钢包烘烤器蓄热式改造的数值分析

郑丽君¹，  张国栋¹，  姜  威²，  刘  峰¹

(1．辽宁科技大学，辽宁鞍山114051；  2．本溪钢铁集团有限公司，辽宁本溪117000)

摘  要：利用数值模拟技术，针对本溪钢铁集团有限公司炼钢厂钢包车间烘烤器的蓄热式燃烧改造项目进行了数学模型试验研究。研究结果表明，钢包烘烤器的蓄热式燃烧改造与传统套管式烘烤设备相比更加高效节能环保，是一种可行的技术方案。

关键词：钢包烘烤器；数值模拟；蓄热式燃烧

随着对能源消耗和环境保护的重视，节能减排和资源环境问题已成为影响企业生存和发展的决定性因素，作为炼钢企业能源消耗设备之一的钢包烘烤器的结构类型、烘烤效率都将直接关系到炼钢企业的生产成本及钢水质量。本溪钢铁公司炼钢厂原有钢包烘烤器采用传统的套筒式烧嘴对钢包进行烘烤，由于设备老化、燃烧能力不足、烘烤时间长，已经不能满足生产要求，新建满足生产工艺的钢包烘烤器成为目前主要的工作重点。蓄热式钢包烘烤器采用蓄热燃烧技术，能最大限度地回收烟气余热、预热助燃空气、减少污染物排放，成为技术改造的首选方案。

由于钢包内有流体流动、燃料燃烧、传热等复杂物理过程，且其物理过程受钢包的尺寸、燃料特性、烧嘴的结构与布置等多个因素的影响，其内部的热工特性无法用简单的解析方法及试验方法进行描述，如何评价蓄热式钢包烘烤器改造方案的经济技术指标成为本项工作的技术难点^[1]。随着大型计算模拟商业软件的应用，数值模拟技术在企业的技术研发和方案制定过程中起到至关重要的作用，它能使人们更加深刻地理解问题产生的机理，节省所需的人力、物力和时间，并对实际问题起到很好的指导作用^[2]。本文利用数值模拟技术，针对原有的钢包烘烤器和改造的蓄热式钢包烘烤器进行对比模拟分析，对钢包烘烤器的技术改造具有一定的实际指导意义。

1  模型建立

1．1  物理模型

钢包烘烤器主要包括燃烧系统、控制系统及钢包盖机械结构。而数值仿真计算的区域为从烧嘴出口到钢包内部的全部空间，同时也包括包衬的耐火材料。由于计算的复杂性，需要对模型进行简化，忽略钢包不同高度处钢包耐火材料的材质和厚度的变化，将钢包的内衬按均一的材质和厚度进行处理，其他结构尺寸和参数与实际生产设备一致。模拟中计算模型的结构尺寸如图1所示，图中D为3648mm、H为4315mm、d为3314mm(其中钢包周围的内衬厚度为300mm、底部内衬厚度为400mm)；根据计算模型划分出的网格采用非结构块划分方法，在计算精度要求较高的地方采用了局部加密。钢包烘烤器的传统燃烧系统烧嘴布置图如图2所示，蓄热燃烧系统烧嘴布置图如图3所示。

1．2数学模型

模拟的热工过程是一个非常复杂的物理、化学过程，包内热源来自烧嘴供热，周围包衬的烘烤效果取决于包内有效工作区温度分布及包内热交换过程。数学模型由连续方程、动量方程和能量方程等基本方程组成^[3]。模拟过程中具体应用到的模型如下。

1．2．1  湍流模型

模型中选用标准k-ε模型，志方程是个精确方程，ε方程是个由经验公式导出的方程。k-ε模型假定流场完全是湍流，分子之间的黏性可以忽略^[4]。

湍流动能方程k：

式中：G_k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能；G_b是由浮力产生的湍流动能；Y_M是在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动；C₁、C₂、C₃是常量，通常从试验得出；σ_k和σ_ε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，S_k和S_ε是用户定义的。

1．2．2能量方程

模型选用的能量方程充分考虑包内的对流换热、辐射换热及耐火炉衬的导热问题，方程如下：

式中：E为能量；h为显焓；k_eff是有效热导率，方程右边括号中3项分别表示热传导、组分扩散和黏性扩散引起的能量转移。

在S_h项中求解的辐射方程为：

式中：r为位置向量；s为方向向量；s′为散射方向；s为沿程长度(行程长度)；a为吸收系数；n为折射系数；σ­_s为散射系数；σ为斯蒂芬一玻耳兹曼常数，5．672×10^-8W／(m²·K⁴)；，I为辐射强度，依赖于位置与方向；T为当地温度；Φ为相位函数；Ω′为空间立体角。

