面烟气速度分布不均，最高温差也很大. 关键词热风炉，流办传热；燃烧：数值模拟 分类号TF5783 Transport phenom enon of Hoogovens in ternal hot blast stoves HU Zu rup.CHENG Shu sen ZHANG Fuming) 1)SchoolofMelugcal and Ecobgical Engneering Uniersity of Scerce and Technopgy Be ijing Beijirg 100083 Chna 2)Beijng Shougang IntemmntomlErgneerng Technokey Co Ld.Beijng 100043 Chna ABSTRACT Smu lation research was carried out an a 1780 m Hocgovens n temal hot b ast stove n Shougang using the CFD meth od The research ca ten ts manyy nclude he flow saus of air and gas in the rectangi lar bumers before mixing combuston status of m xure gas concen tration and tem perate distributons n the combuston chamber fhme shape and vepcity and temperaure distri butions n he doom The result shows hat here is heterogeneity n some degree about fow filed n the air nozzle ou tet and gas outet A lang he widh direction of he cambustion cham ber the flme height changes greatly A little carbon monoxdle remains in he outlet of he doom On the surace of te checker chamber he vepcity distribution of smoke is notunifom and the maxmum tm peratire difference is also very large KEY WORDS hot blast spve foy heat tansfer combustpp numerical siulaton 热风炉是高炉炼铁生产中的重要设备，在炼铁 长寿的关键因素. 过程中，提高热风炉送风温度，是降低焦比、增加生 郭敏雷、程树森等对燃烧期·和送风期格子 铁产量以及降低生铁成本的有效措施，也是提高高 砖温度分布进行了计算研究，但对燃烧器、燃烧室以 炉喷吹燃料的重要条件.因此，提高热风温度是目 及拱顶部分的研究却没有涉及.胡日君、程树森对 前热风炉研究的焦点问题，提高风温的主要措施包 考贝式热风炉拱顶空间烟气分布进行过数值模 括两点：一是提高理论燃烧温度，通过降低空气过剩 拟，计算主要建立在拱顶入口截面速度分布均匀 系数，对空、煤气进行预热可以达到理想的理论燃烧 的假设之上，与实际情况有一定的偏差.本文中的 温度：二是降低理论燃烧温度与风温的差值，这需要 流场计算从空气和煤气入口开始，与实际更加接近， 在热风炉的结构上进行优化，提高蓄热室的蓄热面 计算更加准确，加之霍戈文式热风炉独特的悬链线 积的同时，使燃烧室出口截面获得均匀的速度分布 式拱顶，都是对拱顶烟气分布研究的补充和完善. 和温度分布，另外，热风炉炉内的最高温度在 张胤、贺友多等分别对栅格式和套筒式陶瓷燃烧器 1400℃以上，合理的火焰形状和温度分布是热风炉 的燃烧过程进行了模拟研究，对矩形陶瓷燃烧 收稿日期：2009-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(NQ60872147片“十一五"国家科技支撑计划资助项目(N92006B趴F03A01) 作者简介：胡祖瑞(1983一)，男，硕士研究生：程树森(1964），男，教授，博士生导师，Email chengsiser@mes地e业cm
