專利名稱：蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蓄熱式燒嘴，具體是一種蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，屬于冶金工業(yè)設備領域。
背景技術：
蓄熱式燃燒技術，又稱高溫空氣燃燒技術，是20世紀90年代開始興起的一項新型的燃燒技術，在我國鋼鐵行業(yè)中得到了大面積推廣。該項燃燒技術主要利用高效蓄熱體回收煙氣中的余熱，從而提高助燃空氣的溫度，使之達到800-1000°C，并將排煙溫度降低到接近煙氣露點。與傳統(tǒng)助燃空氣溫度為400-500°C的燃燒系統(tǒng)相比，它極大地提高了能源利用率和燃燒效率。然而，蓄熱式燃燒技術在具體應用時遇到了許多問題，特別是由于蓄熱式燒嘴的設計不合理，經(jīng)常造成燃料燃燒不充分、CO排放濃度過高等問題。因此，深入研究蓄熱式燒嘴的燃燒性能，不論從節(jié)能降耗，還是環(huán)境保護等方面看，都有著重要的現(xiàn)實意義。蓄熱式燒嘴的燃燒性能與其具體結(jié)構(gòu)密切相關，目前工程設計中常用的一種改善燒嘴燃燒性能的方法是改變其助燃空氣噴口與燃料噴口之間的角度。在對現(xiàn)有的技術文獻檢索后發(fā)現(xiàn)，丁翠嬌等人在《工業(yè)爐》(丁翠嬌，柳朝暉，王林，劉占增，宋中華，陳超.《工業(yè)爐》.2010年5月第32卷第3期第1-5頁)發(fā)表了 “蓄熱式燃燒器優(yōu)化設計數(shù)值模擬”，該論文借助于計算流體動力學(CFD)軟件分析了蓄熱式燒嘴的關鍵結(jié)構(gòu)——空氣和燃料噴口距離及入射角度對燃燒性能的影響。論文中得出當燒嘴噴口間距小時噴口角度不宜過大， 否則會出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象；當燒嘴噴口間距過大時，噴口角度不能過大也不能過小，否則同樣會出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象。然而對于最佳夾角的確定，該論文只是利用CFD軟件對四種根據(jù)經(jīng)驗初選出來的噴口角度進行仿真，然后依據(jù)仿真結(jié)果從中優(yōu)選出一個較好的夾角， 并沒有提出通過CFD軟件仿真分析直接尋優(yōu)噴口角度的途徑，根據(jù)經(jīng)驗初選噴口角度會有很大的不可靠性，有時會需要后續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，該方法通過CFD軟件仿真分析直接尋優(yōu)噴口角度，并能保證燒嘴燃燒的完全程度，并降低CO排放濃度，且在優(yōu)化時無需根據(jù)經(jīng)驗初選夾角。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，包括步驟如下步驟1、利用CFD仿真得出原始設計燒嘴的燃料噴射路徑上&的耗盡點距燃料噴口的距離L1，根據(jù)CAD圖紙獲得燃料噴口與助燃空氣噴口間的距離M,然后根據(jù)下式計算出助燃空氣噴口為對準A的耗盡點所需傾斜的角度θ ”以此作為夾角最優(yōu)區(qū)域的下限；θ i = arctan (M/L)步驟2、利用CFD仿真得出原始設計燒嘴的助燃空氣與原有爐氣發(fā)生劇烈混合的湍流振蕩區(qū)域的長度L2,根據(jù)CAD圖紙獲得燃料噴口與助燃空氣噴口的距離M，然后根據(jù)下式計算出助燃空氣在湍流振蕩區(qū)域內(nèi)恰好到達燃料噴射路徑時助燃空氣噴口所需傾斜的角度θ 2，以此作為夾角最優(yōu)區(qū)域的上限；θ 2 = arctan (M/L2)步驟3、由以上兩步所確定的夾角上、下限即確定夾角的最優(yōu)區(qū)域為[θ” θ2]。上述步驟1中原始設計燒嘴燃料噴射路徑上&耗盡點的具體確定方法為利用CFD軟件仿真原始設計燒嘴的燃燒過程，得到燒嘴燃料中心線上CO與&的分布曲線，則CO濃度不再下降的點或O2濃度降為0的點(二者取離燃料噴口較近的一個) 即為O2耗盡點。