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高温空气燃烧技术在冶金热工设备上的应用及数值仿真和优化研究

欧俭平  
【摘要】:高温空气燃烧是燃烧学和热工领域的一项重要技术革新,研究高温空气燃烧过程及其在冶金工业炉窑中的热工特性,对于进一步发展高温空气燃烧技术的理论和应用具有重要意义。 本文对高温空气燃烧技术的发展、计算流体力学的理论和燃烧过程数值模拟方法的研究和应用状态进行分析,针对高温空气燃烧的基本特征,采用工业应用现场研究和CFD数值模拟相结合的方法,研究了高温空气燃烧过程特点及其在钢包烘烤和轧钢加热炉中的流体流动、燃烧、传热等全过程。主要研究内容和特点包括: (1) 详细地阐述了高温空气燃烧技术的基本原理、主要特点、研发现状及存在的问题;研究了高温低氧空气的获得方法、燃料在高温低氧条件下的燃烧特征及其高效加热性能。 (2) 系统地归纳了钢包的工作条件及其烘烤技术的发展,分别以采用空气-煤气双预热和采用空气单预热的HTAC钢包烘烤器为对象,对高温空气燃烧技术在钢包烘烤中的应用进行了较全面的现场研究,开发了一套安全、可行的钢包烘烤现场研究方法,并在生产现场成功实施。 (3) 基于商业软件CFX4.3,建立了具有多入口、多出口的三维非稳态高温空气燃烧过程的数值仿真系统,通过数值模拟对两种不同类型HTAC钢包烘烤器的加热均匀性及钢包内高温低氧燃烧特性进行分析,研究了预热温度、气体流量等操作参数对炉内燃烧状况的影响,并用试验结果对数值模拟研究进行验证,分析了误差产生的原因。 (4) 通过对唐钢160吨钢包蓄热式烘烤器的数值优化研究,获得了空气与燃气喷嘴的间距以及射流入口与烟气出口的相对位置对进口、出口同侧布置的钢包烘烤型燃烧室内气体温度场、氧气浓度场以及NOx排放量的影响。 (5) 对高温空气换向燃烧的非稳态过程进行数值研究,获得了反映换向过程燃烧特征的大量可视化信息,丰富了对高温空气燃烧过程的认识,对简化高温空气换向燃烧的数值模拟提供了参考。 (6) 对同一HTAC装置的燃料适应性进行数值模拟实验研究,分析了几种不同的燃料组分和热值对钢包内温度场和NOx排放的影响。具有不同成分和热值的燃料在高温空气中燃烧的火焰峰值温度、火焰长度和形


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