第 32卷 第 8期 2010年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.8 Aug.2010 霍戈文内燃式热风炉传输现象 胡祖瑞 1) 程树森 1) 张福明 2 ) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083;2 ) 北京首钢国际工程技术有限公司, 北京 100043 摘 要 利用 CFD仿真对首钢 1 780m3霍戈文内燃式热风炉进行了数值模拟分析, 主要研究了空气和煤气混合前在矩形燃烧 器中的流动, 混合气体在燃烧室的燃烧、含量分布、温度分布、火焰形状以及拱顶的速度分布和温度分布.结果表明:空气喷嘴 出口界面和煤气出口截面的流场都存在一定程度的不均匀性;沿燃烧室宽度方向, 火焰高度变化剧烈;拱顶出口截面残余极 少量的一氧化碳, 蓄热室表面烟气速度分布不均, 最高温差也很大. 关键词 热风炉;流动;传热 ;燃烧;数值模拟 分类号 TF578.3 TransportphenomenonofHoogovensinternalhotblaststoves HUZu-rui1) , CHENGShu-sen1) , ZHANGFu-ming2) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) BeijingShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.Ltd., Beijing100043, China ABSTRACT Simulationresearchwascarriedoutona1780m3 HoogovensinternalhotblaststoveinShougangusingtheCFDmethod.Theresearchcontentsmainlyincludetheflowstatusofairandgasintherectangularburnersbeforemixing, combustionstatusof mixturegas, concentrationandtemperaturedistributionsinthecombustionchamber, flameshape, andvelocityandtemperaturedistributionsinthedoom.Theresultshowsthatthereisheterogeneityinsomedegreeaboutflowfiledintheairnozzleoutletandgasoutlet. Alongthewidthdirectionofthecombustionchamber, theflameheightchangesgreatly.Alittlecarbonmonoxideremainsintheoutlet ofthedoom.Onthesurfaceofthecheckerchamber, thevelocitydistributionofsmokeisnotuniform, andthemaximumtemperature differenceisalsoverylarge. KEYWORDS hotblaststove;flow;heattransfer;combustion;numericalsimulation 收稿日期:2009--10--29 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No.60872147 );“十一五”国家科技支撑计划资助项目 ( No.2006BAE03A01) 作者简介:胡祖瑞 ( 1983— ), 男, 硕士研究生;程树森 ( 1964— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:chengsusen@metall.ustb.edu.cn 热风炉是高炉炼铁生产中的重要设备, 在炼铁 过程中, 提高热风炉送风温度, 是降低焦比 、增加生 铁产量以及降低生铁成本的有效措施, 也是提高高 炉喷吹燃料的重要条件.因此, 提高热风温度是目 前热风炉研究的焦点问题 .提高风温的主要措施包 括两点 :一是提高理论燃烧温度, 通过降低空气过剩 系数, 对空、煤气进行预热可以达到理想的理论燃烧 温度;二是降低理论燃烧温度与风温的差值, 这需要 在热风炉的结构上进行优化, 提高蓄热室的蓄热面 积的同时, 使燃烧室出口截面获得均匀的速度分布 和温度分布 .另外, 热风 炉炉内的最 高温度在 1 400℃以上, 合理的火焰形状和温度分布是热风炉 长寿的关键因素. 