1前言随着国内外蓄热燃烧技术在工业加热领域的成功应用〔1～3〕,蓄热燃烧已经出现良好的市 场前景。近一段时期我国对此项技术的应用也逐步扩大,同时对该技术的研究也有了长足发展。目 前国内有许多单位研究和开发蓄热燃烧技术,如中钢集团鞍山热能研究院、北京科技大学、机械部 第五设计研究院等。中钢集团鞍山热能研究院作为国家能源开发与利用专业性科研单位,紧跟蓄热 燃烧技术的前沿已经在天津铁厂、杭钢、山东墨龙、吉林通钢、河北华北铝业公司、驻马店南方钢 铁等企业成功的建造了多座蓄热式加热炉,同时也有了自己的四通换向阀和三通换向阀产品专利。 在现代生产中传统加热炉能耗大,加热能力、供热能力、最短出钢周期难以提高,进而影响钢坯的 加热质量。蓄热燃烧具有节能和环保两大特点,拥有板坯加热质量好、加热速度快、烧损率低等优 点。蓄热燃烧可以通过强化加热来加大加热能力,通过减小煤气单耗提高供热能力,通过均匀炉温 减小最短出钢周期,进而使该技术在加热炉上得以应用。2蓄热式加热炉的应用中钢集团鞍山热能 研究院于2004年初在驻马店南方钢铁公司设计建造了一座蓄热式加热炉,并在2004年7月 投产,其设计参数见表1。该加热炉投产后,能够达到设计产量,同时节能效果比较显著。应用中 具有火焰温度均匀,无峰值,无火焰界面,火焰呈蓝绿色、绿色,噪声低等优点。这些特点与蓄热 燃烧的特点〔4、5〕相吻合,表明蓄热燃烧技术已经在工程中日趋成熟,同时有效地利用高炉煤 气节约了能源。表1加热炉设计参数表1加热钢种普碳钢、低合金钢2坯料尺寸/mm1502× 4500～60003燃料种类高炉煤气4燃料热值/kJ·m-331355空气预热温度/℃ 800～10006煤气预热温度/℃800～10007加热温度/℃1150～12508设 计加热能力/t·h-1809炉底水管冷却方式水冷10正常排烟温度/℃≤15011推钢机 100吨液压式推钢机12上料方式辊道上料(人工辅助)在实际生产中蓄热式加热炉与传统加热 炉相比炉压较大,如果处理不好会发生炉头和炉尾冒火现象。因而在设计过程中应该认真考虑燃烧 系统以及炉型的结构形式,这些应该同传统加热炉的结构形式有所不同。3
数值模拟3.1计算模 型及网格划分选取加热炉一加热段(长×宽×高:1160×6500×2700)为研究对象。 取8对烧嘴,钢坯上下各4对烧嘴,采用煤气—空气双预热的方式。网格划分采用先进的多块网格 结构以及结构化非均匀网格技术,烧嘴附近、钢坯上下表面附近以及炉顶炉底附近的网格划分较密 。3.2模拟选用的方程以及边界条件和初始条件模拟过程选用流体连续性方程、动量方程、高雷 诺数湍流方程、传热与燃烧、辐射耦合方程。钢坯传热应用于传热方程中,同时在模拟中考虑了浮 力的影响。进口采用Dirichlet条件,直接依据设计中的数值,针对加热炉上下部分流量 的不同,给出具有一定二维倾角的空气、煤气进口速度。高炉煤气的主要体积成分如表2所示,计 算过程中换算成质量浓度。模拟预热温度为800℃,模拟中为了提高计算速度,对称面选在各进 口、出口的中心面上。表2高炉煤气成分%COCO2H2N2O2CH4模拟中考虑墙体散热, 同时把炉门散热归到墙体散热中,水冷只影响钢坯的下表面温度。非稳态的时间步长选用变时间步 长,起始时步长为0.1s,以后逐步增大到1s。蓄热燃烧采用引风机抽引烟气,因此用出口压 力作为边界条件,并考虑了流体流过蜂窝体蓄热室的压力降。结合工作实际,模拟中出口压力采用 工程实际的经验数。加热炉炉顶、炉底附近采用壁面函数,壁面内部无热源,温度变化由炉顶、炉 底材料的导热系数决定。3.3模拟结果及分析模拟结果如图1所示,根据结果可以对蓄热燃烧有 清楚的认识。