直燃式热烟气炉内部流场温度场数值模拟

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书

课题名称：直燃式热烟气炉内部流场温度场数值模拟学号1000611

姓名张

专业机械设计及理论

学院机械工程与自动化

导师张

副导师

选题时间2011年10月10日

东北大学研究生院

年月日

填表说明

1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。

2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。

3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。

一、立论依据

课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值

（一）课题来源和背景情况：

热风炉主要是干燥机配套使用的一种高效节能供热设备，能够为干燥机提供不同温度、不同洁净程度的热空气或热烟气，于20世纪70年代末在我国开始广泛应用[1]。热风炉品种多、系列全，根据燃料类型可分为固体燃料热风炉、液体燃料热风炉和气体燃料热风炉；根据燃料或热源的不同可分为燃生物质材料热风炉、燃气热风炉、燃煤热风炉、燃油热风炉、电加热器和太阳能集热器等；按加热形式分主要有直接烟道气式热风炉和间接换热式热风炉。

直燃式烟气热风炉就是采用燃料直接燃烧，经过降尘净化处理形成热烟气，热烟气和物料直接接触对物料进行加热干燥或烘烤。这种方法燃料的消耗量约比用蒸汽式或其他间接加热器减少一半左右[34]。因此，在不影响烘干产品质量的情况下，完全可以使用直接烟道气式热风炉。直燃式热烟气炉用于高含水、处理量大、不怕污染物料的干燥，如污泥、糟渣类、褐煤、各种矿粉的热风源。直燃式烟气热风炉的燃料使用范围很广，可分为：固体燃料，如煤、焦炭；液体燃料，如柴油、重油；气体燃料，如煤气、天然气、液体气。燃料经燃烧反应后得到的高温燃烧气体进一步与外界空气接触，混合到某一温度后直接进入干燥室或烘烤房，与被干燥物料相接触，加热、蒸发水分，从而获得干燥产品。直燃式燃煤烟气热风炉是直燃式烟气热风炉最常用的一种形式，其特点有：煤燃烧连续稳定，操作简单可靠；自动化运行，机械上煤操作，运行简单；总热效率高；出风温度1000℃下连续可调；设备使用安全，无爆炸危险；耐用性强，运行费用低，维护简单[34]。

块煤直接加热热风炉，主要由炉膛、沉降室和混合室组成。沉降室和炉膛之间为燃尽室，这里保持着较高的温度，使可燃性挥发气体燃烧完全。燃料从炉门加入，在炉排上形成燃烧层。燃料燃烧时所需要的空气，由出灰门进入，通过炉排和燃烧层，使燃料燃烧。灰渣则通过炉缝隙落入灰坑，在出灰门排出。炉膛中的燃烧产生的烟气经燃尽室充分燃烧和沉降室分离炉灰、火花后，进入混合室，同来自冷风口的冷空气混合达到要求的温度后，通过通风机吸出并被压入干燥设备的热风室中。二次空气先由炉排下面侧壁上的小孔进入空气隔层预热，然后由炉膛上方侧壁的小孔进入炉膛，从而使炉膛中未燃尽的挥发物或由气流带上来的细小碳粒进一步燃尽。

直燃式煤粉热风炉，将初碎、干燥后的煤加入破碎输送机，破碎至粒度小于10mm，经过

磁选筛自动磁选和筛分后，在输送至储煤仓备用。煤仓与风扇式磨煤机将煤磨成粒度大于120目的煤粉[34]，用自身产生的一次风通过输煤管自动送往燃烧器。煤粉在燃烧器内经高温燃烧和汽化反应后，以半汽化状态喷入炉体内实现完全燃烧。燃烧过程产生的粉煤灰，部分由排渣机自行排出，部分随烟气经热风除尘器排出，还有少量随烟气进入干燥塔内。为了使燃烧更充分，便于排烟和除渣，有的煤粉热风炉设有3个室，即主燃烧室，副燃烧室和混合室。从燃烧器喷入的细煤粉以悬浮状态集中在主燃烧室燃烧，空气过剩系数可调，使室内始终保持氧气充足。该室设计温度可达1300摄氏度以上[34]，实际操作需要考虑灰熔点等因素，一般控制在略低的状态。副燃烧室的作用是提高未燃挥发物以及气体和固体未完全燃烧产物CO 等的燃尽率。为了使燃料在炉内逗留的时间加长，主燃室的火焰只能经90°转向，分成两股进入副燃烧室，并加强了气体扰动和空气助燃作用，使燃烧更为完全。从副燃烧室出来的热烟气，在混合室与配风机输送的冷风混合，变成干燥器所需要的进风温度后，送入热风管路。有时，为了加强炉内气体的振动，提高燃烧效率，在炉内还设有二次风装置，是炉膛内气体发生涡流，混合的更完全。