1．2．3燃烧模型

燃烧模型选择的是非预混燃烧模型。非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究，该方法允许预测中间组分、溶解效应和严格的紊流化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。

1．3模拟条件

    为了模拟结果的可比性，2种计算模型采用相同的边界条件和初始条件。模拟都采用非稳态模型，并且采用相同的迭代时间及迭代时间步长。入口边界条件采用压力入口边界条件，因为在模拟中入口处的压力、温度及物质属性都可以通过仪器及数学推导准确给出。出口边界条件采用压力出口边界条件，主要因为存在引风机，故出口的压力在解决流动问题之前是已知的。另外，模拟中的壁面为耐火包衬，其为非绝热壁面但密封良好，即在壁面处和外界无物质交换但有能量的交换。模拟初始条件为冷包状态，即包内温度为室温，炉内气压与当地气压相同。

2  计算结果与分析

2．1模拟结果与现象

模拟传统套筒式钢包烘烤器后可以得到在x=0、z=3m、z=1．5 m截面处的温度分布图，分别如图4、图5、图6所示，在x=0截面的速度矢量图如图7所示。

模拟蓄热式钢包烘烤器可以得到在x=0、z=3m、z=1．5m截面处的温度分布图，分别如图8、9、10所示，在z=0截面的速度矢量图如图11所示。

2．2模拟结果

1)观察速度分布，可以发现传统的燃烧方式烟气经底部折回后直接从包盖与包体的结合缝隙排放出，而蓄热燃烧由于存在强制排烟的作用，大部分烟气都从强制排烟口排出用来预热助燃空气，以此证明蓄热燃烧能充分利用烟气余热，提高燃料利用率。

2)观察烟气温度分布，可以发现2种燃烧方式烟气的温度场分布都不是很均匀，整体为下高上低的温度分布趋势。另外可以发现蓄热燃烧火焰的最高燃烧温度为1793．3 K，而传统燃烧方式的最高温度为1612．8K，两者温度相差180．5K。

3)观察耐火包衬的温度，可以发现耐火包衬的温度分布很不均匀，整体为上高下低的分布趋势；并且在同一高度处靠近烟气一侧温度高于远离烟气一侧温度，包衬温度的最低点都出现在包底的最外部。另外可以发现，蓄热燃烧包衬最高温度为1 276．71 K，最低温度为1 237．16K，相差29．55K；传统燃烧方式包衬的最高温度为1 264．99 K，最低温度为1175．19K，相差89．8K。

2．3模拟验证与结论

模拟的验证方法为向包内插入高温热电偶，利用辅助机械设备定位确定测量位置，通过PLC热电偶模块向上位机传递信号得到温度，同时采用多次测量平均取值方法减少测量误差。将测量数据和模拟数据进行比较，发现相同各点温度数值基本相近，温度分布趋势大致相同，其误差控制在10％之内。因此可以认为模拟结果能很好反映实际工作情况、真实可信。

通过模拟分析发现，蓄热燃烧最高燃烧温度比传统燃烧方式提高了180．5℃，烘烤包衬最高温度提高了11．72℃，最低温度提高了61．79℃，减小了平均温差60．25℃；而在实际生产过程中通过对2种燃烧方式煤气消耗量的对比，可以发现蓄热燃烧相对传统燃烧方式减少煤气消耗量近30％。因此可以认为蓄热燃烧方式燃烧温度更高，烘烤包衬温度更均匀，燃料利用率更高，同时由于该技术能充分利用烟气余热，减少燃料使用量，可以减少高温烟气的排放，降低环境污染。

3  结论

本文以150t钢包为物理计算原形，利用数值模拟软件对该问题完成了数值模拟分析，模拟结果能很好地反映烘烤器烘烤钢包包衬的物理化学过程，对实际问题的机制研究和应用研究具有很好的帮助和指导作用。同时通过方案对比得到蓄热式钢包烘烤器具有燃烧温度更高，烘烤包衬温度更均匀，充分利用烟气余热等优点，是一项适合冶金企业应用的技术方案。

参考文献：

[1]孟庆新．钢包外壁热像与内衬厚度之间关系的模拟研究[D]．武汉：武汉科技大学，2007．

[2]张凯举．钢铁冶金加热过程建模与综合优化控制方法的研究[D]．大连：大连理工大学。2004．

[3]周力行．湍流两相流动与燃烧的数值模拟[M]．北京：清华大学出版社，1991．

[4]Victor Yakhot，Leshe M s．The Renormalization Group，the ε-Expansion and Derivation of Turbulence Models[J]．J0urnal of Scientific Computing，1992，7(1)：41．