蓄热体微纳米高辐射覆层对热风炉传热过程的影响 (1)

第28卷第6期 2009年12月 炼钦 IRONMAKING V01．28．No．6 December2009 蓄热体微纳米高辐射覆层对热风炉传热过程的影响 周惠敏刘新华 张浩王远成 方肇洪 (山东慧敏科技开发有限公司) 苍大强 白 皓王 苗程相利 (北京科技大学) (山东建筑大学) 赵立华 张海涛 (山东石横特钢集团有限公司) 摘要根据蓄热室内烟气与蓄热体的换热以及蓄热体的导热之间的能量平衡关系，建立了高炉热风炉蓄热室内 部辐射与对流换热过程数学模型，并使用CFD软件对高炉热风炉蓄热室内部流动传热过程进行数值模拟。重点对 石横特钢1080m3高炉3号热风炉(无覆层)和l号热风炉(有覆层)的烟气温度变化、热风温度变化、格子砖表面温 度变化进行定量分析，并同现场热诊断结果进行比较。 关键词热风炉微纳米高辐射覆层 传热数值模拟 山东石横特钢集团有限公司于2007年建成 1080m3高炉l座，配置3座顶燃式热风炉，其中l、2 号热风炉的高温区上部34层硅质格子砖涂覆了山 东慧敏科技开发有限公司的专利产品“微纳米高辐 射覆层”【l-2]，3号热风炉未涂覆。为考察微纳米高 辐射覆层对热风炉传热过程的影响，根据蓄热室内 烟气与蓄热体的换热以及蓄热体的导热之间的能量 平衡关系，建立了高炉热风炉蓄热室内部辐射与对 流换热过程数学模型【3。9J，并使用CFD软件对高炉 热风炉蓄热室内部流动传热过程进行数值模 拟¨0。13]，重点对3号热风炉(无覆层)和l号热风 炉(有覆层)的烟气温度、热风温度、格子砖表面温 度的变化进行了定量分析，并3号热风炉和1号热 风炉现场的实际热风出口温度、烟气出口温度进行 比较。 1热风炉基本参数及传热过程 (1)石横特钢1080m3高炉热风炉基本参数：蓄 热室截面积35．8m2，炉体表面积781m2，热风管道 表面积325m2，蓄热室高度31．7m(由上而下蓄热材 料分别为硅砖9．6m、红柱石高铝砖7．8m、普密度粘 土砖14．3m)，19孔格子砖(内部孑L径31mm)。 (2)热风炉的运行参数。运行中，热风炉采用 两烧一送的操作制度。燃烧期时间为114min，送风 期为55min，换炉时间为10rain。 在测试周期内，热风炉助燃空气温度为183oC。 送风入口温度：l号热风炉和3号热风炉均为 ·48· 171oC。 热风温度：1号热风炉的平均热风温度为 1 198oC，3号热风炉的平均热风温度为1173oC。 烟气出口温度：l号热风炉平均烟气出口为 300℃，3号热风炉平均烟气出口温度为313℃。 热风炉的干烟气成分使用烟气分析仪现场测 定，在测试周期开始后每隔15min取样一次分析记 录，取均值后按照经验公式换算成湿成分(见表1)。 表1 石横特钢1080m3高炉热风炉烟气成分平均值．％ 项目02c02 co NO NOx S02 C3H8 1号炉1．8525．820．00290．00080．00080．00030．0043 1呈丝!：!!!i：箜!：竺竺旦：竺!旦：塑塑旦 竺：唑! (3)格子砖的比热和导热系数(见表2)。 表2 格子砖的比热和导热系数 说明：格子砖的热物性是温度的一次线性函数(不考虑其中一些相 变过程的影响)，即a+bt。 (4)热风炉蓄热室格子砖表面发射率。耐火砖 常温下，发射率一般在0．6一O．8；同时随着炉温的 升高，会大幅度下降，温度达到800～l000℃时，黑 度只有0．5；而温度到1300℃时，黑度就降到0．4左 右。而微纳米高辐射覆层一直保持0．9以上较高的 发射率，大幅度提高强化了格子砖表面气一固相问 万方数据万方数据 的辐射传热。格子砖表面的温度显著升高，加大了 格子砖内外的温度梯度，加大了传热的动力，从而缩 短了格子砖蓄热时间和提高了热风温度。 (5)热风炉在加热过程中，其蓄热室内同时存 在着高温烟气对蓄热体的辐射传热和对流传热，以 及蓄热体内部的导热。在蓄热体的冷却过程中，送 风经过蓄热室被加热，同时蓄热体被冷却。热风炉 在高度方向上，格子砖表面温度随高度变化非常大， 拱顶温度可达1300oC以上，废气出口温度300℃左 右，热风炉高度在30in左右。