挡板宽度对热风炉生物质燃烧流动的数值模拟研究

生物质气化站，

摘要：针对某钢厂的热风炉矩形喷口生物质燃烧机进行了数值模拟研究，主要考察了不同挡板宽度对管道内流场、燃烧室内流场、出口速度均匀性的影响。结果发现空气在管道内的速度分布不均匀，管道两边的速度比中间大；生物质燃烧机内速度的分布都呈现出两边大中间小的情况，但是随着挡板宽度的增加，挡板边缘气流减弱，中间的气流流速会增加；出口速度的均匀性随着挡板宽度增加而提高，与实验结果对比，误差在1%内。

    离炉热风炉是高炉生产的重要设备，它提供给高炉的热量大约占有整个炼铁生产流程能耗的四分之一，并且它使用400x)的高炉产生的煤气，又随着现在钢铁行业的能耗越来越大，所以提高热风炉热效率对于降低能源的消耗量有重要的意义。通过热风炉生物质燃烧机冷态试验研究了管道内的阻力损失，利用热力学分析方法，对生物质燃烧机燃烧性能做了评价。赵治国，李文忠等[，]在鞍钢大型热态试验台上对燃烧器做了相关的热态试验研究，主要考察了燃烧强度，火焰稳定性、长度及着火蠃位置等。

    近年来随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术在工程技术中充当的角色越来越重要[4-7]，数值模拟具有方便、投资小、没有试验研究中测量误差的问题等优点。针对热风炉生物质燃烧机，管道内有无导流砖对燃烧室至蓄热室之间的流场特性做了研究，得到了此空间内的流场分布。结果表明有导流砖可以较好地解决偏流问题。数值模拟的研究集中在不同结构生物质燃烧机内流场的分布。

    针对某钢厂热风炉矩形喷口生物质燃烧机的挡板宽度对流动的影响进行了数值模拟研究，主要考察了不同挡板宽度对管道，生物质燃烧机内部，生物质燃烧机出口的影响，并与试验结果进行了对比，模拟结果与实验结果误差在lo/,以内。

1  物理数学模型

    根据某钢铁厂提供的图纸得知：实验模型生物质燃烧机喷口长600mrri，宽90 mm，高1560mrri，煤气管直径280 mm;支持砖长150 mm，宽97 mm，四角的1/4圆弧半径30 mm;扰流体支持上口宽7 mm，底部半圆半径48 mm，扰流体总高199 mm;武钢设计研究院所要求的就是挡板所留缝隙的大小对出口速度场均匀性的影响，所以风管肉部的结构、出口附近的扰流体支撑现状位置都不改变。

1.1  实体模型的建立

    如图1所示，空气自左边的入口处进入管道，在管道之中自左向右流动，在经过弯道的时候，会出现局部低压区、漩涡、回流，这些都会严重影响空煤气的速度均匀性，进而影响生物质燃烧机出口处的气体，导致出口气流速度分布不均匀，燃烧不充分，CO含量过高，排出的废气影响环境，也达不到工业要求的燃烧温度，而且在局部过氧地方温度过高，也影响生物质燃烧机的寿命，严重时会损害喷嘴。

    为解决上述问题，在弯道尽头处放置一块挡板，挡板示意图如图2所示，降低管轴附近的速度，以减小和壁面附近的速度差，增加速度的均匀性。两边挡板的度都是320 mm，底部的通风口的宽度是600 mm，为了验证实验找出的挡板的宽度，建立了9个模型，各模型挡板宽度见表1。

1.2网格划分

    对网格的划分，是本模拟最困难的部分，具体做法是：将模型切割为八个体，通风管道成为三个体，放置挡板的地方设置为一个大体，上面的通风管道由于有小部件雨滴形支撑，所以把它划分为四个体。网格划分结构如图3所示。在画网格时，先画线网格，用线网格生成面网格，再用面网格生成体网格，对导流板位置和雨滴形支撑部位加密划分网格；对包括导流板的那个体根据需要再会进行细划分，把它划分为更多的小体，以***计算的精度。在网格的划分确保参数的设定，以使得在小部件或是转弯处的流曲率小于0.97，***得到的网格数分别如表2所示。

1.3边界条件的设定

    热风炉陶瓷生物质燃烧机边界条件的设置如下：

    (1)冷态管道进口面是空气流速进口的边界条件，先假设在入口出空气流速分布均匀；常温空气进口为质量流量进口条件，气体流速为22.6 m/s。

    (2)矩形喷口的边界条件是压力出口条件，由于空气在离开出口截面一段距离之后还是保持原来的流动参数，也就是说空气是自由发展流动，因此出口压力为大气压，约为101 325 Pa。

