焦炉燃烧室物理模型

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.03.003 北京铜铁学院学报 1982年第3期 焦炉燃烧室物理模型 北京钢铁学院热能系陈鸿复 加◆大Stelco钢铁公司研究开发部 度·杰·置特量夫(P.J.Rea dyhough) ·加章大不列哥伦比亚大学治金系Stelco过程治金教授 杰·克·布置麻昆布（J.K.Brimacombe) 摘 要 本文论证了Stelco第6号和第7号焦炉燃烧室物理模型是能够定性地决定火 焰的位置及高度的，模型表明燃烧室中控制燃烧的流动条件受到空气流动状态的强 烈影响，尤其是和连接蓄热室和空气喷口的倾斜上升道有关。在6号焦炉燃烧室中 空气沈量分二部分供入，此时煤气流被从下空气喷口出流的倾斜空气射流吸至燃烧 室的一侧，在7母炉燃烧室中，所有空气是从一个底部喷口进入燃烧室的，由于倾斜 空气流引起燃烧室中再葡环气流，它控制着化学当量混合火焰的高度，同样可以看 到，从煤气喷口底部通过一个小圆孔进入的煤气实际上是一个限制射流，它造成在 喷口中的再葡环促进了煤气高温裂解的可能性。 应用模型来决定“火焰”的高度及位置，和从正在加热的燃烧室拍摄的照片大 致相符，但正如所预期的那样，实际火焰约比根据模型化学当量混合浓度预测的火 焰要高1.35至1.5倍，通过模型预测的火焰高度和测得的焦碳VTD结果相符较好， 尤其对6号焦炉是如此。还应用模型研究了6号和7号焦炉燃烧室改变操作后的 效果，其中包括在6号焦炉中采用改变气流的装置如转向砖，煤气喷口延伸管以 及空气喷口角部盖板以及减少7号燃烧室的过剩O2等，模型试验表明只有采用延 伸管能有效地使火焰在6号焦炉燃烧室下半部分布更均匀，而对7号炉来说采用 5%过剩○：将获得同样的效果。 棋型试验的潜力和局限性需要酷续研究，因为它们为燃烧室设计操作和燃烧以 及它对VTD的影响建立了重要的联系，可以认为这不仅是对上述个别然烧室设计 及操作条件的叙述，它还将对燃烧室系统的工作提供一般性的见解。 一、概 述 碳化室高度大于5米的大型焦炉经常遇到两大操作问题：在焦碳物料高度方向上存在着 大的温差（简称VTD)以及在炉顶、炉墙及荒煤气管中的碳素沉积。前者导致焦碳质量的不均 匀、能量消耗增加，焦化时间增长，生产率降低以及配煤选择上的局限性[，而后者使煤 气通道堵塞并给付产回收部门带来操作上的困难。由于焦炉煤气高温裂解所造成的炉顶碳素 注：本研究题目是作者在加◆大不列期哥伦比亚大学期间完成的。 24

北 京 钥 铁 学 院 学 报 年第 期 焦 炉 燃 烧 室 物 理 模 型 北京钢铁 学 院热能系 陈鸿 友 加 李 大 。 钢铁公 司研 究开 发部 皮 · 杰 · ，特 失 加幸 大不 列奴 哥伦 比亚 大学冶金系 。 过程冶金教授 杰 · 竞 · 布 麻尾布 摘 要 本文论 证 了 。 。 第 号和 第 号焦炉燃 烧 室 物理 模型是 能够定 性地决 定 火 焰 的位 里及 高度 的 ， 模型 表 明燃 烧 室 中控制燃 烧的流 动 条件受到 空 气流 动状 态的 强 烈攀响 ， 尤其是和 连接 蓄热室和 空 气喷 口 的倾斜上 升道 有关 。 在 号焦 炉燃 烧室 中 空 气流 分 二 部分供 入 ， 此时煤 气流被从 下 空气喷 口 出流 的倾 斜 空气射流吸 至 燃 烧 室 的一 侧 ， 在 号 炉然浇室 中 ， 所有空 气是从一 个底 部 喷 口 进入 燃 烧室的 ， 由于 倾 斜 空气沈 引起然烧室 中再 循环 气流 ， 它控制着化 学 当量 混合火焰 的 高度 ， 同样可 以看 到 ， 从煤气喷 口 底部通 过一 个小 圆孔进 入 的煤气实 际上 是一 个 限制射流， 它造成在 喷 口 中的再 循 环促进 了煤气高温 裂解 的可 能性 。 应用 模型 来决定 “ 火焰 ” 的 高度及 位 置 ， 和 从 正 在 加 热的燃烧 室拍摄 的照片 大 致相 符 ， 但 正 如所 预 期的 那 样 ， 实 际火焰 约 比根据 模型化 学 当量 混 合浓度 扭 测的 火 焰要 高 至 倍 ， 通 过模型 谈 测 的火焰 高度 和 测得的焦碳 结果相 符较好 ， 尤其对 号焦炉是 如此 。 还 应用 模型研 究 了 号和 号 焦炉燃 烧室 改 变操 作后 的 效果 ， 其 中包括在 号 焦炉 中采 用 改变气流 的装 置 如转 向砖 ， 煤气喷 口 延 伸 管 以 及 空气嘴 口 角部盖 板 以及减少 号 燃烧 室 的过 剩 等 ， 模 型试 验表 明只 有采 用 延 伸 管能有效地使 火 焰在 号 焦炉燃 烧室下半部分 布 更 均匀 ， 而 对 号 炉 来说 采 用 过刹 云将获 得同样 的效果 。 模型试 脸 的潜 力和 局 限性需 要维 续研 究 ， 因为 它们 为燃烧 室设计操作和燃 烧 以 及 它对 的举响建立 了重 要 的联 系 ， 可 以认为这不 仅是对上 述个别燃烧室 设计 及 操作条件 的叙述 ， 它还 将对然 烧室系统 的工 作提供 一 般 性 的见 解 。 一 、 概 述 碳 化室高度大于 米的大型 焦 炉经常遇 到两大 操作 问题 在 焦碳 物 料高度方 向上存在着 大 的温 差 简称 以及 在炉顶 、 炉墙 及 荒煤气管 中的碳素沉 积 。 前者 导致 焦碳质量 的 不 均 匀 、 能 消耗增加 ， 焦化时 间增 长 ， 生 产率 降低 以 及 配煤选 择 上的局 限性 ’ ， 而后 者 使 煤 气通 道堵塞 并给付产 回收部 门带来操作 上 的 困难 。 由于 焦炉煤气高 温裂解所造成 的炉顶 碳 素 注 本研 究题 目是 作者在 加 幸 大不 列翔 哥 伦 比亚 大学期 间完成 的 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．03．003

