新型蓄热式烧嘴结构优化设计

魏  斌

(派诺尼科〈合肥〉燃烧设备有限公司，安徽 合肥 230088)

【摘  要】由于目前国内燃烧器烧嘴的使用效果与国外先进烧嘴还有很大差距，本文作者借鉴国外品牌烧嘴结合国内使用状况对燃烧器烧 嘴结构进行改进 。借助于数值模拟的方法，分析了蓄热式烧嘴关键结构中煤气和空气喷口之间距离和烧嘴入射角度对燃烧流场和温度场和浓 度场的影响，实验证明可行 。最后通过客户现场证明实验烧嘴炉内温度场和化合物浓度场分布规律与模拟结果一致。

【关键词】工业炉；蓄热式燃烧；蓄热式燃烧器；优化设计；数值模拟

0   绪论

1)蓄热式燃烧技术简介

蓄热式烧嘴加热系统烧嘴成对设置，一 个蓄热式燃烧单元由一对 烧嘴本体、一对装有蓄热体的蓄热室及一套配有控制系统的换向阀所 组成 。成对的两个烧嘴分别担任燃烧和预热以及排烟和蓄热的任务 ， 交替工作 。

2)蓄热式燃烧技术的研究方向和适用领域

高温低氧炉的首先必须是高效的蓄热炉，能实现极限热回收和燃 烧空气的高温预热 。因此，提高燃烧温度扩大了稳定燃烧的边界，加速 了燃料的蒸发、裂解、自燃的过程 。

在过去几十年中，国际上的研究主要集中在：

(1)提高工业炉和电锅炉的热效率；

(2)降低 NOx 和 CO、CO2 污染排放；

(3)减小工业设备规格尺寸 。

3)蓄热式燃烧器

目前 ，   国内外对蓄热式的燃烧技术的研究涵盖了以下几个方面： 蓄热式燃烧器的传热过程及 热 工 特 性 、应 力 特 性 、燃烧室内的气流混 合特性 、炉内温度分布特性 、NOx 氮氧化合物生成特性 、CO 碳氧化合 物的排放特性及其控制 、非定常的燃烧器工质温度的特性对炉内非定 常燃烧过程影响等方面 。

从数值模拟方法角 度 分 析，则涵盖稳态和非稳态 、冷 态 流 场 和 燃 烧过程数值模拟等 。总体上来说，还缺乏严格的数值模拟和实验室实 验测量结果详细对比，相关的部分研究还欠系统和深入分析 ，需 要 进 一步研究 。

4)本文研究内容

研究重点针对一种目前生产中常用的高炉煤气双预热蓄热式燃 烧器进行了实验研究 ，通过借助商业 CFD 软件完成了对该蓄热式燃 烧器产品的燃烧过程的数值模拟，以确定燃烧器组织燃烧的两大关键 结构尺寸：(1)空气和煤气喷口距离；(2)空气和煤气喷口角度 。对烧嘴 的 燃 烧 性 能—— 重点是炉内温度的均匀性和 燃 烧 烟 气 中 CO、O2  和 NOX  的含量的影响关系，为高性能烧嘴产品设计提供参考 。

1   蓄热式燃烧器结构优化和实验研究

1．1    燃烧器主要结构和影响因素

工业炉窑上使用的蓄热式高温燃烧器的结构特征及其工作原理 和换向式蓄热室类似，都是 成 对 出 现 的，每一对烧嘴可视为这一新型 燃烧器系统的一个完整单元 。这一单元包括两只耐高温材料的喷嘴， 两个耐火材料制成的蓄热体，一 个 换 向 阀 组 (一个换向阀也可以带若 干组烧嘴 )和一套操纵快速换向阀的自控单元 。

图 1   蓄热式燃烧器烧嘴图

烧嘴可能会影响燃烧性能的关键的结构主要是由空气喷口和煤 气喷口间距以及喷口角度大小等 。

1．2   烧嘴的结构优化工作内容

本文研究重点针对一种工业炉生产中常用的高炉煤气双预热蓄 热式燃烧器进行了实验研究，具体研究内容如下：

1)借助商业 CFD 的软件完成了该蓄热式燃烧器的产品燃烧过程

的数值模拟，以确定燃烧器组织的燃烧的两大关键的结构尺寸：(1)空 气和煤气喷口距离；(2)空气和煤气喷口角度，对其燃烧性能—— 重点 是炉内温度均匀性以及燃烧烟气中 CO、O2  和 NOX  的含量的影响关 系。

2)现场试验针对烧嘴组织燃烧的两个关键尺寸：空气喷口和煤气 喷口距离 D(工业炉中两烧嘴间距离)图 2、图 3，烧嘴的喷口角度来进 行优化图 4，并依据现实客户实际使用的结果进行论证 。

