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卡鲁金热风炉结构与操作优化降耗节能数值模拟研究

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卡鲁金热风炉结构与操作优化降耗节能数值模拟研究

作者：许智钦辽宁科技大学

学位级别：硕士

相较于其它类型的热风炉,卡鲁金顶燃式热风炉有着较大的蓄热面积、合理对称的结构、传热均匀、热效率高等特点,因而在国内外得到了钢铁行业的认可和广泛应用。其旋流燃烧方式使煤气和助燃空气得到充分混合,燃烧更加完全,产生更高温度的... 详细信息

相较于其它类型的热风炉,卡鲁金顶燃式热风炉有着较大的蓄热面积、合理对称的结构、传热均匀、热效率高等特点,因而在国内外得到了钢铁行业的认可和广泛应用。其旋流燃烧方式使煤气和助燃空气得到充分混合,燃烧更加完全,产生更高温度的烟气。然而,文献报导的大量数值模拟研究结果表明,燃烧产生的高温烟气在卡鲁金顶燃式热风炉燃烧室内形成一个旋转的涡环。正是这个旋转涡环的存在阻碍了相当一部分高温烟气直接流入蓄热室。如果能在燃烧室下部消除涡环或者促使涡环上移,就能使更多的高温烟气直接流入蓄热室加热格子砖,而不参与涡环内的循环流动,从而进一步提高热风炉的热效率。因此,为了充分发掘卡鲁金热风炉能效提高的潜力,本文以某钢厂卡鲁金顶燃式热风炉为研究对象,提出在热风炉内蓄热室上方一定高度安装“米”字形导流挡墙来控制涡环,并且运用CFD数值模拟的方法对导流挡墙的结构和尺寸进行优化,以达到最大限度地使高温烟气直接流入蓄热室加热格子砖并提高烟气与格子砖换热效率的目的。此外,在确定导流效果最佳挡墙结构尺寸的基础上,本文还通过调节助燃空气预热温度进行热风炉操作的优化,实现在保持或提高热风温度的同时减少煤气消耗,从而达到节能减排降耗的目的。为了提高模拟计算的效率,本文分别建立了带有“米”字形导流挡墙的卡鲁金热风炉整体三维稳定态CFD模型和蓄热室格子砖单孔道二维非稳定态CFD模型。前者用来快速预测燃烧期流入蓄热室不同区域高温烟气的平均温度和平均质量流量;以此作为后者的入口边界条件,后者用来对格子砖的瞬态加热（燃烧期）和冷却（送风期）过程进行快速模拟。以此方式将两个模型相结合循环交替运行,本文实现了对所研究的卡鲁金热风炉连续多个操作周期（燃烧期和送风期）的高效率数值模拟。此外,考虑到从蓄热室顶面流入格子砖的烟气温度分布不均匀的情况,本文根据蓄热室顶面的温度分布特征将蓄热室分为五个温度区域,分别对每个区域进行模拟计算,预测热风炉各个周期蓄热室内部在不同温度区域的气体（烟气和冷空气）与格子砖之间的热能传递情况,从而更为精准地预测热风炉出口热风温度随时间的变化规律。本文的数值模拟结果表明:（1）与传统的（无导流挡墙）卡鲁金热风炉相比较,挡墙的存在促使燃烧室内涡环上移,提高了烟气进入蓄热室的温度,从而提高了烟气与蓄热室格子砖换热效率。当挡墙安装高度h为0.3m和挡墙自身高度h为0.8m时,流入蓄热室的烟气平均温度最高可达到1362℃,因此认为该挡墙结构导流效果最佳。（2）在此最佳导流效果挡墙结构的基础上,当保持煤气流量为100000Nm/h,助燃空气流量为65000Nm/h不变时,通过调整助燃空气的预热温度进而优化热风炉操作。模拟结果表明,随着助燃空气预热温度的升高,燃烧期流入蓄热室的烟气温度也升高,因而在送风期热风温度亦得到升高;当助燃空气温度为230℃以上时,流入蓄热室的烟气平均温度高达1368℃,从而在送风期可获得温度在1200℃以上的热风。

关键词：卡鲁金热风炉导流挡墙数值模拟热风温度降耗节能

卡鲁金热风炉预燃室和拱顶内燃烧过程的数值模拟研究

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设计技术 2008年第3期 1-11页

作者：李学华

应用湍流扩散火焰的k-ε-g模型，对卡鲁金热风炉预燃室和拱顶内的燃烧过程进行数值模拟，得到了预燃室和拱项内的流场、燃烧的火焰分布、温度场和各气体组分的浓度分布。

关键词：卡鲁金热风炉燃烧过程数值模拟预燃室拱顶湍流扩散火焰 k-ε-g模型浓度分布

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济钢卡鲁金热风炉热平衡测试

炼铁 2005年第3期24卷 27-28页

作者：张炳哲于帆张欣欣焦吉成苏秀梅北京科技大学机械工程学院热能工程系工程师100083 北京科技大学济南钢铁集团总公司

对济钢卡鲁金热风炉进行了热平衡测试,包括热风炉顶部燃烧室出口温度、压力、CO与O2浓度的测试和热平衡测试两部分内容。结果表明,卡鲁金热风炉燃烧室出口截面上烟气温度和压力分布均匀,高炉煤气燃烧完全,拱顶温度低,热效率高。

