专利名称：蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法
技术领域：
本发明涉及一种蓄热式烧嘴，具体是一种蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，属于冶金工业设备领域。
背景技术：
蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧技术，是20世纪90年代开始兴起的一项新型的燃烧技术，在我国钢铁行业中得到了大面积推广。该项燃烧技术主要利用高效蓄热体回收烟气中的余热，从而提高助燃空气的温度，使之达到800-1000°C，并将排烟温度降低到接近烟气露点。与传统助燃空气温度为400-500°C的燃烧系统相比，它极大地提高了能源利用率和燃烧效率。然而，蓄热式燃烧技术在具体应用时遇到了许多问题，特别是由于蓄热式烧嘴的设计不合理，经常造成燃料燃烧不充分、CO排放浓度过高等问题。因此，深入研究蓄热式烧嘴的燃烧性能，不论从节能降耗，还是环境保护等方面看，都有着重要的现实意义。蓄热式烧嘴的燃烧性能与其具体结构密切相关，目前工程设计中常用的一种改善烧嘴燃烧性能的方法是改变其助燃空气喷口与燃料喷口之间的角度。在对现有的技术文献检索后发现，丁翠娇等人在《工业炉》(丁翠娇，柳朝晖，王林，刘占增，宋中华，陈超.《工业炉》.2010年5月第32卷第3期第1-5页)发表了 “蓄热式燃烧器优化设计数值模拟”，该论文借助于计算流体动力学(CFD)软件分析了蓄热式烧嘴的关键结构——空气和燃料喷口距离及入射角度对燃烧性能的影响。论文中得出当烧嘴喷口间距小时喷口角度不宜过大， 否则会出现燃烧不完全现象；当烧嘴喷口间距过大时，喷口角度不能过大也不能过小，否则同样会出现燃烧不完全现象。然而对于最佳夹角的确定，该论文只是利用CFD软件对四种根据经验初选出来的喷口角度进行仿真，然后依据仿真结果从中优选出一个较好的夹角， 并没有提出通过CFD软件仿真分析直接寻优喷口角度的途径，根据经验初选喷口角度会有很大的不可靠性，有时会需要后续。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，该方法通过CFD软件仿真分析直接寻优喷口角度，并能保证烧嘴燃烧的完全程度，并降低CO排放浓度，且在优化时无需根据经验初选夹角。为实现上述目的，本发明所述的蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，包括步骤如下步骤1、利用CFD仿真得出原始设计烧嘴的燃料喷射路径上&的耗尽点距燃料喷口的距离L1，根据CAD图纸获得燃料喷口与助燃空气喷口间的距离M,然后根据下式计算出助燃空气喷口为对准A的耗尽点所需倾斜的角度θ ”以此作为夹角最优区域的下限；θ i = arctan (M/L)步骤2、利用CFD仿真得出原始设计烧嘴的助燃空气与原有炉气发生剧烈混合的湍流振荡区域的长度L2,根据CAD图纸获得燃料喷口与助燃空气喷口的距离M，然后根据下式计算出助燃空气在湍流振荡区域内恰好到达燃料喷射路径时助燃空气喷口所需倾斜的角度θ 2，以此作为夹角最优区域的上限；θ 2 = arctan (M/L2)步骤3、由以上两步所确定的夹角上、下限即确定夹角的最优区域为[θ” θ2]。上述步骤1中原始设计烧嘴燃料喷射路径上&耗尽点的具体确定方法为利用CFD软件仿真原始设计烧嘴的燃烧过程，得到烧嘴燃料中心线上CO与&的分布曲线，则CO浓度不再下降的点或O2浓度降为0的点(二者取离燃料喷口较近的一个) 即为O2耗尽点。上述步骤2中原始设计烧嘴助燃空气与原有炉气发生剧烈混合的湍流振荡区域的具体确定方法为利用CFD软件仿真原始设计烧嘴的燃烧过程，得到烧嘴助燃空气中心线上&的分布曲线，则A浓度发生振荡的区域即为原始设计烧嘴的湍流振荡区。与现有技术相比，本发明方法通过对原始设计烧嘴的三维计算流体动力学(CFD) 仿真结果进行详细的流场、浓度场分析来直接寻优喷口的角度，最终确定出喷口夹角的最优区域，且在优化时无需根据经验初选夹角，方便可靠。蓄热式烧嘴的喷口夹角只要落在由该优化方法所确定的最优区域内，便能保证烧嘴燃烧的完全程度，并降低CO排放浓度。
图1实施例蓄热式烧嘴物理模型示意图；其中1燃料喷口 ；2 —次风喷口 ；3 二次风喷口 ；图2实施例部分加热炉模型及重点考察区域示意图；图3实施例蓄热式烧嘴原始设计下燃料中心线上CO与&的分布；图4实施例蓄热式烧嘴二次风喷口倾斜上限角示意图(夹角为θ )；图5实施例蓄热式烧嘴原始设计下二次风中心线上&的分布；图6实施例蓄热式烧嘴二次风喷口倾斜下限角示意图(夹角为θ )；图7实施例蓄热式烧嘴烟气出口处CO摩尔分数与夹角的关系。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。以BLOOM公司FSB 1150-150型蓄热式烧嘴为例，通过本发明所述的优化方法确定此烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的最优区域。图1为蓄热式烧嘴的物理模型，由图可知此烧嘴的助燃空气分为一次风与二次风。由于此烧嘴的一次风量极小，因此在分析中只考察二次风，且优化的夹角也是烧嘴二次风喷口与燃料喷口间的夹角。图2为优化时采用的部分加热炉模型示意图，其中三条标注线是需重点考察的区域。蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法的步骤如下1、确定夹角最优区域的下限。原始设计烧嘴的燃料中心线上CO与&的分布见图3，其中横坐标0代表燃烧烧嘴的根部，12代表对侧排气烧嘴的根部。
