高炉煤气余热锅炉内流动模拟及结构优化

【摘要】：高炉煤气余热锅炉就是回收并利用炼铁过程中主要副产品高炉煤气的余热回收设备，简化的说高炉煤气余热锅炉就是一个换热器，但是其内部结构、烟气的流动与传热过程十分复杂，准确掌握其内部流场和温度场状况对于余热锅炉的优化设计具有重要意义。本文研究对象高炉煤气余热锅炉在入口烟气的压力为300Kpa，而一般余热锅炉的入口烟气是常压下的。因此，建立物理模型时需注意烟气带压给余热锅炉壁面带来的影响。本文采用CFD数值模拟方法，对某高炉煤气余热锅炉内部整个流场、温度场进行数值模拟。通过对模拟结果中流场和温度场的分析，找出余热锅炉内部结构缺陷，并对余热锅炉内部结构缺陷进行研究，提出优化结构模型，重新模拟优化结构给出结论。本文主要研究内容和结论如下: 通过研究高炉煤气余热锅炉的结构特点，建立了锅炉整体物理模型、划分网格、确定边界条件后，对锅炉整体模型进行数值模拟。掌握了锅炉内部流场和温度场分布的总体规律，对模拟结果中流场和温度场进行分析，并以此为基础确立了2个优化方向:在灰斗处加入挡板的结构优化：针对灰斗内颗粒分离效率不高的问题，提出了在灰斗拐角位置加入挡板来提高颗粒的分离效率；在通流结构拐角处加入导流管的结构优化：锅炉内通流结构拐角处，烟气速度场温度场分布非常不均匀，影响传热效果，在拐角处加入导流管均匀拐角处的速度场从而强化传热效果。 （1）灰斗结构优化：利用两相流模型对该余热锅炉灰斗中的流动和颗粒物分离情况进行模拟，分析了灰斗中加入不同角度挡板对流动情况和颗粒物分离效率的影响，并根据挡板角度对不同直径颗粒物分离效率影响的模拟结果对灰斗结构进行优化。计算结果表明：加入挡板的灰斗对颗粒的分离效果优于原来的灰斗，挡板角度不同对各直径颗粒分离效果有很大影响。 （2）在通流结构处的结构优化：利用CFD软件对某高炉煤气余热锅通流结构的流动情况进行模拟，针对结构内流动不均匀的现象，提出了添加导流管的设想，并分析了通流结构中加入不同个数导流管对流场、不均匀性系数和湍流强度的影响。根据导流管个数对不均匀性系数和湍流强度的影响结果,对通流结构进行优化设计。研究表明：加入导流管的通流结构的不均匀性系数和湍流强度均明显优于原始的结构，导流管个数对不均匀性系数和湍流强度的影响很大。加入导流管可以均匀拐角处流场，提高受热面的传热有效性。 将上述两个优化方向的优化结果加入整个余热锅炉中，研究优化结构下整个余热过锅炉内部流动和传热。并分析比较了优化结构与原始锅炉模型的模拟结果。 【关键词】：高炉煤气 余热锅炉 数值模拟 结构优化
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK229.929
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-5
• 目录5-7
• CONCENTS7-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景及意义9-12
• 1.1.1 余热回收9-10
• 1.1.2 余热锅炉的发展10-11
• 1.1.3 余热资源的利用11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.2.1 国外余热锅炉数值模拟的研究进展12-13
• 1.2.2 国内余热锅炉数值模拟的研究进展13
• 1.3 本文研究目标及意义13-17
• 1.3.1 理论意义14
• 1.3.2 实用价值14-15
• 1.3.3 课题研究内容与研究方法15-17
• 第2章 高炉煤气余热锅炉内部模拟的理论基础17-23
• 2.1 软件介绍17-19
• 2.1.1 PRO/E软件介绍17-18
• 2.1.2 GAMBIT 软件介绍18
• 2.1.3 FLUENT 软件介绍18-19
• 2.2 两相流的计算方法19-22
• 2.2.1 离散相模型19-20
• 2.2.2 多相流模型20
• 2.2.3 本文选用的建模方法20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第3章 高炉煤气余热锅炉内部流动的模拟及结构优化方案23-35
• 3.1 模型的建立与分析24-27
• 3.1.1 高炉煤气余热锅炉结构分析24-25
• 3.1.2 高炉煤气余热锅炉模型的建立与简化25-26
• 3.1.3 高炉煤气余热锅炉网格划分26-27
• 3.2 边界条件的设定27-28
• 3.2.1 烟气物性参数设定27-28
• 3.2.2 锅炉进出口边界条件的设定28
• 3.3 模拟结果与分析28-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第4章 高炉煤气余热锅炉通流结构的优化研究35-47
• 4.1 通流结构优化的理论意义35
• 4.2 优化方案设计35-39
• 4.2.1 通流结构的物理模型35-37
• 4.2.2 通流结构的数学模型37-39
• 4.2.3. 边界条件及参数定义39
• 4.3 通流结构优化结果分析39-45
• 4.3.1 原始结构结果分析39-40
• 4.3.2 结构优化及结果分析40-44
• 4.3.3 通流结构拐角处不均匀性系数和湍流强度44-45
• 4.4 本章小结45-47
• 第5章 余热锅炉灰斗结构的优化研究47-61
• 5.1 灰斗结构优化的理论基础47-50
• 5.1.1 气固两相流动的原理47-50
• 5.2 优化方案设计50-54
• 5.2.1 灰斗的数学模型50-51
• 5.2.2 灰斗的物理模型及优化方案51-52
• 5.2.3 灰斗的求解域52-53
• 5.2.4 边界条件及参数定义53-54
• 5.3 灰斗结构计算结果及分析54-60
• 5.3.1 初始结构分析结果54-55
• 5.3.2 结构优化及结果分析55-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第6章 高炉煤气余热锅炉结构优化后的流场温度场数值模拟61-71
• 6.1 整体结构优化模型61-63
• 6.2 优化结构锅炉模拟结果与分析63-68
• 6.3 本章小结68-71
• 结论与展望71-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78

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