沉积其速率决定于碳化室自由空间的温度，而这又和VTD密切相关，企图采用降低自由空间 温度的方法来减少炉顶碳素沉积的尝试可能会造成VTD的增加，反之要降低VTD则会使炉 顶碳素沉积增加。 影响碳化室VTD的二个重要因素是在其相邻燃烧室中的燃烧和传热情况，为使VTD减 至最小，同时使炉顶碳素沉积也最小，这就要求在燃烧室中有均匀的温度分布，换句话说这 就意味着对燃烧条件的控制，尤其是对火焰长度的控制。在燃烧室中长火焰较之短火焰来 说可以获得在它长度方向上更为均匀的温度分布，而后者的特征是局部产生热量和较大的 VTD。 一般说来，火焰的长度和位置决定于煤气和氧气的混合以及二者之间的化学反应速率， 但当空气在焦炉蓄热室中预热至1000℃和在燃烧室操作温度下，化学动力学反应进行得很快， 不构成限制因素，因此燃烧过程决定于燃烧室中的混合过程，故火焰几何形状的控制则受制 于流体的流动。 有许多因素影响燃烧室中的流动图形：燃烧室尺寸的大小，空、煤气喷口的高度及位置， 不同喷口间空气或煤气的分配比例，流经喷口的空、煤气流量，此外还有联结蓄热室和空气 喷口的上升道的几何形状，为此要控制混合和火焰长度，必须了解这些因素在燃烧室中是怎样 改变流动图形的。本研究的目的就是为了获得这方面的知识而对加拿大Stelco公司Hilton 厂6、T焦炉（均属奥托式焦炉结构）进行个别研究并对它们提出燃烧室设计及操作方面的 改进方案。 对燃烧室中的混合和燃烧情况进行研究，可通过下列一种或多种不同的途径：对生产焦 炉进行现场测定，在实验室更便于控制的情况下建立的冷、热态模型上进行试验，以及使用 在流体力学基本规律上建立的数学模型作预测等。例如，Stelco研究和发展部近来在6号焦 炉上进行的一系列试验，如采用一个延伸管将煤气喷口出口位置提高或在高空气喷口上放一 块转向砖来使VTD降低等。象这样的试验是很有必要的，但太化钱，太化时间，且有时得 不出结论，因为在狭小的且工作条件恶劣的燃烧室空间中进行大量的测量工作是有困难的， 因此就这个研究题目来说所以采用等温物理模型是由于它相对来说比较简单，成本低，测量 比较容易而且准确。 应用物理模型来研究空气动力学和燃烧并不是什么新鲜事，他们已经在很多炉子上作为 研究工作的组成部分，其中包括平炉【2！，均热炉【1，加热炉【！，水管式锅炉和玻璃熔化 炉的蓄热室等]。物理模型在过去也曾用于研究焦炉燃烧室的燃烧，但大部分不在北美 洲，，研究工作在苏联【】，英国【71和法国【8]进行过，采用气力模型和水力模型两种方式， 维洛卓夫[！报导了一个1/5缩尺的空气模型以及水力模型，分别用CO:及KMO.作为示踪 剂提供有关空、煤气喷口的设计资料，胡特和阿尔杜曼【71叙述了一个1/5缩尺具有单发卡通 道的燃烧室并带有空、煤气上升道的有机玻璃水力模型，应用含稀碱和酸的水流来分别模拟 煤气和空气流股，用碱溶液中的酚酞作为指示剂，研究了燃烧室中的混合并确认了过剩空气 量对火焰特性的重要影响，台拉萨特等【1采用了一个1/4缩尺的焦炉燃烧室空气模型和一个 1/10缩尺的水力模型，其示纵剂分别为烟及酸化溴酚兰。无疑焦炉建造者已经应用了物理模 型于燃烧室系统的设计，但就作者所知这些都没有见诸于文献。在本研究工作中同样地使用了 等温空气模型，但采用具有中性浮力(Neutra】Buoyancy)的氯气泡后流动图形示踪力 法得到显著改普，由于其离散特性，使用氯气泡可测得其局部速度分量，而对粉尘和烟来说 这是不可能的，此外氨泡较之粉尘或烟更安全，更容易在实验室中使用。除了流体示踪试验 25

沉积其逮率决定于碳 化室 自由空 间的温度 ， 而这又 和 密切 相关 ， 企图采用 降低 自由空间 温度的方法来减 少炉顶碳素 沉 积 的尝 试可 能会造成 的 增加 ， 反之要 降低 则会使炉 顶 碳 素沉 积 增加 。 影响碳 化室 的二个重要 因素是在 其 相邻燃 烧 室 中的憔烧 和 传热情况 ， 为使 减 至最小 ， 同时使 炉顶 碳 素沉 积 也最 小 ， 这就 要求 在燃烧 室 中有均匀的温度分布 ， 换 句话说这 就 意味着对燃 烧 条件 的控 制 ， 尤 其 是对火焰 长 度的 控 制 。 在燃烧 室 中 长火焰 较 之 短 火焰来 说可 以 获得在 它长度方 向上更为均匀 的 温度分布 ， 而后 者 的特 征是 局 部产生 热量 和 较大的 。 一般说来 ， 火 焰 的长度和位置 决定 于 煤气和 氧 气 的 混 合 以 及 二者之 间 的化学反应 速率 ， 但 当空气在焦炉 蓄热 室 中预热至 ℃ 和 在燃 烧 室 操作 温度下 ， 化学动 力学反应 进 行得很快 ， 不 构成限制因 素 ， 因此燃烧过程 决定 于 燃 烧室 中的混 合过程 ， 故火焰几何形状 的控 制 则受制 于 流体 的 流动 。 有许 多因素影 响嫩烧室 中的流动 图形 燃 烧室尺 寸的大小 空 、 煤气喷 口 的高度 及位置 ， 不 同喷 口 间空气或煤气的分 配 比例 ， 流经喷 口 的 空 、 煤气流盘 ， 此外还有联结 蓄热室 和 空气 喷 口 的 上升道的 几何形状 ， 为此要 控 制 混合和 火焰 长度 ， 必须 了解这些 因素在燃 烧 室 中是怎 样 改变 流动 图形的 。 本研究的 目的就是为了获得这方面 的知 识而对加拿大 。 公司 厂 件 、 炸焦炉 均属奥托 式 焦炉结构 进 行个别研究 并对 它们 提出燃 烧室设 计及 操作方 面 的 改进方 案 。 对燃 烧室 中的 混 合和 燃 烧情 况进行研究 ， 可 通 过下列一 种 或多种 不 同 的途径 对生 产焦 炉进 行现场 测定 ， 在实验室 更便于控 制的情 况下建立 的冷 、 热态模型 上进 行试验 ， 以及 使用 在 流体力学 基本规律 上建立 的数学模型作预 测等 。 例如 ， 。 研究 和发展 部近来 在 号焦 炉上进 行 的一 系列 试 验 ， 如采 用一 个延 伸管将煤气 喷 口 出 口 位置 提高或在高空气喷 口 上放一 块 转向砖来 使 降低等 。 象这样的试验是很 有必要 的 ， 但太化钱 ， 太化时间 ， 且有时得 不 出结论 ， 因为在狭小的且工 作 条件恶 劣的燃 烧 室空 间中进 行大量 的测量 工 作是有困难 的 ， 因此就 这个研究 题 目来说所 以采用 等温物理模型 是 由于 它 相对来说 比较 简单 ， 成本 低 ， 测量 比较容 易 而且 准确 。 应 用 物理 漠型来研究 空 气动力学和 燃烧并不 是 什么新鲜事 ， 他 们 巳经在 很 多炉子 上作为 研究工 作的 组成 部分 ， 其 中包括平炉 ’ 】 ， 均热炉 〔 昌 ， 加热炉 【 ， 水管式锅 炉和 玻璃熔化 护的 蓄热 室等 。 物 理模型 在 过去也 曾 用 于研究 焦炉燃 烧室 的 滋烧 ， 但大 部分 不 在北美 洲 ， ， 研究工 作在 苏联 。 ， 英 国 川 和 法国 【 进 行 过 ， 采 用 气力模型 和 水 力模型 两种方 式 ， 维洛卓夫 【 “ 报导 了一个 缩尺 的空气模型 以及 水力模型 ， 分别用 ‘ 及 ‘ 作 为示踪 剂 提供 有关空 、 煤气喷 口 的设 计 资料 ， 胡特和 阿尔杜 曼 【 】 叙述了一个 缩尺具有单发卡通 道 的嫩烧室 并带有空 、 煤气 上升道的有机玻璃水力模型 ， 应用 含稀碱和 酸的水 流来 分别 模拟 煤气和 空 气 流股 ， 用碱溶液中的酚 酞作为指 示剂 ， 研究 了燃烧室 中的 混 合并确认 了过剩 空气 量 对火焰特性 的 重要 影响 ， 台拉萨特等 〔 。 采用 了一 个 缩尺 的 焦炉燃烧室空气模型和一 个 八 。 缩尺 的 水 力模型 ， 其 示纵剂分别为烟及 酸化澳酚 兰 。 无 疑 焦炉建造 者 巳经应 用 了物理模 型于燃烧 室 系统 的 设 计 ， 但 就作 者所 知这些都没 有见诸 于 文献 。 在本研究 工 作 中同样地使用 了 等温空气模型 ， 但采 用具 有中性浮力 创 的氮气泡后 流动 图 形示踪方 法得到显著 改善 ， 由于 其 离散特 性 ， 使用氦气泡可 测得 其局 部速度分量 ， 而对 粉尘和烟来 说 ， 这是不可 能 的 ， 此 外氦 泡较之 粉尘或烟 更 安 全 ， · 更 容 易在实验室 中使 用 。 除 了 流体 示踪试验