由于热风炉在热风型干燥装置中不可替代的地位,越来越多的厂家把目光投到热风炉的生产及研究开发领域。近几年对间接式热风炉的研究比较广泛，但是，直燃式热风炉有着独特的优势，其有着不可替代的作用。

（二）课题研究目的

随着科学技术的发展，直燃式烟气热风炉的应用越来越普遍。直燃式热烟气炉在含水量大、产量高和对表面质量要求不高、不怕污染的物料应用很广，例如褐煤、污泥、各种矿粉的干燥均用直燃式烟气热风炉做热风源。

我国直燃式烟气热风炉当前存在的主要问题：一是技术装备水平不高。大部分热风炉容量偏小，在燃烧系统、余热利用、绝缘保温、自动控制、热工检测等方面技术性能不完善，能源利用效率较低。在材料的选择上，由于选择不当，造成材料与运行工况不匹配，一些热风炉炉体散热损失很高[31]。二是科学管理水平较低。由于安装的热工检测仪器仪表不全，不能直接反映炉内工况和产品在炉内的加热全过程，只能凭经验操作，增加了能耗，恶化了环境。部分单位缺乏科学管理、维护和操作规程，在管理运行方面缺乏培训，造成热风炉不能处于最佳的工作状态。因此，提高热风炉能源利用率，对于节能降耗和减少污染，促进建设

节约型社会和可持续发展具有十分重要的意义[29]。

本课题主要是针对直燃式烟气热风炉进行温度场和流场的数值模拟，作为直燃式烟气热风炉优化内部结构和运行参数、提高热效率和节约能源的重要依据。本课题从工程应用的角度出发，综合以往数值模拟的方法和优势，运用FLUENT分析软件对热风炉进行温度场和流场的数值模拟，进而分析最优的参数，可以在得到高温热风的前提下，更少的消耗能量，这无疑在能源紧张的今天具有重大的意义。

（三）选题依据、理论意义和实际应用价值

直燃式烟气热风炉由燃烧炉、高温气体净化沉降室和混风室组成。煤通过上煤机加入到燃煤机的煤斗中，煤由链条炉排匀速送入燃烧室，在鼓风机鼓入的空气作用下剧烈燃烧，燃煤所产生的含尘高温烟气进入高温气体净化沉降室。高温气体净化沉降室由耐火材料砌筑而成，高温烟气在净化室内进行净化，烟气中所夹带的少量粉尘在净化室内沉降。净化室内出来的热烟气掺入一定量的冷风，能够提供不同温度的洁净热烟气，可为各类大型干燥系统（如流化床、闪蒸、喷雾塔、回转滚筒、烘房、气流干燥器等）提供热源，对物料进行烘干。

近年来热风炉的发展呈现一种突飞猛进的趋势。国内外的许多专家学者对热风炉的机理、结构参数、性能特点等做了大量的分析研究，但是在实际的生产和设计过程中，大多数人都是根据经验来分析热风炉，对于热风炉内部温度场和流场的变化情况还很难预测。

本课题应用有限元软件对直燃式热烟气炉在工作时的温度场和流场模拟，用到传热学和流体力学领域的知识。由于有限元法计算精度高、适应性强、计算格式规范统一，有限元计算结果已经成为各类工业产品设计和性能评估的可靠依据，成为工程设计中不可缺少的一种重要方法。在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、电磁场分析、流体分析等方面扮演着越来越重要的角色[9]。而本课题正是基于有限元软件的以上优点，应用于直燃式热烟气炉的温度场和流场数值模拟。通过这种技术的研究，可以分析最优的内部结构参数，为解决风温低、热效率低等问题提供办法。此外，可以更加全面的对直燃式烟气热风炉内部的结构参数、性能特点做研究，为我国热风炉行业的发展做贡献。