郭敏雷、程树森等对燃烧期 [ 1] 和送风期 [ 2] 格子 砖温度分布进行了计算研究, 但对燃烧器、燃烧室以 及拱顶部分的研究却没有涉及.胡日君、程树森对 考贝式热风炉拱顶空间烟气分布进行过数值模 拟 [ 3] , 计算主要建立在拱顶入口截面速度分布均匀 的假设之上, 与实际情况有一定的偏差 .本文中的 流场计算从空气和煤气入口开始, 与实际更加接近, 计算更加准确, 加之霍戈文式热风炉独特的悬链线 式拱顶, 都是对拱顶烟气分布研究的补充和完善. 张胤 、贺友多等分别对栅格式和套筒式陶瓷燃烧器 的燃烧过程进行了模拟研究 [ 4--5] , 对矩形陶瓷燃烧 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.08.030
。1054 北京科技大学学报 第32卷 器的计算没有涉及：而且主要研究的位置局限于燃 均混合质量分数均方差都为0煤气入口的质量流 烧室，对空气和煤气混合前在各自通道内的流动状 量为2666k怒s,湍流强度为109%温度200℃ 况、出口截面的速度分布情况未作分析. 平均混合质量分数为1平均混合质量分数均方差 本文针对首钢1780m高炉所配置的霍戈文内 为Q出口设为压力出口边界，压强为一个大气压即 燃式热风炉，用计算流体力学的方法，采用稳态计 表压为0设定回流湍流强度为10%，平均混合质量 算，对其燃烧期中后期达到稳定后的速度分布、温度 分数和平均混合质量分数均方差均为0壁面设置 分布以及火焰形状进行了数值模拟研究，并对提高 为非滑移边界，传热采用第二类边界条件且壁面绝 风温和延长热风炉寿命给出了建议. 热.流体密度采用DR概率密度函数)混合物模型 1物理模型 给出，比热容采用混合定律给出.辐射模型为 D iscreteOrdinates模型I刀， 内燃式热风炉是目前国内使用最多的热风炉 表1高炉煤气成分 首钢1780m高炉所配置的霍戈文内燃式热风炉在 Table 1 Gas conponents of the bast fumace 传统的内燃式热风炉的基础上进行了改进.其中特 组分 体积分数%密度/(k8m一)质量分数% 有的结构包括：(1)矩形陶瓷燃烧器与眼晴形火井： 0 2033 1.25 19.46 (2)全脱开悬链线形拱顶与关节砖的设计；(3)板 02 1663 1.97 25.09 块式结构与分层自立式结构：(4)自密闭锁砖结构 N 5046 1.25 4833 等.该热风炉主要的结构尺寸有：热风炉的总高度 CH, 044 0714 024 为41.6四燃烧室断面面积9.7，蓄热室断面面积 马 1.16 00899 Q08 35.8,煤气和空气管道的直径分别为1.718四 HO 1098 0810 680 煤气管道底部有一尺寸为4000mmX3060mnmy 150m的导流板；空气喷嘴的出口截面为336mm 表2空气和煤气相关参数 100m的矩形，与竖直方向的夹角为37.275；左右 Table 2 Pammeters of air and gas 两侧每侧有喷嘴22个，共44个，每个喷嘴之间间隔 流量/ 质量流量/ 预热 100mm眼晴形燃烧室的圆弧半径为4.2四高度为 气体 me.h) (k81) 温度心 23.507四拱顶底面半径为4621m 空气 56190 2014 600 2数学模型及边界条件 煤气 73840 2666 200 2.1数学模型 3计算结果及分析 首钢1780m高炉所配置的霍戈文内燃式热风 炉，助燃空气和煤气分别从两个入口进入热风炉中 应用CD仿真计算软件，对该热风炉燃烧室内 混合燃烧，属于非预混燃烧，解决这一过程目前最常 气体的湍流扩散燃烧过程进行了深入而且系统的研 用的数学模型是k飞-糢型.综合来说该模型将混 究，得到了煤气和助燃空气混合前，在各自通道内的 合过程的控制作用和脉动的影响有机地统一，主要 速度分布情况，以及燃烧室和拱顶烟气的速度场、温 包括五个要点，这里不作详细叙述 度场、含量分布和火焰的形状，对热风炉的设计以及 2.2边界条件 改进提供了重要的依据， 该热风炉对应的高炉设计风量为4200m· 3.1煤气在矩形燃烧器中的流动状况 mr,燃烧所用高炉煤气成分见表1 图1为矩形燃烧器的示意图，煤气通道的中心 该热风炉采用助燃空气和煤气预热技术，其煤 位置有一块长4四宽0.15m和高3m的挡墙.挡墙 气和空气管道入口处两种气体的相关参数如表2上端是一小段收缩段，煤气通道的面积由3.3收 所示. 缩到1.98.煤气从下部入口进入燃烧器.图2分 表1和表2中的数据均为设计值，实际生产中 别给出了煤气入口中心截面，空气入口中心截面和 的数据与其略有偏差.根据表2中的数据给出数学 空气喷嘴底部截面的速度云图.从图中可以看出， 模型所对应的边界条件：煤气和空气入口均为质量 煤气的速度基本沿入口中心线呈对称分布，随着高 流量边界，空气入口的质量流量为2014kgs,湍 度的增加，横截面的速度分布总体趋于均匀化.图3 流强度为10%，温度600℃，平均混合质量分数和平 和图4分别是煤气出口截面Y纺向和X方向上速
