密闭容器内转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究

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在转炉炼钢的过程中,产生大量高温的转炉煤气,主要成分是CO,其出口温度高达160℃左右,具有非常高的余热回收价值。目前,国内外转炉煤气的余热回收方式主要有LT法和OG法,这两种方法均只回收了转炉煤气的化学能,未对转炉煤气中温段的余热进行回收,极大的浪费了余热资源。对转炉煤气中温段的余热资源进行有效回收利用,是缓解资源瓶颈制约、环境污染严重的有效途径。同时,尽管OG法与LT法的工艺已经非常成熟,但是也不能够确保百分之百安全,近几年,转炉煤气爆炸事故屡见不鲜,造成的损失也是巨大的。因此,无论是从现有工艺的转炉煤气安全回收的角度出发,还是从未来转炉煤气余热回收的角度出发,研究转炉煤气的爆燃特性是十分有意义的。本文基于计算流体力学的方法,建立二维封闭容器的几何模型,采用Fluent软件自带的Premixed燃烧模型,对转炉煤气/空气预混气体在密闭容器内的爆燃特性进行了数值模拟研究。重点研究了障碍物对转炉煤气爆燃特性的影响,同时也研究了初始温度、初始压力、点火位置、容器长宽比、容器开口情况等影响因素对转炉煤气爆燃特性的影响。研究表明:在密闭容器内,转炉煤气的火焰传播分为四个阶段,火焰在点火初期没有接触到壁面,处于加速状态,火焰面呈半球状向外传播,之后,火焰前锋呈指状加速向前传播,当火焰接触到两侧壁面时,火焰前锋趋于一个平面,最终火焰保持“郁金香”形状在容器内传播直至完全烧尽;障碍物的数量对最大爆炸压力的数值影响不大,但是对火焰传播速度有明显的加速作用,增大了爆炸压力上升速率;转炉煤气的最大爆炸压力与初始温度成反比,与初始压力成正比;点火位置的不同不会影响最大爆炸压力,但是会影响爆炸压力上升速率,容器中间位置点火的爆炸压力上升速率远远高于在容器两侧点火;容器的长宽比不影响转炉煤气的最大爆炸压力,但是会影响各阶段火焰传播速度;转炉煤气在半开口容器内发生爆炸时,其火焰传播速度远远大于在密闭容器内的火焰传播速度。本文所建立的模型与实验数据有较好的吻合度,可以用于计算转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究。
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