外，还向空气流中引入氯气让它从煤气喷口流出来进行混合情况的测定，最后还测量了空气 喷口出口处的速度分布。将上述不同试验结果综合起来就可决定流动情况及近似的火焰位 置。由此获得的资料使在工厂实施操作改革以前有可能在模型中进行试验和提出燃烧室操作 的改进措施。 本文描述了模型设计的基本状况，模型研究的结果，试验结果和从实际操作焦炉上得来 的少量资料的对比验证以及对目前实践的改进建议等，本研究还是对焦炉进行更为广泛研究 的起始。 二、物理模化准则 符 号 d,直径或水力学直径（米） g:重力加速度，（米/秒2） LM:模型特征长度（米) Lp:原型特征长度（米） m.:空气质量流量.（公斤/秒） m:煤气质量流量（公斤/秒） M:缩尺比例 N,rt傅鲁特(Froude)数 u:气体速度（米/秒) P:密度（公斤/米） P:完全燃烧产物气体的密度 P。:煤气喷口出口处气体的密度 角码 m:模型 P,原型 焦炉燃烧室物理模型的设计是建立在早先提出的为等温模型应用于非等温系统而确 立【11和应用}，【1的准则基础上的。焦炉燃烧室和许多在过去曾进行过模化研究的其 他类型炉子相比较存在着一个很大的差别，即向燃烧室供入的热负荷相对来说是较小的，因 此，在焦炉燃烧室中气体的速度、雷诺数和混合速率较之许多其他燃烧系统来说要低些，而 后者很明显地属于素流情况(NR>4000)。例如，在6焦炉燃烧室中在煤气及空气喷口出 口处的雷诺数分别为1482及3298，然而即使在这种条件下，在物理模型上试验表明流动仍属 素流，对7$焦炉燃烧室来说也是这个情况，于是在这些燃烧室中火焰按性质来说仍属素流性 质，素动是由空气流引起的，因为它的质量流量比煤气约大二十倍，空气从空气喷口中流出 为素流这是由于它的Re数以及连接通道较短的原因。 所设计的物理模型是用于模拟6”和7焦炉一组孪生燃烧室的流动条件，对于焦炉的描述 见后面一节，应用了四个模化准数如下： 1.几何准数：除了空气和煤气喷口外，所有李生燃烧室原型的线尺寸均缩小成+的模 型尺寸(M=本)，模型当然还包括蓄热室以及连结蓄热室和空气喷口的空气上升道。 2.Thring-Newby准数：空气和煤气喷口缩尺比例按照Thrieg-Ne wby准数将改变 26

外 ， 还向空 气流中引入氮气让它从煤气喷 口 流出来进行混合情况的测定， 最后 还 测里 了空气 喷 口 出 口 处的 速度分布 。 将上述 不同试 验 结果综合起来 就可 决定 流动情 况 及近似 的 火焰位 里 。 由此获得的 资料使在工厂实施操作改 革以前有可 能在 模型 中进行试验和提出燃烧室操作 的改进措施 。 本文描 述 了模型设 计 的基本状 况 ， 模型 研究 的 结果 ， 试验 结果和 从实际 操作 焦炉上得来 的少盘 资料的对 比验证 以 及对 目前实践 的改进建议 等 ， 本 研究还是对 焦炉进行更为广泛研究 的起始 。 二 、 物 理 模化准 则 符 号 直径 或水力学直径 米 重力加 速度 米 秒 。 模型特征长度 米 原型特 征长度 米 。 空气质 量 流量 公斤 秒 煤气质量 流量 公斤 秒 缩尺 比例 ， 傅督特 数 气体速度 米 秒 密度 公斤 米 “ 。 完全燃烧 产物气体的 密度 煤气喷 口 出 口 处气体的 密度 角码 模型 原型 焦炉燃烧室物理模 型 的设计是建立在 早先提 出的 为等温 模型 应用 于非等温 系统 而确 立 〔 ’ 。 和应用 〔 “ ， 〔“ 的 准则基 础上的 。 焦炉燃烧室 和许多在过去 曾进 行 过模 化研究 的 其 他类型 炉子 相比较存在 着一 个很大 的 差别 ， 即 向燃烧室供入 的热负荷 相对来说是较小的 ， 因 此 ， 在 焦炉燃烧室 中气体的速度 、 雷诺数 和 混合速率 较之许 多其他燃烧 系统 来说要低些 ， 而 后 者很 明显地 属于紊流情况 ， 。 例 如 ， 在 件焦炉燃烧室 中在煤气及 空气喷 口 出 口 处的雷诺数分别 为 及 ， 然 而即使在这种 条件下 ， 在物 理模型 上试验表 明流动仍属 紊流， 对 件焦炉燃烧室 来说也是这个情 况 ， 于 是在这些燃烧 室 中火焰 按性质来说 仍属紊流性 质 ， 紊动是 由空气 流引起 的 ， 因为它 的质量 流量 比煤气约大二 十倍， 空气从 空气喷 口 中流出 为紊流这是由于它 的 数以 及 连接通道较短 的原 因 。 所设 计 的物理模型是用 于模 拟砖和 件焦炉一 组 孪生燃烧室 的 流动 条件 ， 对于 焦炉的描述 见后 面一 节 ， 应用 了四 个模 化准数如 下 几何 准数 除 了空气和煤气喷 口 外 ， 所有孪生 燃烧室原型 的线尺 寸均缩小成 士 的模 型尺 寸 去 ， 模 型 当然 还 包括 蓄热室 以及 连结 蓄热室和 空气喷 口 的空气上升道 。 贮 准数 空 气和 煤气喷 口 缩尺 比例 按照 ’ 犷 准数将改 变