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 器的计算没有涉及;而且主要研究的位置局限于燃 烧室, 对空气和煤气混合前在各自通道内的流动状 况 、出口截面的速度分布情况未作分析. 本文针对首钢 1 780 m 3高炉所配置的霍戈文内 燃式热风炉, 用计算流体力学的方法, 采用稳态计 算, 对其燃烧期中后期达到稳定后的速度分布 、温度 分布以及火焰形状进行了数值模拟研究, 并对提高 风温和延长热风炉寿命给出了建议. 1 物理模型 内燃式热风炉是目前国内使用最多的热风炉, 首钢 1 780 m 3高炉所配置的霍戈文内燃式热风炉在 传统的内燃式热风炉的基础上进行了改进.其中特 有的结构包括:( 1) 矩形陶瓷燃烧器与眼睛形火井 ; ( 2) 全脱开悬链线形拱顶与关节砖的设计 ;( 3) 板 块式结构与分层自立式结构;( 4) 自密闭锁砖结构 等 .该热风炉主要的结构尺寸有 :热风炉的总高度 为 41.6m, 燃烧室断面面积 9.7 m 2 , 蓄热室断面面积 35.8 m 2 , 煤气和空气管道的直径分别为 1.7、1.8 m; 煤气管道底部有一尺寸为 4 000 mm×3 060 mm× 150mm的导流板;空气喷嘴的出口截面为 336 mm× 100mm的矩形, 与竖直方向的夹角为 37.275°;左右 两侧每侧有喷嘴 22个, 共 44个, 每个喷嘴之间间隔 100mm;眼睛形燃烧室的圆弧半径为 4.2 m, 高度为 23.507 m;拱顶底面半径为 4.621 m. 2 数学模型及边界条件 2.1 数学模型 首钢 1 780 m 3高炉所配置的霍戈文内燃式热风 炉, 助燃空气和煤气分别从两个入口进入热风炉中 混合燃烧, 属于非预混燃烧, 解决这一过程目前最常 用的数学模型是 k--ε--g模型.综合来说该模型将混 合过程的控制作用和脉动的影响有机地统一, 主要 包括五个要点 [ 6] , 这里不作详细叙述. 2.2 边界条件 该热风炉对应的高炉设计风量为 4 200 m 3 · min -1 , 燃烧所用高炉煤气成分见表 1. 该热风炉采用助燃空气和煤气预热技术, 其煤 气和空气管道入口处两种气体的相关参数如表 2 所示. 表 1和表 2中的数据均为设计值, 实际生产中 的数据与其略有偏差 .根据表 2中的数据给出数学 模型所对应的边界条件 :煤气和空气入口均为质量 流量边界, 空气入口的质量流量为 20.14 kg·s -1 , 湍 流强度为 10%, 温度 600℃, 平均混合质量分数和平 均混合质量分数均方差都为 0;煤气入口的质量流 量为 26.66 kg·s -1 , 湍流强度为 10%, 温度 200 ℃, 平均混合质量分数为 1, 平均混合质量分数均方差 为 0.出口设为压力出口边界, 压强为一个大气压即 表压为 0, 设定回流湍流强度为 10%, 平均混合质量 分数和平均混合质量分数均方差均为 0.壁面设置 为非滑移边界, 传热采用第二类边界条件且壁面绝 热.流体密度采用 PDF(概率密度函数 )混合物模型 给出, 比 热容采用混 合定律给 出.辐射模 型为 DiscreteOrdinates模型 [ 7] . 表 1 高炉煤气成分 Table1 Gascomponentsoftheblastfurnace 组分 体积分数 /% 密度 /( kg·m-3 ) 质量分数 /% CO 20.33 1.25 19.46 CO2 16.63 1.97 25.09 N2 50.46 1.25 48.33 CH4 0.44 0.714 0.24 H2 1.16 0.089 9 0.08 H2O 10.98 0.810 6.80 表 2 空气和煤气相关参数 Table2 Parametersofairandgas 气体 流量 / ( m3·h-1 ) 质量流量 / ( kg·s-1 ) 预热 温度 /℃ 空气 56 190 20.14 600 煤气 73 840 26.66 200 3 计算结果及分析 应用 CFD仿真计算软件, 对该热风炉燃烧室内 气体的湍流扩散燃烧过程进行了深入而且系统的研 究, 得到了煤气和助燃空气混合前, 在各自通道内的 速度分布情况, 以及燃烧室和拱顶烟气的速度场 、温 度场 、含量分布和火焰的形状, 对热风炉的设计以及 改进提供了重要的依据 . 