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    鞍鋼熱風爐冷風分配技術的研究

    鞍鋼熱風爐冷風分配技術的研究張胤賀友多李士琦沈頤身(包頭鋼鐵學院)(北京科技大學)況進行了模擬研宄。根據對現有設備存在的氣流在格子磚內分配不均勻情況,通過在支柱空腔內設置不同的水平和垂直導流板,使得氣流分配盡量均勻。作為一種可行性研宄,對現有單側冷風入口進行了雙側入口的模擬研究,研宄表明在現場條件允許的條件下,雙側入口明顯優于單側入口。

      1刖言高風溫是現代高爐生產的特點之一,提高熱風溫度能夠提高高爐的冶煉強度,進而提高產量,可通過補償物理熱加噴煤量,從兩層意義上降低焦比。提高熱風溫度的途徑從理論上講有多種。常見的有:通過提高熱風爐燒爐煤氣的熱值來提高熱風爐的燃燒溫度;改進燃燒器的設計,減少空氣過剩系數來提高理論燃燒溫度。這兩種途徑都是通過提高熱風爐的*高送風溫度來提高平均溫度。另一類方法是不提高*高熱風的溫度,而是延長*高送風溫度的使用時間,進而提高熱風的平均使用溫度。這種方法主要通過提高熱風爐的有效蓄熱面積來實現。但通過加熱風爐格子磚的加熱面積來加有效蓄熱面積所加的投資費用是巨大的。對于新設計或己建成的熱風爐,可通過對設備進行適當優化設計,進而提高格子磚的有效加熱面積來實現高風溫。國內外在這方面的研究日益多。國外以荷蘭胡格溫斯公司為代表在燃燒器的優化設計方面做了大量的研究工作,取得了多項研究成果,開發了幾種各有特色的陶瓷燃燒器來提高熱風溫度。國內武漢鋼鐵設計研究院開展了這方面的多項研究工作,在各大鋼鐵公司取得了顯著的經濟效益所介紹的方法。所有上述方程的計算已實現了軟件化,全部處理過程已形成獨立的三維流場計算機軟件包。應用該軟件對熱風爐內的氣流分布進行模擬研究,進而確定出優化設計方案。

      3模擬研究條件鞍鋼4號高爐熱風爐的基本情況如下,熱風爐內徑6.632m、高度40m,蓄熱面積25.7m2、燃燒室外徑3.45m、支柱空腔內有18根支柱、支柱直徑0. 105m,冷風管道直徑1. 1m、風量2200m3/min、冷風管道入口與熱風爐軸線夾角50°。熱風爐水平截面布置及其網格劃分如所示,其中支柱截面按面積折算為正方形,圖中數字為支柱標號。

      4模擬結果及討論由于格子磚內氣體不能互通,只要氣體進入格子磚即能全部通過格子磚,因而研究時只考慮氣流在支柱空腔內的流動,來考察氣體進入格子磚的均勻情況。應用計算機軟件模擬計算了幾種不同情況下空腔內的氣體分布。

      4.1原設計條件下支柱空腔內的氣流分布為了研究現有熱風爐格子磚的利用情況,首先模擬計算了原設計條件下的氣流分布,此時支柱空腔內氣流分布如所示,其中2―a為不同高度上的水平截面圖,k=2為底部。依次往上,冷風入口段為6 ~13,2―b為兩個方向上的垂直截面圖,圖中空白處為不可流通區域(包括支柱、燃燒室和壁面),氣體出口的氣量(即進入格子磚的氣量)如所示。