其数值，为的是校正物理模型的等温性质使它适应于非等温的原型。Thring和Ne w by曾指 出喷口尺寸不应遵循一个简单的几何缩尺寸比例，而应基于在燃烧温度下射流动量和气体密 度的基础上来进行缩尺模拟，在一个单一的素流自由射流动量和质量守恒的基础上，他们认 为模型中喷口特征尺寸LM和原型对应尺寸L。的关系如下： L-ML,B) (1) 此处P。及P,分别代表在原型中喷口出口处以及完全燃烧后气体的密度，这样模型中喷口尺 寸就比原型按比例缩尺后增加(P,/ρ)/倍，在燃烧室模型中，按上述方法计算的空气喷 口的面积较之单纯按几何比例缩小后所得到的尺寸来说变化很小，原因是在喷口出口处预热 空气温度在1000℃而燃烧室中燃气温度则在1300℃，两者差别并不大，但在另一方面，模型 中煤气喷口缩尺后的面积却必须增加很多，至65%，因为煤气引入温度仅只50至150℃，这 就产生了麻烦，因为这样一来煤气喷口在模型燃烧室体积中占了比在原型中更大的比例，这 就有可能歪曲模型中的流动图形，幸好煤气喷口比空气喷口要小些，特别在6焦炉燃烧室中 的情况是这样，故问题不大。 3.空气和煤气的质量流量比：空气和煤气质量流量比在模型和实物中保持相同的值， 即 () (2) 为的是在模型中把气体再循环效应连系进去【」。 4.雷诺数，在内部流动系统中当雷诺数超过4000，传输现象受制于素动力，这时就没 有必要保持雷诺数，普兰特数(Prandtl)及斯密特数(Sch midt)在模型和实物中相似正如 前面所说的，这种条件在焦炉燃烧室中只有对空气射流以及空气煤气混合射流才能得到满足， 后者是因为空气流起决定性作用的原故，但是由于煤气射流具有较低的雷诺数(<1500)， 故决定在模型中使煤气射流保持和原型中相同的雷诺数，这个准数，加上上述煤气对空气的 质量流量比一起就可得出空气射流的R数，它在模型中要比在原型中大，但正如前面所说 的那样，在紊流情况下，模型和实物的雷诺数并不需要保持相等。 还必须提及燃烧室模型的其他两个方面，首先考虑到在焦炉燃烧室中热火焰在周围气体 中的浮力的重要性，这就必须考虑F,数（傅鲁特数）作为模化准数，F,数是惯性力与重力 的比，对于二种不同气体（火焰和其周围气体）它可写成如下形式 Np,=-pu: (3) △pgd 对于6号和7号焦炉燃烧室来说其值小于60。在模型中火焰的浮力州含10%氨气一空气混合 物来模拟，这样在燃烧室模型和原型中的F,数大致相等。 另一方面燃烧室模型和原型中的空气入口条件是非常重要的，由于连接蓄热室和空气喷 口的上升道短而倾斜故必须在物理模型中包括上升道及必要的蓄热室部分，严格说来模型还 必须包括进入蓄热室空气吸入口处空气入口条件，因为进入各别燃烧室的空气流景由于位置 不同而有所不同例如在焦方和机方就不一样，但在初步研究中，认为空气在不同燃烧室间是 均匀分布的，故仅把蓄热室上部砖格子包括在燃烧室模型中。 27

其数值 ， 为的是佼 正物理摸型 的等温性 质使 它适应 于非 等 温 的原型 。 和 曾指 出喷 口 尺 寸不应遵循一个简单的几何缩尺 寸 比例 ， 而应 荃 于在 燃烧 温度下射 流动 量和气体密 度 的基础 上来进行缩尺模 拟 ， 在一 个单一 的紊流 自由射 流动 量 和质量 守恒 的基础 上 ， 他们认 为模 型 中喷 口 特 征尺寸 和原型 对应 尺 寸 。 的关系如 下 、 ， ， ‘ 一 。 一 七 卜 此 处 。 及 。 分别代 表在原型 中喷 口 出 口 处以 及 完全燃 烧后 气体的 密度 ， 这样模 型 中喷 口尺 寸就 比原型 按比例缩尺后 增加 。 ’ “ 倍 ， 在燃烧 室 模型 中 ， 按上述方法计算的空气喷 口 的面积较之 单纯 按几何 比例 缩小后所得 到 的尺 寸来说 变 化很小 ， 原 因是在喷 口 出 口 处预热 空气温度在 ℃而嫩烧室 中燃气温度则在 ℃ ， 两者 差别 并不大 ， 但在 另一方面 ， 模 型 中煤气喷 口 缩尺后 的面积 却必须 增加很 多 ， 至 ， 因为煤气引入 温度仅只 至 。 ℃ ， 这 就 产生 了麻 烦 ， 因为这样一来煤气喷 口 在模 型燃烧 室体 积 中占了比在原型 中更大 的 比例 ， 这 就 有可 能歪 曲模型 中的 流动 图 形 ， 幸好 煤 气喷 口 比空气喷 口 要小些 ， 特别在 炸焦炉燃烧室 中 的情 况是这样 ， 故问题不大 。 空 气和 煤气 的质量 流 量 比 空 气 和 煤气质量 流量 比在模 型 和实物 中保持 相同的值 ， 奥 · 广 ‘冬 为 的是在模型 中把 气体再循环效应 连 系进 去 〔 〕 。 雷 诺数 在 内部流动 系统 中 当雷诺数超过 ， 传输现 象受 制 于紊 动力 ， 这时就 没 有必 要 保持雷诺数 ， 普 兰特数 及 斯 密特数 在模 型 和实物 中相 似正如 前面所说 的 ， 这种 条件在 焦 炉燃烧室 中只 有对空气射 流 以 及 空气煤气 混 合射 流才 能得到满 足 ， 后 者 是 因为 空气 流起 决定性 作用 的原故 ， 但是 由于煤气射 流具有较低 的雷诺数 ， 故决定 在 模型 中使 煤气射 流保持和原型 中相 同 的 雷诺 数 ， 这个 准数 ， 加 上 上述煤气对 空气 的 质 量 流量 比一 起 就可 得出 空 气射 流的 数 ， 它在模型 中要 比在原型 中大 ， 但 正如前面所说 的那 样 ， 在紊 流情 况下 ， 模型 和实物 的雷诺数 并不需要 保持 相等 。 还必须 提及 燃烧 室 模型 的 其他 两个方 面 ， 首先考虑到在 焦炉燃烧 室 中热 火焰 在周 围气体 中的 浮力的 重要 性 ， 这就 必须 考虑 ，数 傅鲁特数 作为模 化准数 ， ， 数 是惯性力与重力 的比 ， 对于二 种 不 同气体 火焰和 其周 围气体 它可 写成如 下形式 ， 念 △ 对 于 号和 号焦炉燃 烧室 来说其值小于 。 在模型 中火焰 的 浮 力用 含 氮 气一空气混合 物来模 拟 ， 这样在燃 烧室模 型 和原型 中的 数大 致 相等 。 另一 方 面 燃 烧 室 模型 和原型 中的 空气入 口 条件 是非常重要 的 ， 由于 连 接 蓄热 室和 空 气喷 口 的 上升 道 短 而倾斜故必须 在 物 理模型 中包括 上 升道 及 必 要 的 蓄热室 部分 ， 严格说 来模型 还 必须 包括进 入 蓄热 室 空气 吸 入 口 处空气入 口 条件 ， 因为进 入 各另 燃烧 室 的 空 气 流景 由于位里 不同而 有所 不 同例如 在 焦方 和机方就 不一 样 ， 但 在 初 步研 究 中 ， 认 为空 气 在 不 同燃 烧 室 间是 均匀分布的 ， 故仅 把 蓄热 室 上部砖格 子 包括在 燃烧 室 模型 中