3.1 煤气在矩形燃烧器中的流动状况 图 1为矩形燃烧器的示意图, 煤气通道的中心 位置有一块长 4 m、宽 0.15m和高 3m的挡墙.挡墙 上端是一小段收缩段, 煤气通道的面积由 3.3 m 2收 缩到 1.98m 2 .煤气从下部入口进入燃烧器.图 2分 别给出了煤气入口中心截面, 空气入口中心截面和 空气喷嘴底部截面的速度云图 .从图中可以看出, 煤气的速度基本沿入口中心线呈对称分布, 随着高 度的增加, 横截面的速度分布总体趋于均匀化.图 3 和图 4分别是煤气出口截面 Y方向和 X方向上速 · 1054·
第8期 胡祖瑞等：霍戈文内燃式热风炉传输现象 1055 度变化曲线图.从图3可以看出，Y防向上壁面附 45 近的速度明显高于中间的速度.其原因可从图5分 Ye0)m 。X=0.12m 析得出，煤气遇到挡墙后向各个方向放射状运动，挡 +X=-0.12m 墙两个角部的速度要明显高于中间位置的速度，这 样的情形一直保持到煤气与空气混合，因此会出现 图5所示的速度分布.从图4中可以看到：靠近中 心位置时(=0，入口一侧的速度要明显高于入口 0 长度Ym 对侧的速度：而靠近壁面处(Y=一2.1m),入口一 侧和入口对侧的速度差异则很小. 图3煤气出口截面坊向的速度变化 Fg3 Vepcity of gasat the outlet in Y direction 45 Z=84m :35 小 空气入口 +=0m 25 ◆小+◆◆◆中+中◆w -=-13m +1=-21m Ze4.783m X=-02m 2825i50s005015025 X0m 宽度/m 煤气人口 图4煤气出口截面X方向的速度变化 Z=1.283m -13m Fg 4 Vebcity of gas at he outlet in X diection Y=-2.1 m 图1矩形燃烧器示意图 40m11 Fg 1 Schematic diagram of the rec tanguar bumer 速度m) 空气通道煤气通道 速度m少 3650248 0 挡增位置 X=-02m 图5X=一02m平面的速度矢量图 F5 Ve kcit vectors in te plane of X=-0.2m Z=1283m Z4.783m Z-84m 定程度的不均匀性 图2X一Y平面的速度云图 Fig 2 Vebcity contours n the X-Y Plane 3.2空气在矩形燃烧器中的流动状况 空气从上部入口进入燃烧器后沿“回”形通道 图6将Y=01m和Y=一1.3m平面收缩段附 运动.图2中右侧的两幅图说明整个空气通道内的 近的速度矢量图进行了对比：在Y=01m平面，入 速度基本沿入口中心线呈对称分布.在入口平面 口管道和挡墙的拐角处速度很大，随之通过收缩段 Z=4783m处，入口一侧的速度要远大于入口对侧 后，靠近左端壁面的速度要远大于右端壁面的速度： 的速度；随着高度的增加，在空气喷嘴底部，两侧的 在远离中心处，对于Y=一1.3m平面，收缩段上部 速度已基本达到均匀.因此空气通道的高度直接决 左右两端壁面的速度差异则明显缩小.因此挡墙的 定了各截面两侧速度的均匀性，也就决定了喷嘴出 结构，收缩段角度和高度以及煤气通道的高度存在 口截面速度的均匀性.图7给出了入口一侧和对侧 一定的不合理性，导致了在煤气出口截面存在着一 各喷嘴的量纲1流量柱状图，其中量纲1流量是各
第 8期 胡祖瑞等:霍戈文内燃式热风炉传输现象 度变化曲线图 .从图 3可以看出, Y方向上壁面附 近的速度明显高于中间的速度 .其原因可从图 5分 析得出, 煤气遇到挡墙后向各个方向放射状运动, 挡 墙两个角部的速度要明显高于中间位置的速度, 这 样的情形一直保持到煤气与空气混合, 因此会出现 图 5所示的速度分布 .从图 4中可以看到 :靠近中 心位置时 ( Y=0), 入口一侧的速度要明显高于入口 对侧的速度 ;而靠近壁面处 ( Y=-2.1 m), 入口一 侧和入口对侧的速度差异则很小. 