为了简化计算，将热 风炉从上到下分为3个温度区间。 2数值模拟 2．1模拟对象 模拟对象为热风炉蓄热室。耐火材料构成的蓄 热体内有许多相同的格子砖孔并行排列组成气流通 道，根据格子砖孔内的烟气在燃烧期和空气在送风 期的流动特点，可将整个蓄热室的传热过程简化为 由一簇流管组成。在进行数值模拟计算时，假定高 温烟气从蓄热室顶部及冷风从蓄热室底部流人格子 孔时的速度和温度的分布是均匀的，每个格子孔内 部的传热相同，相邻格子孔之间看作绝热(不考虑 外部热损失)，那么它们的流动与传热过程就可以 认为是完全一致。这样只需计算一个格子砖孔和周 围格子砖的流动传热过程，蓄热室单孔道简化格子 砖结构如图1所示。 i囟⋯ !吲⑧内纸z 【黏土砖J ＼＼7／”‘。。‘ 图1 蓄热室格子砖通道物理模型 在高温情况下，辐射传热将占据传热的主导地 位。格子砖表面高辐射覆层对炉内热效率的影响， 可以用下面的解释：格子砖表面以全频率吸收和放 出辐射热量，气体以特定的离散频率吸收和放出辐 射热量。由于种种叠加效应，在吸收谱中形成许多 分界的吸收线。在全谱中特殊的间隔既没吸收也没 有放出，分布在吸收带中。首先，在格子砖表面涂覆 高辐射覆层意味着格子砖表面反射回来的辐射量减 少；其次，由格子砖表面吸收的辐射能量增加。由于 格子砖向环境中的热损失是很小的，更多的能量重 新辐射到气体区域。反射能量能够保持自身的光谱 特性，而这种再辐射能量则在整个波长的光谱中重 新分配。因此，在气体的吸收带范围之内只有部分 的再辐射被吸收，其余部分则穿过气体区域，再次被 格子砖吸收。这样在热风炉蓄热体内，一部分额外 的辐射量通过气体区域传递给格子砖表面而不被气 体介质吸收。气体的辐射和吸收过程如图2所示。 图2 气体辐射与吸收过程示意 2．2模拟计算 根据对蓄热室流动传热过程和定解条件的分 析，分别对CFD求解器的初始条件和边界条件进行 设置。在CFD软件的模型设置中，为了计算格子砖 内的导热及气体与格子砖间的对流换热，激活能量 方程选项，对能量方程进行计算；湍流模型选用 k一8双方程模型；烟气成分利用组分模型来设置； 由于格子砖内烟气的光学厚度较小，辐射传热模拟 选用DO模型，高温烟气的总吸收系数使用软件自 带的非灰气体加权平均模型来计算。 3计算结果与分析 使用CFD求解器对方程进行求解，分别得到了 3号热风炉(无覆层)和1号热风炉(有覆层)的燃 烧期的烟气温度变化、格子砖表面温度变化以及送 风期的热风温度变化和格子砖表面温度变化。 3．1燃烧期烟气与格子砖的温差 图3是燃烧期不同时刻蓄热室由上而下高度方 向烟气温度与格子砖温度差的变化情况以及未涂涂 料与涂有涂料的比较。从图可看出：烟气入口处，烟 气与格子砖的温差稍大，沿蓄热室顶部向下，烟气与 格子砖进行热交换，烟气温度逐渐降低，二者的温差 逐渐减小，到烟气出口处，二者的温差达到最低。对 比图3(a)与(b)可以看出，随着时间的延长，烟气 与格子砖的温差减小；燃烧时间到110min时，蓄热 室底部，烟气与格子砖的温差接近于0。 对比涂覆了高辐射覆层的蓄热室和未涂覆高辐 射覆层的蓄热室传热，可以看出：热风炉蓄热室上部 34层格子砖涂覆高辐射覆层后，烟气与格子砖的温 差缩小。说明燃烧期格子砖的吸热速率提高，单位 时间吸收的热量相对增多，增加了格子砖的蓄热能 ·49· 万方数据万方数据 蓄热室高度(由上而下)．m (a)燃烧时间55min 蓄热室高度(由上而下)，m (b)燃烧时间1lOmin 图3燃烧期烟气与格子砖温差随着高度变化 力。虽然覆层只是涂覆在蓄热室顶部的34层硅砖 表面上，但覆层对整个蓄热室的传热都发生了影响， 特别是对由上而下80％以上区域影响更为显著。 推测这是因为格子砖表面涂覆覆层后，发射率大大 提高(尤其在高温区)，强化了烟气一格子砖之间的 辐射传热，以及格子砖壁面内部的固一固之间的辐 射换热。高温区的格子砖有覆层后发射出来的热波 长为1—5p,m，极易被下面无覆层的格子砖吸收，这 样下部的格子砖的蓄热速度和蓄热量也大大增加， 进而提高了整座热风炉的蓄热能力。格子砖表面的 温度显著升高加大了格子砖内外的温度梯度，必将 加大了送风期传热的动力。 3．