三、6号和7号焦炉燃烧室的概况 6号和7号焦炉李生燃烧室及上升道的结构分别见图1及2，在6号焦炉每个燃烧室中 具有二个空气喷口(76×160毫米)在二者之间有一个煤气喷口(55毫米直径)，在每个燃 烧室中一组空气喷口(LL及LH)其出口标高在焦炉底部下方95毫米而其他二个喷口的高度 分别为1024毫米(HL)及1564毫米(HH)*,在燃烧室中和高空气喷口(HH)一起的煤 气喷口高度为266毫米而和低空气喷口(LH)在一起的煤气喷口高度则为146毫米。 低 加热 煤气加 高位加热 煤气管 母空气 因空气 ☑废气 ☑废{ 图16号焦炉燃烧室设计图 图27号焦炉燃烧室设计图 7号焦炉每个燃烧室有二个煤气喷口和一个空气喷口，它们都具有矩形断面，煤气喷口 尺寸为50×197毫米，空气喷口尺寸为72×280毫米，它位于二个煤气喷口之间。煤气喷口在 一个燃烧室中的高度为275毫米(LL)及775毫米(HL)和它相邻的燃烧室中煤气喷口的 高度则为526毫米(LH)及1400毫米(HH),空气喷口的出口位于焦炉底部，值得注意 的是煤气通过一个圆孔进入每个矩形喷口的底部，这在喷口内部构成一个限制射流。 连接空气喷口和落热室的空气上升道和垂直方向呈一定倾角而且两个焦炉各不相同，对 6号焦炉来说和HH及LL空气喷口相连接的上升道和垂直方向呈30°倾角，而和HL及HL 空气喷口相接连的上升道则和垂直方向呈60°角。每个蓄热室具有一组30°及60°的上升道但 彼此各自和不同的燃烧室相连接，在7号焦炉中连接单一空气喷口和蓄热室的上升道则和垂 直方向成40°角。 两座焦炉仅用在回收厂去除焦油，氨和轻油的焦炉煤气进行加热，煤气成分见表1， 每个燃烧室加热使用煤气流量为0.227标米3/分，煤气在焦炉下部供入管线中加热至50~ 150℃。如上所述，煤气经过一个喷口进入6号焦炉燃烧室，但在7号焦炉中煤气可按一定 比例供入高、低煤气喷口，燃烧用空气的供入量能保证在加热的燃烧室中达到9%的过剩氧 *LL和HL空气喷口位于一个燃烧室，而HH及LH位于另一个燃烧室中。 28

三 、 一 号和 号焦炉燃 烧 室的概 况 号和 号焦炉孪生燃烧室及 上升道 的结构分 别见 图 及 ， 在 号焦炉每个燃烧室 中 具有二个空 气喷 口 毫米 在二者 之 间有一个煤气喷 口 毫 米直径 ， 在每 个燃 烧室 中一 组空 气喷 口 及 其 出 口 标高在 焦炉底部下方 毫米而其他二个喷 口 的 高度 分别为 毫米 及 毫米 气 在 燃 烧 室 中和 高空气喷 口 一 起 的 煤 气喷 口 高度为 毫米而和 低空 气喷 口 在一 起的 煤气喷 口 高度则为 毫米 。 臀。 、 ‘ 加 热 扔不甭厦 几 卜枕刀什咚 深气加 热 鉴于户夸京 泛盆二二盆三二二 高位加热 比 鑫珍腿一 ，少注 与 盆」 口 空气 口 废 气 旦 困 欲 图 号焦炉燃 烧 室 设计 图 图 号焦炉燃烧 室 设计 图 号焦炉每 个燃烧 室 有二 个煤气喷 口 和一 个 空气喷 口 ， ’ 己们都具 有矩 形断面 ， 煤气喷 口 尺 寸为 毫 米 ， 空气喷 口 尺 寸为 毫米 ， 它位 于 二个煤气喷 口 之 间 。 煤气喷 口 在 一个燃 烧室 中的 高度为 毫米 及 毫米 和 它 相邻 的燃 烧 室 中煤 气喷 口 的 高度则为 毫米 及 毫米 ， 空气喷 口 的出 口 位 于 焦炉底部 ， 值得 注 意 的是 煤气通 过一个 圆 孔进 入每个矩形喷 口 的底 部 ， 这在喷 口 内部构成一 个 限制射 流 。 连接空 气喷 口 和 蓄热 室 的 空 气上 升道和 垂直 方 向呈一 定 倾 角而且 两个焦 炉 各不 相 同 ， 对 号焦炉来说 和 及 空 气喷 口 相连接 的上升道和垂 直方 向呈 。 倾角 ， 而和 及 空气喷 口 相接连 的上升道 则和垂直 方 向 呈 。 角 。 每个蓄热 室具 有一 组 。 及 。 的 上升道但 彼此 各自和 不 同的 燃 烧室 相连接 ， 在 号焦 炉 中连接单一空 气喷 口 和 蓄热 室 的 上升道则 和垂 直 方 向成 。 角 。 两座焦炉仅用 在 回收厂 去除焦 油 ， 氨和轻 油 的焦 炉煤 气进行加热 ， 煤 气成 分 见 表 ， 每个燃 烧室加热 使用 煤气 流量 为 标 米 分 ， 煤 气 在焦 炉 下 部供入 管 线 中 加热 至 一 ℃ 。 如 上所 述 ， 煤 气 经过一个喷 口 进入 号焦 炉燃烧 室 ， 但 在 号焦 炉中煤气可 按一 定 比例供入 高 、 低 煤气喷 口 ， 燃烧 用 空气 的供 入量 能保证 在加热 的燃 烧室 中达到 的 过 剩氧 朴 和 空 气喷 口 位于 一 个 燃 烧 室 ， 而 及 位 于 另一 个燃 烧 室 中

气（相当于空气过剩系数n=1.675),如按丧1的煤气成分计所需空气量为1.8标米3/分， 根据焦炉的热平衡和物料平衡，算得从蓄热室进入燃烧室的空气平均温度在1000℃左有。 表1 焦炉煤气成分 表2 6,7号焦炉燃烧室模型主要尺寸（毫米） 成分 体积%* 尺 寸 6号 7号 H2 47.3 燃烧室横截面 77×132 77×132 CH 22.1 燃烧室高度* 1064 1064 CO 5.7 转向处高度* 1040 1040 C2 H. 1.4 空气喷口横截面 20.6×43(2) 19×76 C2H。 0.2 空气喷口高度* -24(2),256,391 0 N2 9.4 煤气喷口横截面 直径18 14×57(2) C02 1.6 煤气喷口高度“ 36.5,66.5 69,194,132,350 Ox 0.4 空气上升道和垂 30(HH,LL) 10 H2O 直面间的夹角 60(HL,LH) 酱50℃湿成分分析 *与焦炉炉底间的相对距离 四、燃烧室物理型：设计及操作 如上所述，除了空气和煤气喷口外，6号和7号焦炉燃烧室物理模型都采用+缩尺比例， 燃烧室模型的一些主要尺寸见表2，模型照片见图3及4。在试验过中，供给煤气喷口的 图36号焦炉燃烧室物理模型照片 图47号焦炉燃烧室物理模型照片 29