图 1 矩形燃烧器示意图 Fig.1 Schematicdiagramoftherectangularburner 图 2 X-Y平面的速度云图 Fig.2 VelocitycontoursintheX-Yplane 图 6将 Y=0.1 m和 Y=-1.3 m平面收缩段附 近的速度矢量图进行了对比 :在 Y=0.1 m平面, 入 口管道和挡墙的拐角处速度很大, 随之通过收缩段 后, 靠近左端壁面的速度要远大于右端壁面的速度 ; 在远离中心处, 对于 Y=-1.3 m平面, 收缩段上部 左右两端壁面的速度差异则明显缩小 .因此挡墙的 结构, 收缩段角度和高度以及煤气通道的高度存在 一定的不合理性, 导致了在煤气出口截面存在着一 图 3 煤气出口截面 Y方向的速度变化 Fig.3 VelocityofgasattheoutletinYdirection 图 4 煤气出口截面 X方向的速度变化 Fig.4 VelocityofgasattheoutletinXdirection 图 5 X=-0.2m平面的速度矢量图 Fig.5 VelocityvectorsintheplaneofX=-0.2m 定程度的不均匀性 . 3.2 空气在矩形燃烧器中的流动状况 空气从上部入口进入燃烧器后沿 “回 ”形通道 运动 .图 2中右侧的两幅图说明整个空气通道内的 速度基本沿入口中心线呈对称分布.在入口平面 Z=4.783 m处, 入口一侧的速度要远大于入口对侧 的速度;随着高度的增加, 在空气喷嘴底部, 两侧的 速度已基本达到均匀.因此空气通道的高度直接决 定了各截面两侧速度的均匀性, 也就决定了喷嘴出 口截面速度的均匀性.图 7给出了入口一侧和对侧 各喷嘴的量纲 1流量柱状图, 其中量纲 1流量是各 · 1055·
。1056 北京科技大学学报 第32卷 微增大，使得每个空气喷嘴的流量尽可能均匀 速度m) 12 口空气入口一侧喷嘴 8552926130721 30ms ▣入口对面一侧喷嘴 09 08 0.6 8 1011 喷嘴编号 图7各喷嘴的量纲1流量 Y-0.I m Y=-13m Fig 7 D mension less flow rate at nozzles Y-0.1m 3.3燃烧室气体流动状况 图6X一评面流动状况 图8给出了眼晴形燃烧室=0平面的速度矢 F6 Fkw staus in the xZ pkne 量图.图8（马是燃烧室底部的流场矢量图.从图中 喷嘴的流量与所有喷嘴平均流量的比值.实际每侧 可以看到，在靠近壁面位置形成了一个回旋区，这是 有22个喷嘴，由于流场沿X一Z平面对称，因此只 由燃烧器的流体流动特性造成的，回旋区的存在有 给出了一半喷嘴的结果，编号从边缘到中心依次增 利于燃烧过程煤气与空气的混合，稳定燃烧以及烟 大.结果显示：空气入口一侧的喷嘴流量全部大于 气平稳的向上运动.图8(b是燃烧室出口附近的 平均流量，边缘附近的流量大于中心流量；而入口对 流场矢量图.当烟气平稳上升至燃烧室出口附近 侧的喷嘴除中心一个喷嘴等于平均流量外，其余全 时，气体分布基本达到均匀，中间的速度略高于两 小于平均流量，而且靠近壁面的两个喷嘴流量远低 边，此部分结果与张胤，贺友多等的计算结果十分 于平均流量.由此看来，空气通道的高度还需要略 一致49， a 20m+ 10m9 rw1 1ffimmgiif m1 f imnni 4 nt- 1T圆 1 f1mm N 1nf irmiifrm 图8燃烧室二0平面的速度矢量图.（两燃烧室底部：（燃烧室出口附近 Fg 8 Vepcity vecors in he combustin chamber n the plane ofy(a botrm of the combustion chmber (b near he outetof the combus t知chamber 3.4拱顶速度分布 能减小这种不均匀性3，但要完全消除还需在结 气体经过燃烧室后达到拱顶，通过拱顶中心 构上进行改进 X一殲面的速度云图和流线图如图9（马所示，云 3.5燃烧室温度分布和火焰形状分析 图标示了速度的大小，流线图标示了速度的方向. 图0为截止至拱顶底部出口，X-Z平面和 拱顶下部形成了一个半径约为1.2m的涡流，使得 Y一砰面的温度分布云图和火焰形状.由当量混合 该处气体的速度很小，而靠近壁面处气体速度则相 分数？可以得到如图中蓝色曲线所示的平均火焰 对较大.图9(b给出了烟气在拱顶出口截面的分 面形状.煤气和助燃空气在眼晴形燃烧室混合 布状况：速度分布基本沿X轴对称分布，但由于涡 并发生剧烈燃烧，放出大量热量.如图10（马，X=0 流的存在，右半部分烟气的速度要明显大于左半部 平面内温度分布和火焰形状基本关于Y=0平面对 分的烟气速度.这种速度的不均匀性是由拱顶的结 称，火焰面呈现中间低，两边高的状态，这与燃烧室 构特点所决定的，虽然悬链线拱顶相对圆球形拱顶 气体流动状态密切相关.图8中眼晴形燃烧室中心