      從―a中可以看出,氣體從冷風管道進入熱風爐后,首先被支柱5進行一次分配,然后分成兩股氣流,其中左側氣流被支柱8進行二次分配,而右側氣流則被支柱6進行二次分配。這兩次氣流分配是*主要的,而其它支柱的分配作用相對弱得多?梢娭е陌才挪皇侨我獾,合理地安排支柱的位置本身即可起到分配氣流的作用,尤其是位于氣流主要流動方向上的支柱。氣流在整個空腔內由于支柱的作用分成若干支流,同時存在一些回流區。在入口氣流的兩側形成兩個很弱的小回流,同時在燃燒室兩側角部同樣存在這樣的區域。從―b上看,氣流進入格子磚時總體(b)垂直截面速度分布圖改進設計條件下熱風爐支柱空腔內氣流分布圖是向上流動,但在入口區上部由于氣流的巨大卷吸作用,形成一個較大的向下回流區,從中可以清楚地看出這個回流區的存在。另外由于支柱5的分配不合理使得右側流量偏多,而左側本身面積較右側大許多,流量明顯不足,這也是造成中右側角部氣量很大,而左側角部氣量很小的主要原因。

      根據以上結果和分析可以認為,原設計存在明顯的不足和缺陷,熱風爐內部氣流的分布存在很大的不均勻現象,無法充分發揮熱風爐的潛力。4.2加設水平和垂直導流裝置后的氣流分布為了合理地組織氣流的分布,進而使得進入格子磚內的氣量盡量均勻,模擬計算了加設各種不同位置、方向和大小的導流板進行氣流的強制分配。通過不同方案的組合,*后確定了一個較為合理的設計方案。即在入口處的上部加設1塊水平導流板,限制由于入口氣流的卷吸形成的回流,另在適當位置加設10塊垂直導流板,與各相臨支柱相結合,進行氣流的分配,可達到均勻氣流的作用。在這種設計方案下,模擬得到的氣流分布如所示,出口氣量如所示。

      一a顯示了入口氣流在支柱5和相聯接的垂直導流板共同作用下進行氣流的一次分配,這樣使得左側氣量明顯大于右側,起到了預期的作用。支柱8與相接的導流板以及支柱6與相接的導流板仍然承擔二次氣流的分配,與原來不同的僅是分配的比例不同而已。顯示了由于設置導流板使得出口氣流比原來均勻的情況,其中入口處的回流明顯減小,氣流分配不均勻的程度得到了改善。但可看出,即使設置了11塊導流板,氣流的分配仍然難以很均勻,這是由于熱風爐設計先天性的設計不足造成的。

      4.3雙側入口條件下的氣流分布為了探討合理的設計方案,從理論上研究了由單側入口改為雙側對稱入口情況下的氣流分布情況。具體方案為,保留原冷風入口,同時在其左側對稱位置上設計同樣尺寸的入口,入口風量平均分配。該設計只能在現場條件下允許的情況下實現,鞍鋼4號高爐熱風爐由于管道及空間布置困難無法實現該改進方案。

      計算得到的該設計條件下氣流分布如所示,其出口氣量如所示。

      從中看出,由于氣流從對稱的入口進入熱風爐,僅僅依靠支柱的分配作用基本能夠消除空腔內的弱流區,包括在單側入口時很難消除的角部弱流區。清楚地顯示了出口氣量的情況,除入口處由于卷吸引起的回流區外,各部分氣流要均勻得多,而且兩個回流區也比原來小許多。

      5結論通過對所研究熱風爐在幾種條件下的氣流分布進行研究,可以得出以下幾點結論:(1)原設計熱風爐存在明顯的氣流分布不均勻現象,造成熱風爐部分蓄熱面積的浪費,無法充分發揮格子磚的加熱能力。

      通過設置一定的導流板可以起到均勻氣流的作用,進而提高格子磚的利用率,對提高熱風爐的熱效率具有重要的意義。但也發現對于原設計的缺陷很難通過這樣的方法徹底改變。

      作為一種方案的選擇,如對現有熱風爐如果將單側入口改為雙側入口,氣流分布的不均勻性將得到很大的改善,建議在現場條件允許的情況下,盡量采用雙側入口的設計方案。

      通過研究發現熱風爐本身的支柱具有重要的氣流分配作用,設計合理的支柱排列方式對于均勻氣流具有不可替代的作用,建議設計部門在設計新的熱風爐時認真考慮支柱的排列問題。


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