    (3)管道内流动是湍流，在选择湍流模型之后，要对管道进口的耗散率￡和当量直径进行设定，耗散率设定为5%，当量直径为管道直径：280 mm。表2模拟网格数

    (4)流体是常温空气，在流动中与外界没有任何的传热，所以壁面为绝热条件。

    (5)管道壁面设定为无滑移速度边界条件，也就是沿着壁面和法线方向的流体速度都是零，管道壁不可渗透，那么在面上的流量为零。

2  计算结果及分析

2.1挡板宽度为600 mm的速度分布

    可以看出空气在流出管道的速度分布相当不均匀，管道两边的速度比中间大，而且紧贴管道壁面右边的速度比左边大。那是因为管道有两个弯道，因为弯道的存在导致流速的偏移，那么出口流速就显示的不均匀。从图4(b)可以计算出口截面上的面积加权平均速度和质量加权平均速度分别为：26.502，27.877 m/s。生物质燃烧机出口截面上的空气流速分布不均匀，在轴心两边有速度的波峰值边紧贴壁面处速度，从壁面往轴心处，速度先是逐渐变小，然后再变大并且生物质燃烧机出口截面上的空气流速几乎是对称分布，在调节左右间隙时，可以保持左右缝隙相等。

2.2不同挡板宽度对流场影响

    为了更好地了解生物质燃烧机内部流场的分布，对燃烧器内部流场进行了研究。如图5所示，是不同挡板宽度下燃烧室内部5 mm处，内部速度分布云图。

    在不同挡板宽度下有一个类似的规律，即在挡板的前面有一个低速区，体现了挡板的阻流及弱化速度集中的作用。从图5申可以看出速度的分布都呈现出两边大中间小的现象，但是随着挡板宽度的增加，挡板边缘气流减弱，中间的气流流速会增加。在挡板支撑物和雨滴形固定物附近会产生局部的低速度区域，主要是由于扰流部件的扰流作用，随着挡板宽度的增加，在挡板***个面的流动速度均匀性越来越好。

2.3  出口截面的速度分布结果

    为了考察生物质燃烧机出口速度分布及均匀性，对出口处流场做了研究如图5所示，出口处速度分布云图。

    为了量化出口均匀性的变化，在模拟软件里将每个模型的出口截面的质量加权平均速度和面积加权平均速度导出，见表3，以计算出口气体速度均匀性。

    速度均匀性指数表征了速度分布均匀性程度，均匀性指数计算公式如式(1)所示：

    从图5和图6可以看出，出口速度场的分布大都是轴对称分布，而且每个模型的近壁面处气体流速大于中间流速。随着挡板宽度变小，缝隙变大，中间气体的流动速度与紧贴壁面两边的流动速度差值越来越小。在挡板宽度为600 mm的情况下，中间会有两个速度的不同挡板宽度下生物质燃烧机内流场分市波峰值；但是随着挡板所留缝隙越来越大，中间速度波峰会逐渐消失，以至于轴心附近很大一块区域速度几乎一样。从图6可以看出随着挡板宽度的加大出口截面流速分布均匀性提高。

    为了验证模拟的准确性，把模拟结果与冷态试验结果进行了对比，如图7～图8所示，结果显示模拟结果与实验结果一致，在挡板宽度为320 mm的情况下，气体流速均匀性。根据计算，挡板宽度为600 mm的情况下，均匀性从95.27%增加到97.14%。在对比实验均匀性结果时，均匀性指标的相对误差保持在lo/,。说明建立的模型是合理的，能用该模型研究燃烧器出口流速均匀性的问题，同时，也验证了实验结果的准确性。

3  结  论

    采用数值模拟的方法对热风炉矩形喷口生物质燃烧机内部流场进行了研究，结论如下：

    (1)在炉膛的纵切面中，紧贴壁面的气体流速比中间的大，而且在雨滴形支撑和挡板支撑物的附近会有低速区。

    (2)生物质燃烧机出口截面气体速度分布图的中间有两个速度波峰值，速度值都是坐落在紧贴壁面的附近。

    (3)随着挡板宽度的减小，轴心附近的速度波峰值会逐渐消失。

    (4)对同样的挡板，流量越小，空气流动越均匀。

    (5)在炉膛内部流动截面图、生物质燃烧机出口速度分布图以及基于质量和面积的速度加权值的均匀性指标都明显的显示出左右挡板宽度为320 mm时，气流均匀性，均匀性指标达到97.140A。

    (6)与实验均匀性结果对比，模拟得到的均匀性指标的相对误差保持在10以内。

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