上述步驟2中原始設計燒嘴助燃空氣與原有爐氣發(fā)生劇烈混合的湍流振蕩區(qū)域的具體確定方法為利用CFD軟件仿真原始設計燒嘴的燃燒過程，得到燒嘴助燃空氣中心線上&的分布曲線，則A濃度發(fā)生振蕩的區(qū)域即為原始設計燒嘴的湍流振蕩區(qū)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明方法通過對原始設計燒嘴的三維計算流體動力學(CFD) 仿真結(jié)果進行詳細的流場、濃度場分析來直接尋優(yōu)噴口的角度，最終確定出噴口夾角的最優(yōu)區(qū)域，且在優(yōu)化時無需根據(jù)經(jīng)驗初選夾角，方便可靠。蓄熱式燒嘴的噴口夾角只要落在由該優(yōu)化方法所確定的最優(yōu)區(qū)域內(nèi)，便能保證燒嘴燃燒的完全程度，并降低CO排放濃度。


圖1實施例蓄熱式燒嘴物理模型示意圖；其中1燃料噴口 ；2 —次風噴口 ；3 二次風噴口 ；圖2實施例部分加熱爐模型及重點考察區(qū)域示意圖；圖3實施例蓄熱式燒嘴原始設計下燃料中心線上CO與&的分布；圖4實施例蓄熱式燒嘴二次風噴口傾斜上限角示意圖(夾角為θ )；圖5實施例蓄熱式燒嘴原始設計下二次風中心線上&的分布；圖6實施例蓄熱式燒嘴二次風噴口傾斜下限角示意圖(夾角為θ )；圖7實施例蓄熱式燒嘴煙氣出口處CO摩爾分數(shù)與夾角的關系。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。以BLOOM公司FSB 1150-150型蓄熱式燒嘴為例，通過本發(fā)明所述的優(yōu)化方法確定此燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的最優(yōu)區(qū)域。圖1為蓄熱式燒嘴的物理模型，由圖可知此燒嘴的助燃空氣分為一次風與二次風。由于此燒嘴的一次風量極小，因此在分析中只考察二次風，且優(yōu)化的夾角也是燒嘴二次風噴口與燃料噴口間的夾角。圖2為優(yōu)化時采用的部分加熱爐模型示意圖，其中三條標注線是需重點考察的區(qū)域。蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法的步驟如下1、確定夾角最優(yōu)區(qū)域的下限。原始設計燒嘴的燃料中心線上CO與&的分布見圖3，其中橫坐標0代表燃燒燒嘴的根部，12代表對側(cè)排氣燒嘴的根部。
沿燃料中心線的CO摩爾分數(shù)呈下降-穩(wěn)定的趨勢下降發(fā)生在距燃燒噴口約7m 的范圍內(nèi)，CO摩爾分數(shù)從35%降到1. % ；穩(wěn)定發(fā)生在7m以遠的范圍，CO摩爾分數(shù)不再變化。沿燃料中心線A摩爾分數(shù)呈下降-上升-再下降的趨勢下降是因火焰根部燃燒反應不斷消耗一次風，且此時二次風尚未擴散至燃料中心線，這發(fā)生在距燃燒噴口約0. 5m范圍內(nèi)；上升是因二次風逐漸擴散至燃料中心線處，這發(fā)生在0. 5m到1.5m范圍內(nèi)；再下降是因隨著反應的進行，擴散來的二次風被逐漸消耗，這發(fā)生在1. 5m以遠的范圍，而到7m左右時仏基本被耗盡。由以上分析可知燃料噴射路徑上A的耗盡點距燃料噴口 7m，即L1 = 7m ；查閱此燒嘴的CAD圖紙可知，燃料噴口與助燃空氣噴口間的距離為0. 253m,即M = 0. 253。因此，最優(yōu)區(qū)域下限 θ ！ = arctan(!/L1) = arctan(0. 253/7) = 2. 1°，如圖 4 示。2、確定夾角最優(yōu)區(qū)域的上限。原始設計燒嘴的二次風中心線上&的分布見圖5，其中橫坐標0代表燃燒燒嘴的根部，12代表對側(cè)排氣燒嘴的根部。沿上二次風中心線&摩爾分數(shù)呈震蕩-快速下降-穩(wěn)定的趨勢震蕩是因為二次風高速噴出后與原有爐氣發(fā)生劇烈碰撞、混合，逐漸形成混合二次風，這發(fā)生在距燃燒噴口約0. 5m范圍內(nèi)，屬于湍流振蕩區(qū)域；快速下降是因混合二次風不斷向四周低化區(qū)擴散，這發(fā)生在0. 5m到1.5m范圍內(nèi)；穩(wěn)定是因混合二次風與周圍爐氣的成分達到平衡，這發(fā)生在 1.5m以遠的范圍內(nèi)。下二次風中心線的&摩爾分數(shù)分布與上二次風中心線基本相同，不再贅述。