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 6 X-Z平面流动状况 Fig.6 FlowstatusintheX-Zplane 喷嘴的流量与所有喷嘴平均流量的比值.实际每侧 有 22个喷嘴, 由于流场沿 X-Z平面对称, 因此只 给出了一半喷嘴的结果, 编号从边缘到中心依次增 大 .结果显示:空气入口一侧的喷嘴流量全部大于 平均流量, 边缘附近的流量大于中心流量 ;而入口对 侧的喷嘴除中心一个喷嘴等于平均流量外, 其余全 小于平均流量, 而且靠近壁面的两个喷嘴流量远低 于平均流量 .由此看来, 空气通道的高度还需要略 微增大, 使得每个空气喷嘴的流量尽可能均匀. 图 7 各喷嘴的量纲 1流量 Fig.7 Dimensionlessflowrateatnozzles 3.3 燃烧室气体流动状况 图 8给出了眼睛形燃烧室 Y=0 平面的速度矢 量图 .图 8( a)是燃烧室底部的流场矢量图.从图中 可以看到, 在靠近壁面位置形成了一个回旋区, 这是 由燃烧器的流体流动特性造成的, 回旋区的存在有 利于燃烧过程煤气与空气的混合, 稳定燃烧以及烟 气平稳的向上运动.图 8 ( b)是燃烧室出口附近的 流场矢量图 .当烟气平稳上升至燃烧室出口附近 时, 气体分布基本达到均匀, 中间的速度略高于两 边, 此部分结果与张胤, 贺友多等的计算结果十分 一致 [ 4, 8] . 图 8 燃烧室 Y=0平面的速度矢量图.( a) 燃烧室底部;( b) 燃烧室出口附近 Fig.8 VelocityvectorsinthecombustionchamberintheplaneofY=0:( a) bottomofthecombustionchamber;( b) neartheoutletofthecombustionchamber 3.4 拱顶速度分布 气体经过燃烧室后达到拱顶, 通过拱顶中心 X-Z截面的速度云图和流线图如图 9 ( a)所示, 云 图标示了速度的大小, 流线图标示了速度的方向 . 拱顶下部形成了一个半径约为 1.2 m的涡流, 使得 该处气体的速度很小, 而靠近壁面处气体速度则相 对较大 .图 9( b)给出了烟气在拱顶出口截面的分 布状况 :速度分布基本沿 X轴对称分布, 但由于涡 流的存在, 右半部分烟气的速度要明显大于左半部 分的烟气速度.这种速度的不均匀性是由拱顶的结 构特点所决定的, 虽然悬链线拱顶相对圆球形拱顶 能减小这种不均匀性 [ 3, 9] , 但要完全消除还需在结 构上进行改进 . 3.5 燃烧室温度分布和火焰形状分析 图 10为截止至拱顶底部出口, X-Z平面和 Y-Z平面的温度分布云图和火焰形状 .由当量混合 分数 [ 5] 可以得到如图中蓝色曲线所示的平均火焰 面形状 [ 10] .煤气和助燃空气在眼睛形燃烧室混合 并发生剧烈燃烧, 放出大量热量.如图 10( a), X=0 平面内温度分布和火焰形状基本关于 Y=0平面对 称, 火焰面呈现中间低, 两边高的状态, 这与燃烧室 气体流动状态密切相关 .图 8 中眼睛形燃烧室中心 · 1056·
第8期 胡祖瑞等：霍戈文内燃式热风炉传输现象 ·1057 面附近，煤气充分燃烧.达到最高温度1440℃这与 建度Am+s 该热风炉所设计达到的峰温相吻合.另外需要说明 的是，由于眼晴形燃烧室在划分六面体网格时出现 87 不对称的状况，从而导致计算结果不是完全关于 65 =0对称，因此在不规则图形网格划分方面需要做 细致的优化.图10(b~(4选取了最短火焰和最 2 长火焰位置的X一Z平面温度分布云图和火焰形 a 状.各平面火焰宽度基本一致，与煤气通道出口的 图9拱顶处气体的流动状况.（两二日（拱顶出口横截面 Fg9 Gas fp sntus in the dong(网=g(b coss sectg知of 宽度很接近：最短的火焰长度为8咗右，最长的火 the done outlet 焰长度为28m左右，而且己经伸入到了拱顶部分. 对于拱顶的温度分布，Y=0平面处，温度分布与速 位置（即=0平面）形成的回流，使得通过中心区 度分布情况刚好相反，在涡流位置，由于与周围发生 域总的煤气量要小于边缘，因此中心火焰短于两侧. 较少热交换导致温度热量积累，温度比靠近壁面处 对于温度分布情况，由于火焰内部的主要成分是煤 高出很多：相对=0平面，二一1.5m和=1.5m 气，没有得到充分燃烧，因此温度较低：而在火焰表 平面的平均温度显然要高出很多， 温度C 1400 火焰面 火焰面、 200 d 图10炉内温度分布和火焰形状.