图 2   实验工业炉烧嘴布局图及炉内位置说明

图 3   烧嘴结构示意图

图 4   烧嘴角度设计

通过验算和实验结果得到一下结果：

1)烧嘴喷口的距离和喷射的角度的关系

烧嘴喷口的距离和角度的关系，对炉内的整体温度的水平和温差 的大小结果的影响，燃烧的高温区主要集 中在炉膛的位置．温 度 梯 度 问题，温度分布情况，炉膛中心区域内温度差范围，综合分析烧嘴结构 在烧嘴喷口间距和喷口角度范围内，燃烧效果最优，性能最稳定 。

2)烧嘴喷口的间距和喷射的角度的大小产生的燃烧结果关系

确定烧嘴喷口距离和喷射角度在什么样的组合状态或者选择范 围内，燃烧效果最优性能 最 稳 定，通过冷态和热态的模拟计算以及现 场的试验，验证烧嘴喷口的距离范围调整和角度的范围改变对炉内整 体温度水平和温差大小结果的影响 。

3)喷口的距离和喷射的角参数验证计算结果

验 证 喷 口 间 距 15D、18D 和 20D，以 及 每 组 间 距 (下转第 172 页 )

118

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们的情感，启发人们理解和接受抽象道理的教育方式 。形象感染并不 是依靠说教，而是靠形象的内在感染力，充分体现隐性教育的开放性， 具有直观、具体的特点，使思想政治教育生动活泼 。

其次是艺术感染 。指通过文学、美术、音乐等文艺作品的欣赏 、评 价和创作等活动给人以影响和感化 。艺术感染是一种寓教于乐的教育 方式，通过对受教育者以艺术的欣赏，发展其想象力和创造力，培养其 鉴赏能力和审美能力，陶冶其道德情操，丰富其精神生活，通过开放多 样的教育方式帮助受教育者树立正确的世界观和人生观 。

最后是群体感染 。指在一个群体中，受感染体感染的各个个体相 互作用、相互影响的状况 。每个人不肯孤立存在，个体在群体中受感染 的作用是加强还是削弱，要看个体与群体受感染的方向是否一致 。这 要求教育者善于培养群体的 顺 向 情 感，使其去影响个体，激 发 其 顺 向 情感，削弱逆向情感，使个体在 积 极 、健康的环境影响下，接 受 正 确 的 思想认识，自由全面的发展 。

2.3   心理疏导

心里疏导指在遵循人的心理活动规律的基础上，运用心理学技巧 和手段，通过语言和非语言的沟通媒介，疏通人们的思想问题，影响人 们的心理状态，改善或改变人们的认知 、信念、情感、态度和行为等，以 此达到降低或消除人们的不良心理状态 、提高心理健康水平和社会适 应能力的目的 。现代社会的发展是以人的需要的满足和人自身的发展 为最终价值目标 。但是由于社会的变化，人们的思想观念等方面的变 化与矛盾 。拥有健康的身心条件是大学生成才的一个重要标志 。隐性 教育的目的就是使大学生通过接受心里疏导以拥有健康的身心 。

心理疏导的方式：

首先是渗透式心理疏导 。指教育者与受教育者通过建立良好的关 系，消除心理障碍，通过多种方式促进受教育者身心健康的一种方式 。 要从受教育者的实际出发，以人为本，充分了解、分析其心理障碍形成 的原因和过程，把握问题实质，通过多种方式，潜移默化的对受教育者 心理进行疏导 。对于受教育者要充分理解，站在不同立场观察和思考 问题，寻找到交叉点 。在现实生活中，由于人们的阅历差异，对于同一 事物的看法也有所不同 。善于开放性的多视角看待问题，从尽可能多 的视角出发，寻找到合适的 结 合 点，从而更好地发挥思想政治教育的 作用。

其次是激励 式 心 理 疏 导 。就是鼓励人们朝着正确目标努力的方 法。激励包括物质激励和精神激励 。物质激励通过满足人们的物质需 求，调动人们的主观能动性，激发受教育者的内在潜能，并最终转化为 个人或群体的精神力量 。精神激励通过对先进分子授予荣誉 、奖状等 方式来激励学生努力进取，提高思想境界 。物质激励和精神激励相互 补充，相辅相成 。  既要注重精神激励，也要关心物质激励，将二者有机 结合起来，充分调动受教育者的积极性，培养其正确的世界观和人生 观，树立健康的人生态度 。