气 相 当于 空 气过 剩 系数 ， 如 按 表 的 煤气 成 分 计所 需 空 气 量 为 标 米 分 ， 根 据 焦 炉 的 热平 衡和 物 料平 衡 ， 算得 从 蓄热 室进 入 燃烧室 的 空 气平 均温 度 在 ℃ 左右 。 表 焦 炉煤 气 成分 成 分 · 体 积 铸 ， ‘ 】 ， ‘ ， 。 ， ， ， 止兰竺一匕一 一 铃 ℃ 湿 成分 分 析 表 ， 号焦 炉撰 烧 室 模型 主要 尺 寸 毫 米 一 已 寸 ‘ 号 燃 烧 室横截面 坪些罕高厚竺 ‘ ” ‘ ’ ‘ 转 ，川 处高 度 ’ … ‘ ‘ … ’ 月 空 乞喷 口 横 截户‘ … ” · ‘ ‘ ， ， 咒钾畔几 … 一 少， … ， ‘ 煤 气哎 口 横 截 ， ’ 一 ， ’ 〔径 ‘ ’ ‘ “ ‘ ， 煤 气喷 口 高 度 ’ … · ， · “ ， ‘ ， ， ’ ， “ 空气 上升道 和 垂 。 ， 仍 。 改面 间 的 夹 角 “ ， 若 与焦 炉炉底 问 的相对 距 离 四 、 燃烧 室物理 型 设 计 及操作 如 上所 述 ， 除 了空 气 和煤气喷 口 外 ， 号和 号 焦 炉燃 烧 室 物 理模型都 采 用 十缩 尺 比例 ， 燃 烧 室 模型 的一 些 主 要 尺 寸见 表 ， 摸型 照片 见 图 及 。 在 试验 过程 中 ， 供 给煤 气喷 口 的 图 号 焦 炉燃 烧 室 物理 模型 照 片 图 号 焦 炉燃 烧 室 物理 模 型 照 片

煤气用含i0%He的空气来模拟，其流量 按照实物和模型诺数相等来确定，而模 型中的空气量则按模型和实物中空、煤气 质量比相等来控制。空气由“非加热”状态 烟道处的歧力吸入“预热气体”的蓄热 中。为了揭示燃烧室模型中的流动图形： 混合图形进行了若干专门的量，空气喷 口出口处的速度分布则采用！一根外径为4 毫米的皮杜管及斜管压力计进行测量。流 动图形用中性浮力(Neutral Buoyancy) 图5位于7号焦炉燃烧室模型煤气入口 氯气泡进行示踪，它是由安装在空气上 处的氨气泡发生头 升道或煤气入口处的仪器探头产生的，如图5所示，这样各别气流的流动图形均可按此法进 行示踪。为更好地实现流动可视化，由燃烧室模型顶部逆气流方向进行照明并采用1/30秒或 1/60秒的一般相机进行照相或用一台400幅/秒的高速摄影机拍摄电影，这二种摄影技术互为 补充。在用普通相机照的相片中，氨气泡呈现为一些迹线段，它们给出了流动图形的全貌， 并为测量和聚焦方向相垂直的平均速度分量提供了方便条件，另外一方面通过高速影片，尤 其在使用图象分析仪后可以对个别氨气泡进行跟踪，可对流动图形进行深入分析并可获得气 体瞬时速度。 通过对燃烧室模型中四个不同横截面气体成分分布的测量可以确定其混合情况及相应的 “火焰”几何状态，其取样部位如图6所示。向流往煤气喷口的空气流中注入10%浓度的 氯气以此作为示踪剂，并采用一台自动气相色谱仪对H浓度的分布进行测量，上述用作煤 气用浓度的氨气当分别和相当于9%及3%“过剩 氧气”的空气在“燃烧室”中进行充分混合后其 含氮浓度为0.5%及0.8%，混合气体样品是通过 一根外径为1毫米的不锈钢管进行取样的，它从 “燃烧室”一侧紧挨着的5个钻孔中逐次插入，并 在每孔列的方向上9个点进行取样（如不用该孔时 必须用胶带封死)，取样管的一端下弯7毫米，管中 气体抽吸速度保持在0.5米/秒以下（燃烧室中的平 均值)以使由此而引起的气流的破坏达到最小程 哉面D 度。按上述方法对4个取样平面的每个平面按一定 我西C 格式取45个气体样品，如图6所示，根据各点的含氨 战面B 浓度计算了该处的空气过剩系数并对每个取样截面 绘出了等浓度线，从n=1,即空、煤气化学当量 我面A 混合浓度可确定火焰轮廓的位置，这样做的根据是 基于这样的假设即：当化学反应动力学不是限制性 因素时“混合即烧完”。用这种方法获得的相对火 焰长度当然不如在实际燃烧室中所测量的那样确 切，.因为化学当量成分仅意味着煤气和空气在宏观 23156789 尺寸范围内的混合，然而气体反应物如达不到分子 图6物理模型中气体取样平面 30

煤气用 含印 的 空气来模 拟 ， 其流 尾 按照实 物和 模 奥右 诺数 相等 来确定 ， 而模 型 中的 空 气量则 按模 型和实 物 空 、 煤气 质 量 比 相等来控 制 。 空 气 由价牢加热 ” 状 态 烟道 处 的 吸力吸 入 “ 预热 气体 ” 的 蓄热 宜 中 。 为 了揭示 燃烧 室 漠型 中 勺流动图 形 币， 混合图 形进 行 了若 干 专门 的 测 量 ， 空 气喷 口 出 口 处 的 速 度分布则采 川一 根外径为 毫米的皮杜管 及斜管压 力计进 行 测 量 。 流 动图 形用 中性 浮力 氦气 泡进 行示踪 ， 它是 由安装在 空 气 上 图 位 于 号 焦 炉燃 烧室模 型煤 气入 口 处 的 氦 气泡 发 生头 升道 或煤 气入 口 处 的仪 器探头产生 的 ， 如图 所示 ， 这 样 气别气 流的 流动图 形 均可 按此 法进 行示踪 。 为 更好地实现 流动可 视 化 ， 由燃 烧 室 模型顶 部逆 气 流方 向进 行照 明并采 用 秒 或 秒 的一 般相机进行照 相 或用一 台 幅 秒 的高速摄影机拍摄 电影 ， 这二种摄 影技 术互为 补充 。 在用 普通 相机照 的 相片 中 ， 氦气泡呈现为一 些 迹线段 ， 它们给 出了 流动图形 的全貌 ， 并为 测 量 和 聚 焦方 向相垂 直 的平 均速度 分 量 提供 了方 便条件 ， 另外一 方 面通 过 高速影片 ， 尤 其在使用 图 象分 析仪后 可 以 对个别氦 气 泡进 行 跟踪 ， 可 对 流动 图 形进 行深入 分析并可 获得 气 体 瞬 时速度 。 通 过对燃 烧室模 型 中四 个 不 同横截面 气体成分分布 的 测量可 以 确定 其 混合情 况 及 相应 的 “ 火焰 ” 几 何状态 ， 其取 样部位 如图 所 示 。 向 流往 煤 气喷 口 的 空 气 流 中 注入 浓度的 氦 气以此作为示 踪 剂 ， 并采 用一 台 自动气 相 色谱仪对 浓度 的分 布进 行 测量 ， 土述用 作煤 气用 浓 度 的氦 气 当 分别 和 相 当于 及 “ 过剩 氧气 ” 的 空气 在 “ 燃 烧 室” 中 进 行充 分 混 合 后 其 含氦浓度为 及 ， 混合气 体样 品 是通 过 一 根外径为 毫米的 不 锈钢 管进 行取 样的 ， 它 从 “ 燃烧室” 一 侧 紧挨 着 的 个钻孔 中逐次插 入 ， 并 在每孔列 的方 向上 个点进 行取样 如 不用 该 孔 时 必须 用 胶带封 死 ， 取 样管 的一 端下弯 毫米 ， 管 中 气体 抽吸速度保持在 米 秒 以 下 燃 烧 室 中的平 均值 以使 由此 而 引起 的气 流 的破 坏 达到 最 小程 度 。 按上述方 法对 个取 样平面 的每个平面 按一 定 格 式取 个气体 样 品 ， 如图 所示 ， 根 据 各点 的 含氦 浓 度计算了该 处的 空气过 剩 系数 并对每个 取样 截面 绘 出 了等浓度线 ， 从 二 ， 即 空 、 煤 气 化学 当量 混 合浓度可 确定 火焰 轮廓的位 置 ， 这 样做 的根据 是 基于这样的 假设 即 当化学反 应 动 力学 不是 限制性 因素时 “ 混 合即烧完” 。 用 这种方 法 获得 的 相对 火 焰 长度 当然不 如在 实 际 燃 烧室 中所 测量 的 那 样确 切 ， 周为 化学 当量成分仅意味 着煤气和 空气在 宏观 尺 寸范围 内的 混 合 ， 然 而气体反 应 物如 达不 到 分 子 我 截 面 面 尸 六 〔 甲 ，… 华 ‘， 昌 勇 截面 尸 ‘ 鬓 … 亡， ，护 几趁 〔 乃 卜 户， 卜 图 物理 模 型 中气体 取 样 平 面