关键词：卡鲁金热风炉热平衡热诊断热测试

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首秦卡鲁金热风炉热风管道系统维护实践

炼铁 2012年第1期31卷 38-41页

作者：丁汝才温太阳秦皇岛首秦金属材料有限公司

阐述了首秦2号高炉卡鲁金热风炉热风管道系统长寿维护实践过程。通过热风支管三通部位实施整体浇注施工,更换2号热风支管波纹补偿器内砖衬等施工方法,有效降低了外围炉壳的温度;分析了管道系统内衬破损原因,并提出了改进建议;同时结合经... 详细信息

阐述了首秦2号高炉卡鲁金热风炉热风管道系统长寿维护实践过程。通过热风支管三通部位实施整体浇注施工,更换2号热风支管波纹补偿器内砖衬等施工方法,有效降低了外围炉壳的温度;分析了管道系统内衬破损原因,并提出了改进建议;同时结合经验,提出了热风系统检修维护方法和耐火材料的品种的选择。

关键词：卡鲁金热风炉检修维护耐火材料

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卡鲁金热风炉流场特性冷态实验研究

工业炉 2010年第3期32卷 6-9页

作者：杨成尹国亮张正荣张少强刘加庆重庆大学材料科学与工程学院

通过冷态模拟实验,研究了卡鲁金热风炉喉口至蓄热室间的流场特性、喷口流体的均匀性及蓄热室格子砖阻力特性对流场的影响。结果表明:卡鲁金热风炉流场均匀、稳定、对称性好,空、煤气喷口气流分布比较均匀。在空、煤气分别单吹的情况下,... 详细信息

通过冷态模拟实验,研究了卡鲁金热风炉喉口至蓄热室间的流场特性、喷口流体的均匀性及蓄热室格子砖阻力特性对流场的影响。结果表明:卡鲁金热风炉流场均匀、稳定、对称性好,空、煤气喷口气流分布比较均匀。在空、煤气分别单吹的情况下,空气喷口的均匀度达到90%以上,煤气喷口的均匀度也接近90%。蓄热室格子砖阻力分布均匀与否对蓄热室流场无明显影响。

关键词：卡鲁金热风炉冷态实验流场

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卡鲁金热风炉流场特性研究

工业炉 2015年第2期37卷 1-3页

作者：岳林伍成波张江斌吴乾江重庆大学材料科学与工程学院

通过冷态模拟实验研究了卡鲁金热风炉空、煤气喷吹时,喷口断面气流分布的均匀性及喉口至蓄热室出口之间的流场特性。结果表明:卡鲁金热风炉流场分布比较均匀;不同工况条件下,热风炉喉口至燃烧室出口之间各断面速度分布规律大致相同,且... 详细信息

通过冷态模拟实验研究了卡鲁金热风炉空、煤气喷吹时,喷口断面气流分布的均匀性及喉口至蓄热室出口之间的流场特性。结果表明:卡鲁金热风炉流场分布比较均匀;不同工况条件下,热风炉喉口至燃烧室出口之间各断面速度分布规律大致相同,且流量对流场的分布没有显著影响。

关键词：卡鲁金热风炉冷态实验流场

卡鲁金顶燃式热风炉结构优化节能CFD数值模拟研究

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卡鲁金顶燃式热风炉结构优化节能CFD数值模拟研究

作者：杨鑫莹辽宁科技大学

学位级别：硕士

热风炉作为高炉炼铁工艺中不可或缺的重要设备之一,其热工性能的好坏直接影响到炼铁工艺中生铁的产量和质量。这就要求热风炉在送风过程中达到节约能源和降低炼铁能耗的同时也要更好的实现高风温操作。其中卡鲁金顶燃式热风炉因送风温... 详细信息