最后是体验 式 心 理 疏 导 。是指在思想政治教育心理疏导的过程 中，教育者运用各种教育资源形成良好的教育氛围 ，以此来引导学生 获得对客观世界的正确认识 。通过让大学生参与社团活动等，促使大 学生心理和思想的完善和发展，实现思想政治教育的目的 。体验式心 理疏导让受教育者自身参 与 活 动，切身体会教育内容，而 不 是 单 纯 的 说教，有助于达到教育目 的，同时也是隐性教育开放性和以人为本的 教育特征的体现 。

3   总结

隐性教育在多方面弥补了现在学校教育方式的不足 ，使得教育者 与被教育者不再是对立状态，调动各种积极因素，通过各种方式，对大 学生进行思想政治教育，为教育者更好的开展思想政治教育工作提供 了不同角度的多种思路，对于提高大学生自身的思想道德素养 、科 学 文化素养和人的全面发展起到了积极作用，充分体现思想政治工作以 人为本的精神实质 。 S

【参考文献】

[1]沈嘉祺 .论隐性教育[J].教育探索,2002，1：54-56.

[2]郑永廷等 .思想政治教育方法论[M].北京：高等教育出版社，2004.                   [3]彭向阳 .柔性管理对思想政治工作的启示 [D].北京 :中国人民大学马克思主义 学院，2001.

[4]刘 清 华 . 当代大学生思想政治教育心理疏导方法 研 究 [D]. 重 庆：西 南 大 学 ，

2013.

[责任编辑：曹明明 ]

(上接第 118 页 )的喷口入射角分别为 3°、5°、7°和 9°时烧嘴的性能 。

2   总结和后续工作建议

2．1    全文总结

本文研究工作主要围绕这种典型的蓄热式烧嘴结构型式展开 。双 通道式的蓄热式的烧嘴关键的结构主要有空气的喷口和煤气的喷口 的间距和喷口的角度等 。本次数值的模拟计算的范围根据烧嘴的初步 设计值分别确定在，空气和煤气 喷 口 距 离 为 15D~20D(D 为 空 气 喷 口 与煤气喷口宽度的平均值 )，喷口角度 为 3°~9° 。在 该 范 围 内，一 共 对 12 种不同组合状态下的燃烧过程进行了模拟计算 。

采用 FLUENT 计算软件，对高炉煤气双预热蓄热式燃烧器燃烧过 程进行数值模拟研 究 ， 湍 流 流 动 采 用 k -ε 模 型 ，  燃烧采用涡耗散 (Eddy Dissipation Model)模 型[12]，耦 合 蒙 特 卡洛辐射传热模型 ，NOX  生 成采用 Zeldovich 模型 ，  可燃组分选用两步的包含 CO 可 逆 反 应 和 水 汽化学反应机理 。计算结果与实验测试值对比表明，模拟计算结果准 确，炉内温度场和浓度场分布规律与实测结果一致 ，温度预测最大绝 对 误 在 50℃以内，相 对 误 差 在 3%以内，炉尾烟气组分含量 CO、O2  和 CO2  与实测值一致，NOX 排放水平较实测值偏低 。

对烧嘴结构在 12 种不同组合状态下的燃烧的过程的冷态和热态 模拟计算结果进行了对比分析，得到如下结论：(1)烧嘴的喷口的距离 在 15D~20D 间 的调整和的角度在 3°到 9°间改变的对炉内的整体温 度水平和温差大小结果影响不大，燃烧高温区的主要集中在炉膛的中 部，且温度的梯度较小，温度的分布的很均匀，炉膛的中心区域内的温 度差在 100℃以内。

(2)烧嘴的喷口小间距时 (15D)喷口角度不易过大，9°时出现的燃 烧不完全现象，炉子出口 CO 排放达 2000ppm 。  当烧嘴的喷口间距过 大 时 (20D) ，喷口的角度不能过大也不能过小 ，3°和 9°时 同 样 出 现 的 燃烧不完全现象 。综合的分析可确定烧嘴结构在 18D、5°燃烧效果最 优，性能最稳定 。

2.2   后续工作建议

蓄热式燃烧过程实际上是一个周期性波动的非稳态燃烧过程 ，本 文的研究工作仅考虑了一个换向周期中燃烧相对稳定的时刻的情况 ， 并以稳态燃烧进行了简化处理 。

本文的研究工作是开展更深入研究的第一步，为了全方面了解蓄 热式燃烧的过程特点，尤其是随时间的变化情况 ，需要进一步考虑非 稳态过程 。

下步工作计划开展蓄热式燃烧非稳态过程下的数值模拟工作 。   因此建议在对蓄热式燃烧器燃烧过程的数值模拟中应将蓄热室内的 传热过程和炉内的燃烧过程结合在一起进行 。 S

【参考文献 】                                              [1]周怀春,盛.锋,姚洪等,高温空气燃烧技术 21 世纪关键技术之一[J]. 工业炉, 1998(1):

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