沿燃料中心线的CO摩尔分数呈下降-稳定的趋势下降发生在距燃烧喷口约7m 的范围内，CO摩尔分数从35%降到1. % ；稳定发生在7m以远的范围，CO摩尔分数不再变化。沿燃料中心线A摩尔分数呈下降-上升-再下降的趋势下降是因火焰根部燃烧反应不断消耗一次风，且此时二次风尚未扩散至燃料中心线，这发生在距燃烧喷口约0. 5m范围内；上升是因二次风逐渐扩散至燃料中心线处，这发生在0. 5m到1.5m范围内；再下降是因随着反应的进行，扩散来的二次风被逐渐消耗，这发生在1. 5m以远的范围，而到7m左右时仏基本被耗尽。由以上分析可知燃料喷射路径上A的耗尽点距燃料喷口 7m，即L1 = 7m ；查阅此烧嘴的CAD图纸可知，燃料喷口与助燃空气喷口间的距离为0. 253m,即M = 0. 253。因此，最优区域下限 θ ！ = arctan(!/L1) = arctan(0. 253/7) = 2. 1°，如图 4 示。2、确定夹角最优区域的上限。原始设计烧嘴的二次风中心线上&的分布见图5，其中横坐标0代表燃烧烧嘴的根部，12代表对侧排气烧嘴的根部。沿上二次风中心线&摩尔分数呈震荡-快速下降-稳定的趋势震荡是因为二次风高速喷出后与原有炉气发生剧烈碰撞、混合，逐渐形成混合二次风，这发生在距燃烧喷口约0. 5m范围内，属于湍流振荡区域；快速下降是因混合二次风不断向四周低化区扩散，这发生在0. 5m到1.5m范围内；稳定是因混合二次风与周围炉气的成分达到平衡，这发生在 1.5m以远的范围内。下二次风中心线的&摩尔分数分布与上二次风中心线基本相同，不再赘述。由以上分析可知，上、下二次风的湍流振荡区域均在距喷口 0. 5m的范围，即L2 = 0. 5m ；查阅此烧嘴的CAD图纸可知，燃料喷口与助燃空气喷口间的距离为0. 253m,即M = 0. 253。因此，最优区域下限 θ 2 = arctan(M/L2) = arctan(0. 253/7) = 27°，如图 6 示。3、夹角最优区域。由以上分析可知下限角为2.1°，上限角为27°，故夹角最优区域为[2.1°， 27° ]。为证明由本发明所述的优化方法所确定的夹角最优区域的合理性，下面给出喷口夹角在，45° ]区间变化时烧嘴燃烧情况的仿真结果，见图7。由图7可知烧嘴烟气出口 CO的摩尔分数与夹角呈类抛物线关系，当夹角较小时 CO摩尔分数随夹角的增大而减小，当夹角超过一定角度后CO摩尔分数随夹角的增大反而增大，而由本发明优化方法所确定的最优区域恰好分布在转折角度的两侧。而且从图中可看出，当喷口夹角落在最优区域时，蓄热式烧嘴的CO排放浓度较小，燃烧较完全。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，其特征是步骤如下步骤1、利用CFD仿真得出原始设计烧嘴的燃料喷射路径上A的耗尽点距燃料喷口的距离L1，根据CAD图纸获得燃料喷口与助燃空气喷口间的距离M，然后根据下式计算出助燃空气喷口为对准A的耗尽点所需倾斜的角度θ ”以此作为夹角最优区域的下限；θ J = arctan (M/L》步骤2、利用CFD仿真得出原始设计烧嘴的助燃空气与原有炉气发生剧烈混合的湍流振荡区域的长度L2,根据CAD图纸获得燃料喷口与助燃空气喷口的距离M,然后根据下式计算出助燃空气在湍流振荡区域内恰好到达燃料喷射路径时助燃空气喷口所需倾斜的角度 θ 2，以此作为夹角最优区域的上限；θ 2 = arctan (M/L2)步骤3、由以上两步所确定的夹角上、下限即确定夹角的最优区域为[θ” θ2]。
2.根据权利要求1所述的蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，其特征是原始设计烧嘴燃料喷射路径上A耗尽点的确定方法是利用CFD软件仿真原始设计烧嘴的燃烧过程，得到烧嘴燃料中心线上CO与O2的分布曲线，则CO浓度不再下降即开始稳定的点或化浓度降为0的点即为&耗尽点。
3.根据权利要求2所述的蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，其特征是所述CO浓度不再下降的点、O2浓度降为0的点，这两者中取离燃料喷口较近的一个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，其特征是原始设计烧嘴助燃空气与原有炉气发生剧烈混合的湍流振荡区域的确定方法是利用CFD软件仿真原始设计烧嘴的燃烧过程，得到烧嘴助燃空气中心线上& 的分布曲线，则A浓度发生振荡的区域即为原始设计烧嘴的湍流振荡区。
全文摘要
本发明涉及一种冶金工业设备领域的蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法，该方法通过对原始设计烧嘴的三维计算流体动力学CFD仿真结果进行详细的流场、浓度场分析来直接寻优烧嘴喷口的夹角，最终确定出喷口夹角的最优区域。本发明通过CFD软件仿真分析直接寻优喷口角度，可以保证烧嘴燃烧的完全程度，并降低CO排放浓度。
文档编号F23D17/00GK102425795SQ20111038266
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者吕立华, 张善伟, 徐亮, 李林涛, 杜斌, 袁景淇 申请人:上海交通大学