由以上分析可知，上、下二次風的湍流振蕩區(qū)域均在距噴口 0. 5m的范圍，即L2 = 0. 5m ；查閱此燒嘴的CAD圖紙可知，燃料噴口與助燃空氣噴口間的距離為0. 253m,即M = 0. 253。因此，最優(yōu)區(qū)域下限 θ 2 = arctan(M/L2) = arctan(0. 253/7) = 27°，如圖 6 示。3、夾角最優(yōu)區(qū)域。由以上分析可知下限角為2.1°，上限角為27°，故夾角最優(yōu)區(qū)域為[2.1°， 27° ]。為證明由本發(fā)明所述的優(yōu)化方法所確定的夾角最優(yōu)區(qū)域的合理性，下面給出噴口夾角在，45° ]區(qū)間變化時燒嘴燃燒情況的仿真結(jié)果，見圖7。由圖7可知燒嘴煙氣出口 CO的摩爾分數(shù)與夾角呈類拋物線關系，當夾角較小時 CO摩爾分數(shù)隨夾角的增大而減小，當夾角超過一定角度后CO摩爾分數(shù)隨夾角的增大反而增大，而由本發(fā)明優(yōu)化方法所確定的最優(yōu)區(qū)域恰好分布在轉(zhuǎn)折角度的兩側(cè)。而且從圖中可看出，當噴口夾角落在最優(yōu)區(qū)域時，蓄熱式燒嘴的CO排放濃度較小，燃燒較完全。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，其特征是步驟如下步驟1、利用CFD仿真得出原始設計燒嘴的燃料噴射路徑上A的耗盡點距燃料噴口的距離L1，根據(jù)CAD圖紙獲得燃料噴口與助燃空氣噴口間的距離M，然后根據(jù)下式計算出助燃空氣噴口為對準A的耗盡點所需傾斜的角度θ ”以此作為夾角最優(yōu)區(qū)域的下限；θ J = arctan (M/L》步驟2、利用CFD仿真得出原始設計燒嘴的助燃空氣與原有爐氣發(fā)生劇烈混合的湍流振蕩區(qū)域的長度L2,根據(jù)CAD圖紙獲得燃料噴口與助燃空氣噴口的距離M,然后根據(jù)下式計算出助燃空氣在湍流振蕩區(qū)域內(nèi)恰好到達燃料噴射路徑時助燃空氣噴口所需傾斜的角度 θ 2，以此作為夾角最優(yōu)區(qū)域的上限；θ 2 = arctan (M/L2)步驟3、由以上兩步所確定的夾角上、下限即確定夾角的最優(yōu)區(qū)域為[θ” θ2]。
2.根據(jù)權利要求1所述的蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，其特征是原始設計燒嘴燃料噴射路徑上A耗盡點的確定方法是利用CFD軟件仿真原始設計燒嘴的燃燒過程，得到燒嘴燃料中心線上CO與O2的分布曲線，則CO濃度不再下降即開始穩(wěn)定的點或化濃度降為0的點即為&耗盡點。
3.根據(jù)權利要求2所述的蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，其特征是所述CO濃度不再下降的點、O2濃度降為0的點，這兩者中取離燃料噴口較近的一個。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，其特征是原始設計燒嘴助燃空氣與原有爐氣發(fā)生劇烈混合的湍流振蕩區(qū)域的確定方法是利用CFD軟件仿真原始設計燒嘴的燃燒過程，得到燒嘴助燃空氣中心線上& 的分布曲線，則A濃度發(fā)生振蕩的區(qū)域即為原始設計燒嘴的湍流振蕩區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冶金工業(yè)設備領域的蓄熱式燒嘴助燃空氣噴口與燃料噴口間夾角的優(yōu)化方法，該方法通過對原始設計燒嘴的三維計算流體動力學CFD仿真結(jié)果進行詳細的流場、濃度場分析來直接尋優(yōu)燒嘴噴口的夾角，最終確定出噴口夾角的最優(yōu)區(qū)域。本發(fā)明通過CFD軟件仿真分析直接尋優(yōu)噴口角度，可以保證燒嘴燃燒的完全程度，并降低CO排放濃度。
文檔編號F23D17/00GK102425795SQ20111038266
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權日2011年11月25日
發(fā)明者呂立華, 張善偉, 徐亮, 李林濤, 杜斌, 袁景淇 申請人:上海交通大學