（号X=0(二G(9上=一15四（山二15m F 10 Temperaure distribuition and flme shape n the hot blast sove (b Y=0 (9-1.5m d)1 5m 图11左侧给出了眼晴形燃烧室横截面上，温度 和拱顶的结构进行改进 随高度变化的云图.随着高度的增加，温度在整个 3.6燃烧室和拱顶含量分布 横截面上变得均匀.图11右边给出了拱顶出口截 图12左侧给出了燃烧室高度方向CO的质量 面的温度分布，温度分布沿X轴对称分布.根据温 分数随高度变化的云图.在燃烧室底部，煤气通道 度的大小能将整个出口截面分成五块区域，温度最 出口对应的位置O的质量分数很高：随着高度的 低的区域集中在X轴附近，靠近壁面处：温度最高 增加，CO含量逐渐减小，而且CO含量高的区域主 的区域集中在温度最低区域的上下两侧：剩下的区 要集中在眼睛形燃烧室的角部，这与燃烧室的温度 域温度较为均匀，而且介于最高温度区域和最低温 分布和火焰形状也能很好的对应上：同时可以看到 度区域之间.另外，整个截面的最大温差在250℃ 在燃烧室出口处仍然有C○剩余.随着煤气和助燃 左右，如此大的温差对提高热风温度和蓄热室的热 空气在拱顶左侧的继续反应，会看到如图12右侧所 效率都会产生不利的影响，因此很有必要对燃烧室 示的拱顶①含量分布云图，在拱顶右侧以及拱顶
第 8期 胡祖瑞等:霍戈文内燃式热风炉传输现象 图 9 拱顶处气体的流动状况.( a) Y=0;( b) 拱顶出口横截面 Fig.9 Gasflowstatusinthedome:( a) Y=0;( b) crosssectionof thedomeoutlet 位置 (即 Y=0 平面 )形成的回流, 使得通过中心区 域总的煤气量要小于边缘, 因此中心火焰短于两侧 . 对于温度分布情况, 由于火焰内部的主要成分是煤 气, 没有得到充分燃烧, 因此温度较低;而在火焰表 面附近, 煤气充分燃烧, 达到最高温度 1 440 ℃, 这与 该热风炉所设计达到的峰温相吻合.另外需要说明 的是, 由于眼睛形燃烧室在划分六面体网格时出现 不对称的状况, 从而导致计算结果不是完全关于 Y=0对称, 因此在不规则图形网格划分方面需要做 细致的优化.图 10( b) ～ ( d)选取了最短火焰和最 长火焰位置的 X-Z平面温度分布云图和火焰形 状.各平面火焰宽度基本一致, 与煤气通道出口的 宽度很接近;最短的火焰长度为 8 m左右, 最长的火 焰长度为 28m左右, 而且已经伸入到了拱顶部分. 对于拱顶的温度分布, Y=0平面处, 温度分布与速 度分布情况刚好相反, 在涡流位置, 由于与周围发生 较少热交换导致温度热量积累, 温度比靠近壁面处 高出很多 ;相对 Y=0平面, Y=-1.5 m和 Y=1.5 m 平面的平均温度显然要高出很多 . 图 10 炉内温度分布和火焰形状.( a) X=0;( b) Y=0;( c) Y=-1.5m;( d) Y=1.5m Fig.10 Temperaturedistributionandflameshapeinthehotblaststove:( a) X=0;( b) Y=0;( c) Y=-1.5m;( d) Y=1.5m 图 11左侧给出了眼睛形燃烧室横截面上, 温度 随高度变化的云图.随着高度的增加, 温度在整个 横截面上变得均匀.图 11 右边给出了拱顶出口截 面的温度分布, 温度分布沿 X轴对称分布 .根据温 度的大小能将整个出口截面分成五块区域, 温度最 低的区域集中在 X轴附近, 靠近壁面处;温度最高 的区域集中在温度最低区域的上下两侧;剩下的区 域温度较为均匀, 而且介于最高温度区域和最低温 度区域之间 .另外, 整个截面的最大温差在 250 ℃ 左右, 如此大的温差对提高热风温度和蓄热室的热 效率都会产生不利的影响, 因此很有必要对燃烧室 和拱顶的结构进行改进 . 3.6 燃烧室和拱顶含量分布 图 12左侧给出了燃烧室高度方向 CO的质量 分数随高度变化的云图 .在燃烧室底部, 煤气通道 出口对应的位置 CO的质量分数很高;随着高度的 增加, CO含量逐渐减小, 而且 CO含量高的区域主 要集中在眼睛形燃烧室的角部, 这与燃烧室的温度 分布和火焰形状也能很好的对应上 ;同时可以看到 在燃烧室出口处仍然有 CO剩余 .随着煤气和助燃 空气在拱顶左侧的继续反应, 会看到如图 12右侧所 示的拱顶 CO含量分布云图, 在拱顶右侧以及拱顶 · 1057·