[发明专利]蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法

说明书

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℃，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℃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O₂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O₂的耗尽点所需倾斜的角度θ₁，以此作为夹角最优区域的下限；

θ₁＝arctan(M/L₁)

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θ₂，以此作为夹角最优区域的上限；

θ₂＝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[θ₁，θ₂]。

上述步骤1中原始设计烧嘴燃料喷射路径上O₂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O₂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O₂的分布曲线，则O₂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。

附图说明