扩散那样微观混合的程度I11完全燃烧就不可能达到，按照Thring和Ne wby,实际火焰长 度和化学当量混合长度之比对自由射流来说为1.2511，对垂直方向素流扩散火来说这个比 例达1.3至1.9（平均为1.5）131。 五、生产焦炉的现场测量 应用早先在工厂试验中获得的实测数据对物理模型的可靠性进行核实，首先是关于6号 及？号焦炉燃烧室中加热燃烧室中的火焰位置及近似长度的资料，是从焦炉顶部向下以不同 焦距拍摄照片得到的，其次是测量了焦碳垂直温度分布情况，因为它直接受燃烧室中火焰长 度的影响，这些温度数据是在正常操作条件下6号焦炉上获得的，此外还有在HH空气喷口 情况下，煤气喷口用一根800mm的延伸管来提高煤气喷口出口面时的测定数据，还曾在 HH空气喷口上加放一个45°的转向砖以促进空气和煤气间的混合，和7号焦炉相应于高位 加热(HH及HL煤气喷口)及低位加热(LL及LH)条件下，焦碳的温度数据。虽然这些 数据对物理模型对比来说并不是很严格的，但它们确实为决定进一步模化的必要性提供了进 行对比的充分基础。 六、结果及讨论 在各种情况下进行模型试验的条件见表3。在这一节中论述了在正常操作条件下67号 焦炉的试验结果以及模型试验结果和现场情况的对比，最后还估计了变更操作后对燃烧室中 流动条件的影响。 表3 进行物理模型研究的燃烧室条件 焦 炉 空气喷口*/煤气喷口 空气”或煤」%过剩 气的比例 02 内部结构试验 6 LL*+HL*+ 50:50* 9 6 HH*+LH*+ 50:50* 9 6 LL*+HL* 50:50米 9 在煤气喷口上加延伸管(L) HH*+LH* 50:50* 9 在煤气喷口上加延伸管(L) 6 LL米+HL* 50:50* 9 在煤气喷口上加延伸管(1/4L) 6 HH*+LH* S0:50* 9 在煤气喷口上加延伸管(1/4L) ⊙ LL*+HL米 50:50* 9 在HL上加转向砖 ⊙ HH*+LH* 50:50* 9 在HH上加转向砖 G LL米+HL* 50:50* 9 在LL上加角部盖板 6 HH*+LH* 50:50* 9 在LH上加角部盖板 1 LL+HL+ 100%LL 9 7 HH+LH+ 100%LH i 9 7 LL+HL 100%HL 9 7 HH+LH 100%HH 9 LL+HL 65:35 9 HH+LH 35:65 9 一

扩 散那 样微 观 混合 的程 度 ‘ ’ 完全 燃 烧就 不可 能达到 ， 按照 和 ， 实际 火焰 长 度和 化学 当量 混 合长度 之 比对 自由射 流来说为 「’ ” ， 对垂直 方 向紊 流扩散火来说这 个 比 例 达 草 平 均为 ， ， 。 五 、 生 产焦 炉 的现 场测 量 应 用早先 在工 厂 试验 中获得 的 实 测数据对物理模 型 的可 靠性进 行核实 ， 首先 是关于 号 及 号焦炉燃 烧 室 中加热燃 烧室 中的火焰位 置 及近似 长度 的 资料 ， 是从焦炉顶 部向下 以 不 同 焦距拍摄 照片得到 的 ， 其次是 测量 了焦碳垂直 温度 分布情 况 ， 因为它直接受燃 烧 室 中火焰 长 度的影 响 ， 这 些 温度数据 是在正 常操作 条件下 号焦 炉上 获得 的 ， 此 外还有在 空气喷 口 情 况 下 ， 煤气喷 口 用一根 的延伸管来 提高煤 气喷 口 出 口 面 时 的 测定 数据 ， 还 曾在 空气喷 口 上加放一 个 。 的 转向砖 以促进 空气 和 煤气 间的 混合 ， 和 号焦炉 相应 于 高位 加热 及 煤 气喷 口 及低位 加热 及 条件下 ， 焦碳 的 温度数据 。 虽然这些 数据对物 理模型对 比来说 并不是很 严格 的 ， 但 它们 确实为决定进一 步模 化 的必 要性提供 了进 行对 比的充 分基础 。 六 、 结 果 及 讨论 在 各种 情 况下进 行模型试验 的条件见 表 。 在 这一 节 中论 述 了在 正 常操作 条件下 号 焦炉的试验结 果 以 及 模型试验 结果和 现场情况 的对 比 ， 最后 还 估 计 了变更操 作后 对燃 烧室 中 流动 条件 的影 响 。 表 进行物理模型研究 的燃烧室 条件 空气喷 口 朴 煤气喷 口 空气 或煤 气 的 比例 补 巧 朴 补 补 朴 朴 铃 朴 朴 补 过剩 内 部 结 构 试 验 朴 朴 ‘ 朴 价 十 补 朴 朴 补 赞 朴 份 朴 朴 朴 朴 朴 朴 十 十 在煤气喷 口 上加延伸管 在 煤 气喷 口 上加延 伸管 在 煤气喷 口 上加延 伸管 在煤 气喷 口 上加延 伸管 在 上加 转 向砖 在 上 加 转 向砖 在 上加 角部盖板 在 上加 角部盖板

继上表 焦炉 ·空气喷口*/煤气喷口 空气或 %过剩 煤气的比例 02 内部结构试验 7 LL+HL 100%LL 5 7 HH+LH 100%LH 5 7 LL+HL 100%HL 5 HH+LH 100%HH 5 7 LL+HL 35:65 5 HH+LH 65:35 5 LL+HL 6535 5 HH+LH 35:65 5 LL+HL 100%LL 3 7 HH+LH 100%LH 3 LL+HL 100%HL 3 HH+LH 100%HH 3 LL+HL 50:50 3 HH+LH 50:50 3 +正常操作条件 *50:50%空气沈量分配 1.在正常操作情况下6号焦炉燃烧室模化结果 在正常操作条件下(0.227标米/分，煤气流量，9%过剩O2),包括LL及HL和HH 及LH空气喷口在内的燃烧室的流动图形1/30秒暴光照片分别见图7()及(b)，其中白色 线段为从煤气喷口中心引入的氯气泡迹线，在上述两种精况的燃烧室中迹线都向一边偏斜， 而对HH/LH燃烧室来说比LL/HL的燃烧室更甚，；这种倾斜现象是由于下部喷口出流的空 气流所造成的。由于空气质量流量约比煤气大20倍，因此空气流主宰了流体流动，在前面已 经说过，和LL及LH空气喷口相连接的上升道和垂直方向的倾角分别为30°及60°，由于迹 线段的长度和氨气泡的速度成正比，可以明显地看出在高喷口的上部气流迅速沿炉墙向上流 动。 为了决定上升道几何尺寸对空气喷口出流的影响，测量了沿空气喷口出口平面长轴方向 的速度垂直分量，四个喷口各自的速度分布曲线见图8。从图可见每个空气喷口的速度分布 是不同的，而尤其对和垂直面成60°倾角的上升道相连结的LH及HL喷口，其速度分布向气 流从上升道出流方向倾斜，由于燃烧室底部上方的再循环气流使LH喷口约有1/4以上地区 的出口速度呈现负值，还必须注意在同一个燃烧室中从LL喷口出流的空气量约为HL喷口 的二倍。 为获得燃烧室中流动情况的清晰图形，将氨气泡于不同试验中分别引入流经各空气喷口 的气流中，由氨气泡示踪所获得的气流图形以草图形式列于图9中。 首先来看LL喷口，空气沿炉墙迅速上升铺展开，因为和燃烧室中心部位比较，此处只 有少量气体被吸入，当铺展的上升空气射流冲向燃烧室炉墙的二角时，构成少量向下运动的 回流，同样可以看到回转气流靠近炉底流向较高的出口速度（图8）和较底的压力区去。 32