2送风期格子砖与热风的温差 从图4可看出，送风期50min时，①无论是有覆 层还是无覆层，在蓄热室的底部，格子砖温度与热风 温度差最大，沿蓄热室低部向上，格子砖与空气之间 进行热交换，二者的温差逐渐减小，到达格子砖顶 部，二者的温差达到最低。②有覆层的蓄热室底部 格子砖的温度与热风温度差稍小于无覆层的，到距 格子砖顶部(热风出口处)40％左右时，两条曲线基 本重合；距格子砖顶部(热风出口处)20％左右时， 两条曲线完全重合。格子砖温度与热风温度差相等 时，格子砖的温度越高，热风温度越高。由于上部有 覆层的蓄热室格子砖在燃烧期所蓄的热量多，温度 高，而格子砖温度与热风温度差与无覆层的稍小或 相等，说明有覆层的具有更强的放热能力，放出的热 量大于无覆层的，提高了热风温度。从图4还可看 到上部格子砖涂覆覆层后，对蓄热室的全部格子砖 的蓄放热量的能力均有较大影响。 3．3计算结果与在线检测数据的比较 (1)在线检测数据(见图5)。 (2)热风出口温度。图6为无覆层的3号热风 ·50· 蓄热室高度(由上而下)，m 图4 送风期格子砖与热风温差(送风时间50rain) 2座热风炉格子砖有覆层 l座热风炉格子砖]巳覆层 风温高，送风时问长 风温低，送风时问短 图5 石横特钢1080m’高炉热风炉在线检测数据 炉送风期热风出口温度随时间的变化曲线，虚线为 数值模拟结果，实线为在线检测数据曲线；图7有覆 层的l号炉在送风期热风出口温度随时间的变化曲 线，虚线为数值模拟结果，实线为在线检测数据曲 线。比较二者，可以看出，有覆层的热风温度高于无 覆层的。 (3)烟气出口温度。图8为无覆层的3号热风 炉烟气出口温度随时间的变化曲线，烟气出口最高 温度约为400oC左右，最低温度约为198℃左右，烟 气平均出口温度约为313oC。图9为有覆层的1号 热风炉烟气出口温度随时间的变化曲线，烟气出口 最高温度并未降低很多，但是烟气出I=I平均温度大 为降低约300℃(降低13℃)。计算结果较实际的 烟气温度低，但误差在10％以内，与实际情况基本 ∞∞∞∞∞幻5；∞m 0 趵m∞舌；∞伯∞∞们{；；加加 万方数据万方数据 p 邋 赠 时间，min 图6无覆层时热风出口温度 时间，min 图7 有覆层时热风出口温度 时问，min 图8 无覆层的3号热风炉烟气出口温度 p ● 魁 娟 时间，min 图9 有覆层的I号热风炉烟气出口温度 吻合。如果考虑炉壁对外散热和蓄热体材料的不均 匀性等因素，计算温度应有所下降，与实际情况将更 加一致。 4结论 (1)数值模拟结果表明：①在燃烧期，上部格子 砖有覆层的蓄热室烟气与格子砖的温差要小于无覆 层的工况，整个蓄热室的格子砖吸热快，蓄热量增 加。②在送风期，有、无覆层，格子砖与热风的温差 基本相同。由于有覆层的蓄热量大，温度高，格子砖 与热风的温差相同说明有覆层的放热快，放热量增 加。③有覆层的热风出口温度平均提高20℃以上， 平均的烟气出口温度下降10℃以上。 (2)数值计算结果和现场测试结果基本吻合， 也从理论上进一步证实了热诊断的结果。即上部格 子砖有覆层时：①燃气燃烧更充分，烟气成分中的可 燃成分大大降低，化学不完全燃烧带来的热损失大 大减小了。②格子砖蓄热量增加，吸热快，放热快， 有利于热交换。③送风温度提高(平均风温提高 25℃)，可缩短换炉周期，进一步提高风温。④降低 了排烟的温度(平均烟气温度降低13℃)。⑤减少 煤气流量、空气流量，节约能耗(在提高风温25℃的 同时，能耗降低约5％)。 (3)采用CFD软件模拟热风炉蓄热室的辐射与 对流换热具有较高的可靠性，符合生产实际。这样 的处理方法在今后的和运行中可以加以应用， 为热风炉改造的研究提供了可靠的理论基础。 5参考文献 [I]中国金属学会能源与热工分会．全国能源与热工2006学术年 会[C]．湖南省张家界市：东北大学。2006． [2】但智钢，苍大强，周惠敏．高发射率节能涂层的制备及性能研 究[J]．武汉科技大学学报(自然科学版)．2007，30(6)：561 —563． [3]罗海兵，陈维汉．蓄热式换热器传热过程的数值模拟[J]．化 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