烧嘴进口处炉子横截面上的气流速度分布,5s时钢坯下表面速度拓展面比30s时 小,而30s时钢坯上表面的速度随燃烧的进行最大速度面相对减小。表明燃烧推进速度比较快, 体现了蓄热燃烧的特点。还表明由于进口倾角的存在,沿钢坯表面速度偏差不是很大,这是钢坯加 热均匀的必要条件。图2为烧嘴进口处炉子横截面上燃烧产物质量浓度分布图,可知5s时处在燃 烧初期,燃烧产物质量浓度相对30s时小。随着时间的推进,燃烧进行的越来越充分,产物的质 量浓度增大。同时由于受到浮力的影响,钢坯的上方比下方质量浓度大,因而在工程实际中应考虑 钢坯上下方图1不同时间气流速度比较(上接第31页)图2不同时间燃烧产物质量浓度比较热量 分布。4结论(1)高炉煤气、空气双预热的蓄热燃烧技术已经能够满足轧前加热的实际需要,进 而达到节约能源的目的。(2)蓄热式加热炉炉压较大,因而蓄热式加热炉的结构形式应与传统加 热炉的结构形式有所不同。(3)蓄热燃烧技术中进口采用一定的倾角可以加大气体的紊流程度, 更好地体现蓄热燃烧的优点。(4)数值模拟可以为工程实际提供一定的基础数据,进而在工程实际中发现问题,可以通过数值模拟来把握方向,使数值模拟与工程实际有机地结合。蓄热式加热炉应用与热态模拟@谢国威$中钢集团鞍山热能研究院
@于宏$中钢集团鞍山热能研究院
@秦文$中钢集团鞍山热能研究院
@赵连刚$鞍山科技大学加热炉;;蓄热燃烧;;非稳态蓄热燃烧技术是目前较先进的节能技术,鞍 山热能研究院开发的蓄热燃烧系统,成功应用在加热炉上,本文对流体流动、燃烧和传热过程进行 了数值模拟,数值模拟结果与工程实际基本吻合。1萧泽强,古川邦夫.高温空气燃烧—新技术讲座.中国科学技术协会工程学会联合会,北京,1999
2李灿,唐文武等.高温空气燃烧技术在我国的应用现状与发展前景.冶金能源,2003,22(2):41～46
3OuJianping,HsiaoTechiang.InvestigationandAppli cationofHTACinChina.HTACG5:FifthInterna tionalSymposiumonHighTemperatureAirCombustion andGasification.Yokohama,28～30,Oct.,2002
4吴光亮,朱荣等.高温低氧燃烧(HTAC)中的反应工程问题.包头钢铁学院学报,2002,21(3):203～207
5于宏,黄恩民.HTAC技术的开发与应用.能源与热工2002学术年会论文集:454～45 6发的蓄热燃烧系统,成功应用在加热炉上,本文对流体流动、燃烧和传热过程进行了数值模拟, 数值模拟结果与工程实际基本吻合。1萧泽强,古川邦夫.高温空气燃烧—新技术讲座.中国科学技术协会工程学会联合会,北京,1999
2李灿,唐文武等.高温空气燃烧技术在我国的应用现状与发展前景.冶金能源,2003,22(2):41～46
3OuJianping,HsiaoTechiang.InvestigationandAppli cationofHTACinChina.HTACG5:FifthInterna tionalSymposiumonHighTemperatureAirCombustion andGasification.Yokohama,28～30,Oct.,2002
4吴光亮,朱荣等.高温低氧燃烧(HTAC)中的反应工程问题.包头钢铁学院学报,2002,21(3):203～207
5于宏,黄恩民.HTAC技术的开发与应用.能源与热工2002学术年会论文集:454～456
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