焦 炉 仇过 继上表 空气喷 口 · 煤 气喷 口 空气 朴 或 煤 气的 比例 内 部 结 构 试 验 印 正 常操作 条件 朴 ， 空气流 分 配 在正 常操作情况 下 号焦炉姗 烧室摸化 结果 在正 常操作条件下 标米 分 ， 煤气 流量 ， 过剩 ， 包括 及 和 及 空气喷 口 在 内的燃 烧室 的 流动图形 秒暴光照片分别 见图 及 ， 其 中 白色 线段为 从煤气喷 口 中心 引入 的氮气泡迹 线 ， 在 上述两种情 况的 燃 烧 室 中迹 线都 向一 边偏 斜 ， 而对 燃烧室 来说 比 的燃 烧室更甚二这种 倾斜 现 象是 由于 下 部喷 口 出流 的 空 气 流所造成 的 。 由于 空气质量 流量 约比煤 气大 倍 ， 因此 空气 流主宰 了流体 流动 ， 在 前面 已 经说过 ， 和 及 空气喷 口 相连接的上升道和垂直方 向 的倾 角分别为 。 及 。 ， 由于 迹 线段 的长度和氮 气泡的速度成正 比 ， 可 以 明显地 看出在 高喷 口 的 上部气 流迅速 沿炉墙 向上 流 动 。 为 了决定 上 升道几何 尺 寸对 空气喷 口 出流 的影 响 ， 测量 了 沿空气喷 口 出 口 平 面 长 轴方向 的速度垂直 分量 ， 四 个喷 口 各 自的 速度分布 曲线见图 。 从图可 见每个 空气喷 口 的 速度分布 是 不 同的 ， 而尤 其 对和 垂直面成 。 倾 角的上升道 相连结 的 及 喷 口 ， 其速度 分布向气 流 从 上升道 出流方 向倾斜 ， 由于燃 烧室底 部上方 的再 循环气 流使 喷 口 约 有 以 上地 区 的出 口 速度呈现负值 ， 还 必须 注意在 同一 个燃 烧 室 中从 喷 口 出 流的 空气量 约为 喷 口 的二倍 。 为 获得 燃 烧室 中流动情 况 的清晰 图形 ， 将氦气 泡于 不 同试验 中分另 引入 流经各空气喷 口 的气流 中 ， 由氦气 泡示踪所 获得 的气流图 形 以 草图形式 列 于 图 中 。 首先来看 喷 口 ， 空气 沿炉墙 迅速 上升 铺展 开 ， 因为 和 燃 烧室 中心 部位 比较 ， 此 处只 有少 气体被 吸入 ， 当铺展 的上升 空气射 流冲向燃 烧 室炉墙 的二角时 ， 构成少量 向下 运 动 的 回 流 ， 同样可 以看到 回转气 流靠近 炉底流 向较高 的出 口 速度 图 和较底 的 压力区去

(从后面看是在燃烧室的左方)。从 HL喷口流出的空气分成二股，主要 一股直接向上流动，另一股速度较 低，缓慢地顺时针向往下回流（从后 面看)。在其他燃烧室中，空气从 LH喷口流出冲向炉墙如图9所示， 大部分空气向上流动但从氨气泡示踪 来着仍有时针向的低速回流存在，空 气从HH喷口出流后大部分向上运动 但少量气体仍向下可流。 从燃烧室不同平而气体分析结果 获得的混合图形来确定化学当量成分 的轮廓线即理论火焰前焰，如图]0所 示，发现在LL/HL燃烧室中，化学 当量成分（或低于化学"量成分)仅 存在于一侧，这I图7(a)及(b)中 的情况是一致的。 从煤气喷口出流的煤气流明显地 往下流向由LL流出的空气射流引起 的最高速度区，而该处的压力则是最 低的，再往上由于回流的作用，化学 图76号焦炉燃烧室于9%过剩O2情况下从煤 当量成分仍然存在于燃烧室的同一侧 气喷口出流的氨气泡示踪气流 12. 6号需炉黛烧安9的 10.0 6.0 19 ,0 0 0 气时山指口丝驰方4收 图89%在过利O,情况下沿6号焦炉燃烧室空气喷口出口纵 长轴方向垂直速度分布 33

准叙︸月姆石‘﹄扮‘￡分日召玻盆‘ 咨现笼贾抖粉勇产 ︸谁播摊谁瑰谁 ︺ 场津瑰尹珍猫维拜烤 北净滩声嗜 泌毛产 于 过 剩 情 况 下从 煤 气泡 示踪 气流 气号喷焦口 炉出燃流烧的室氦 从后 面 看是在燃 烧 室 的 左 方 。 从 “ 喷 口 流出 的 空 气分 成二 股 ， 主 要 一 股 直 接 向 上 流 动 ， 另一 股 速 度较 低 ， 缓 慢地顺 时 针 向往 下 回 流 从后 面 看 。 在 其 他 燃 烧 室 中 ， 空气 从 喷 口 流 出 冲向炉 墙 如 图 所 示 ， 大部 分 空气 向上 流动 但 从氦气 泡示 踪 来着仍 有时 针 向 的低速 回 流存在 ， 空 气从 喷 口 出 流后 大 部分 向上运 动 但 少量 气体 仍 向下 回 流 。 从燃 烧 室 不 同平 而 气体 分析 结果 获得 的 混 合图 形 来确定 化学 当量 成 分 的轮 廓线 即理 论 火焰 前焰 ， 如 图 所 示 ， 发现 在 燃 烧室 中 ， 化学 当量 成 分 或低 于 化学 当量 成 分 仅 存在 于一 侧 ， 这 和 图 及 中 的情 况 是一 致 的 。 从煤气喷 口 出 流 的煤气 流 明显地 往下 流 向 由 流 出 的 空气射 流 引起 的最 高速度 区 ， 而该 处 的压 力则 是最 低 的 ， 再 往上 由于 回 流的 作 用 ， 化学 当量 成分 仍然存在 于燃 烧室 的 同一侧 图 吁翻炉拐 烧 常 怜 塑 。 。 「， 长︹ 、 、 川别毛口件俐翎匀 、别脚口丫川公、︸， ， 车 气 喷 口 出 口处 长轴 方向位 翎 图 在过 剩 情况 下 沿 号 焦 炉燃 烧 室 空气喷 口 出 口 纵 长 轴方 向垂 直 速度分 布