热风炉作为高炉炼铁工艺中不可或缺的重要设备之一,其热工性能的好坏直接影响到炼铁工艺中生铁的产量和质量。这就要求热风炉在送风过程中达到节约能源和降低炼铁能耗的同时也要更好的实现高风温操作。其中卡鲁金顶燃式热风炉因送风温度高、热效率高、和使用寿命长等优点在国内赢得了很多研究学者和钢铁公司的认可,与其他顶燃式热风炉相较而言,它采用的是环形陶瓷燃烧器,能够使高炉煤气与助燃空气充分混合并实现旋流燃烧且在燃烧室内引起一定横向和纵向的气流旋涡;此旋涡在一定程度上也降低了蓄热室内烟气对格子砖的加热效率。因此针对旋流燃烧这一负面影响,对卡鲁金顶燃式热风炉燃烧室内的结构进行优化研究是十分必要的。本文以某钢厂卡鲁金顶燃式热风炉为参考,提出在燃烧室内蓄热室上方安装“十字型”导流挡墙并运用计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,对燃烧室内的导流挡墙的结构进行优化以实现抑制靠近蓄热室顶面旋涡强度并提高旋涡位置,进而提高流入蓄热室烟气平均温度的目的;此外,在最佳导流挡墙结构的基础上进行热风炉操作优化模拟以实现降低煤气消耗、节约能源的目的。本文分别建立三维模型和二维模型。首先运用建立的热风炉全炉三维稳定态CFD模型重点预测了燃烧期阶段烟气进入蓄热室的平均温度和质量流量,以此数据作为蓄热室格子砖单孔道全周期二维非稳态CFD模型的边界条件,并且对于蓄热室顶面温度分布不均匀的情况再运用二维模型对蓄热室进行分区模拟计算,重点预测热风炉全周期(燃烧期和送风期)时蓄热室内各个区域的气体(烟气和冷空气)与格子砖间的温度变化规律。然后,将上述两个模型相结合对热风炉进行连续多个操作周期高效率的模拟计算,从而预测出口热风温度随时间和操作条件的变化规律。本文研究结果如下:(1)当挡墙安装高度h大于0.3m,挡墙自身高度h小于1.4m时,挡墙的存在促进了煤气和空气的混合燃烧并且促使更多的高温烟气进入蓄热室,从而提高了烟气进入蓄热室的平均温度。其中挡墙安装高度h为0.4m和挡墙自身高度h为1.0m时,蓄热室顶面的平均温度达到最高(1328℃)且此工况为最佳挡墙结构。(2)在此最佳挡墙结构的基础上,维持助燃空气流量65000Nm/h不变,通过改变煤气流量来优化热风炉操作。本研究结果表明,当煤气流量为100000Nm/h时,热风炉蓄热室顶面的平均温度达到最高值(1337℃),从而使得送风期平均热风出口也达到最高值(1325℃)。

关键词：卡鲁金热风炉 CFD数值模拟结构优化操作优化节能

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浅谈卡鲁金顶燃式热风炉燃烧器砌筑施工

江西建材 2014年第6期 44-44页

作者：孙航陈文娟天津二十冶建设有限公司天津市300350

卡鲁金（Kalugin）热风炉是俄罗斯Kalugin公司开发成功的一种顶燃式热风炉。首先在中国济钢、莱钢和青钢引进并成功应用，而且显示出它特有的优越性。该热风炉在上述企业成功应用预示着该热风炉有很大的应用前景。卡鲁金热风炉的特殊性... 详细信息

卡鲁金（Kalugin）热风炉是俄罗斯Kalugin公司开发成功的一种顶燃式热风炉。首先在中国济钢、莱钢和青钢引进并成功应用，而且显示出它特有的优越性。该热风炉在上述企业成功应用预示着该热风炉有很大的应用前景。卡鲁金热风炉的特殊性在于它的燃烧器，该燃烧器取消了独立的燃烧室，将拱顶作为燃烧空间，能够在有限的燃烧空间内将煤气与空气燃烧完毕。并且它属于短焰燃烧器，火焰长度小于格子砖高度可避免火焰烧坏格子砖。卡鲁金热风炉燃烧器是热风炉的重要组成部分。该部位砌体承受着煤气带入灰尘的侵蚀作用，燃烧气体的冲刷作用以及热交换过程中温度急剧变化的热应力作用。

关键词：顶燃式热风炉卡鲁金热风炉燃烧器砌筑施工火焰长度热交换过程空气燃烧组成部分

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济钢顶燃式热风炉烟气分布研究

工业加热 2006年第2期35卷 44-47页

作者：张炳哲张欣欣于帆孙德民彭宝翠焦吉成北京科技大学热能工程系北京100083 济南钢铁集团公司技术中心山东济南250101

运用CFD软件对卡鲁金热风炉和ZSD热风炉的气体燃烧和流动进行了数值模拟,得到燃烧室出口烟气速度的分布,并对卡鲁金热风炉燃烧室出口烟气的压力和温度分布进行了测试,分析了两种炉型燃烧室的结构特点。结果表明,卡鲁金热风炉燃烧室出口... 详细信息

运用CFD软件对卡鲁金热风炉和ZSD热风炉的气体燃烧和流动进行了数值模拟,得到燃烧室出口烟气速度的分布,并对卡鲁金热风炉燃烧室出口烟气的压力和温度分布进行了测试,分析了两种炉型燃烧室的结构特点。结果表明,卡鲁金热风炉燃烧室出口烟气分布的均匀程度大大高于传统的ZSD热风炉,其结构特点对ZSD热风炉的改造有很大的参考价值。

关键词：卡鲁金热风炉 ZSD热风炉烟气分布数值模拟