祝浩钧：内燃式热风炉燃烧器结构优化-江苏省钢铁行业协会

内燃式热风炉燃烧器结构优化

祝浩钧，苏福永，康振，房琳芳，温治

(北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083)

摘要

针对内燃式热风炉在燃烧期烟气中CO含量超标问题开展研究工作，提出一种改进型的矩形燃烧器结构，在煤气通道中加入挡板来改变高炉煤气的流动方向。以某公司3号高炉热风炉为研究对象，建立了内燃式热风炉矩形燃烧器和燃烧室的三维模型。利用CFD模拟技术对矩形燃烧器的原始结构和改进后的结构进行燃烧模拟，在矩形燃烧器中加入的煤气挡板分别采用45°、60°、75° 3种倾斜角度放置，分析在不同倾斜角度下的温度场和CO浓度场。与原始结构的结果进行对比，结果表明，优化结构之后燃烧室出口截面的温度场中高温区范围有所扩大，两端眼角处的CO平均体积分数有一定程度减少。当煤气挡板的倾斜角度为60°时出口截面平均温度上升最大，平均温度从1 669 K上升到1 676 K，出口烟气中的CO平均体积分数下降最多，CO平均体积分数从0.007 028%下降到0.005 678%。

关键词

热风炉；燃烧器；数值模拟；结构优化；温度场

引言

热风炉是高炉炼铁过程中不可缺少的重要设备之一，其作用是在高炉炼铁过程中向高炉输送高温热风。内燃式热风炉工作原理如下：助燃空气和高炉煤气通过对应的通道进入矩形燃烧器之中，通过矩形燃烧器输送到燃烧室中燃烧，产生高温烟气，将蓄热室中的蓄热体加热到对应温度后，再将蓄热体中的热量转移到冷空气之中，从而产生高温热风。

影响热风温度的因素有很多，比如热风炉的结构、空燃比、空气和燃气的预热温度等等。热风炉内的燃烧和送风过程涉及复杂的物理和化学现象，包括燃烧反应、对流、辐射等。此外燃烧器的结构直接影响着流场、温度场和浓度场分布。随着计算机技术的不断发展，数值模拟成为一种十分有效的研究方法。针对热风炉进行仿真模拟，能够有效地解决问题，提高解决效率。目前对于内燃式热风炉的研究主要集中在空气喷嘴数量、燃烧室的燃烧情况，以及气体预热温度等方面的研究。例如胡祖瑞等对内燃式热风炉的燃烧状况进行数值模拟，得到温度分布和火焰形状。QI Feng-sheng等针对传统热风炉内的压力不均匀、偏心涡流和温度分布不均匀的问题，提出新型结构并进行模拟。陈杉杉等针对内燃式热风炉，采用数值模拟的方法求出不同操作条件下拱顶温度以及燃烧效率，得到热风炉的最佳操作模式。

然而，上述研究工作主要集中在对高炉煤气的预热温度、空气喷嘴的数量、燃烧室的燃烧情况等进行改进，对矩形燃烧器中高炉煤气通道的改进却很少。为此，本文首先建立热风炉矩形燃烧器的物理模型，计算正常工作时燃烧室中燃烧情况，并在原有模型基础上对矩形燃烧器进行改进，进一步分析结构优化后的燃烧情况。

精选图表

结论

本文以某公司3号高炉热风炉为研究对象，建立了内燃式热风炉矩形燃烧器的三维模型，分析在燃烧室中燃烧过程速度场、CO浓度场和温度场的变化规律，并分析采用煤气挡板下新结构的矩形燃烧器对燃烧室速度场、CO浓度场和温度场的影响。可以总结出以下结论：

(1)从原始结构模拟结果可以看出，出口处的高温区主要集中在中部，两端眼角处温度较低，出口处的CO主要分布在两端眼角处，其原因在于两端眼角处的燃烧不充分。

(2)使用煤气挡板之后，新结构下高炉煤气减少流向燃烧室的两端眼角处，并且使高炉煤气和助燃空气混合更加均匀，使燃烧室出口的温度得到了提高，也降低了出口两端眼角处CO的浓度。当采用煤气挡板倾斜角度为60°放置时，出口截面平均温度上升最大，平均温度从1 669 K上升到1 676 K，出口烟气中的CO平均体积分数下降最多，CO平均体积分数从0.007 028%下降到0.005 678%。