烧结是钢铁生产的重要工序之一,2016年我国烧结矿产量达到12.8亿吨,烧结点火炉对烧结矿质量和产量具有重大影响。在烧结过程中,由于点火烧嘴结构存在缺陷,工况适应性较差,所以当空、煤气压力波动时就存在火焰长度波动、烧结料面高温区不集中、燃料燃烧不完全甚至脱火等问题,引起点火炉能耗升高;而要控制火焰长度和料面温度水平、提高煤气燃烧效率,必须合理控制炉膛负压水平和烧嘴入口压力水平;在烧结点火炉中,旋流烧嘴在微负压环境下工作,火焰直接冲击料层表面加热;烧结工艺和烧嘴运行工况决定了烧结用旋流烧嘴与其他旋流烧嘴差别很大,因此本文将在前人研究成果的基础上,对旋流烧嘴在烧结点火炉中的流动和燃烧特征进行研究。本文首先对旋流烧嘴在点火炉中的流动特性进行了实验和数值模拟研究,搭建与生产现场烧嘴模型为1:1比例的双旋流烧嘴冷态试验台,采用PIV(粒子图像测速方法)来测量双旋流烧嘴的冷态流场分布特征,测量结果与数值模拟结果中的局部流场速度值与流场分布位置基本一致,验证了数值模拟的准确性;分析了燃烧器的流场、温度场特征以及燃烧器参数对CO未燃率和料层表面温度的影响规律;然后开展了钝体结构对烧嘴火焰稳定性影响的研究,建立热流固耦合模型,采用响应面方法分析了烧嘴燃烧特性对炉膛耐火砖热冲击性的影响规律;最后加工制作相应的双旋流燃烧器,安装在工业点火炉上运行,进行现场热工测试,烧结料面温度水平从1088℃提高到1202℃,分析两个月运行数据显示,燃耗降低近15%。本文主要结论如下:(1)单旋流套筒式烧嘴的结构参数和操作参数都对其燃烧特性有一定的影响,烧结料面温度水平维持在1050℃附近,CO未燃率维持在23.8%附近,不利于烧结工艺生产和节能减排的要求;(2)在同等工况下,相比于单旋流烧嘴,双旋流烧嘴在料面温度水平和CO未燃率方面都有比较好的表现,双旋流烧嘴稳定运行时,料面温度水平维持在1200℃附近,CO未燃率维持在5%附近,显著降低了烧结点火能耗;(3)PIV测量结果与数值模拟结果基本保持一致,实验过程中求得切向速度平均相对误差为5.38%,最大相对误差6.5%。(4)双旋流烧嘴加装“一”字形钝体后,在钝体左右两侧形成了稳定的点火源,点火温度高达1050℃,提高烧嘴燃烧效率至93%,降低了点火能耗;(5)带有喇叭口的矩形耐火砖最大应变对称分布在耐火砖喇叭口末端位置,最大应变为1.22%。(6)将带有“一”字形钝体的双旋流烧嘴安装在工业点火炉上运行,并进行了热工测试,烧结料面温度水平从1088℃提高到1202℃,测试结果与数值模拟结果相对误差约为3.4%;分析近两个月的运行数据后发现相比传统单旋流烧嘴,加装“一”字形钝体的双旋流烧嘴降低燃耗近15%,并且彻底解决了燃烧脱火问题。