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蓄熱式燃燒是通過蓄熱體的蓄熱與放熱進(jìn)行煙氣余熱極限回收，將燃燒介質(zhì)預(yù)熱到800-1100℃，同時(shí)減少CO和NO排放量，實(shí)現(xiàn)了既節(jié)能又環(huán)保的燃燒。蓄熱式燒嘴是蓄熱式加熱爐的重要組成部分，由于換向頻繁，導(dǎo)致燒嘴內(nèi)襯耐火材料的工作環(huán)境惡劣，是加熱爐爐襯最先破損且破損最嚴(yán)重的部位，也是爐墻冒火、串火的根源，嚴(yán)重影響了其使用壽命、節(jié)能效果。文獻(xiàn)中提到，將傳統(tǒng)的蓄熱式燒嘴邊緣的噴口由尖銳改為圓滑且漸縮漸擴(kuò)的噴口形式，可以使流道的排煙能力比傳統(tǒng)蓄熱式燒嘴有較大提高。但其對蓄熱式燒嘴的具體尺寸、結(jié)構(gòu)形式及熱應(yīng)力分布沒有深入研究。在本研究中，結(jié)合工藝特點(diǎn)并基于以上結(jié)構(gòu)設(shè)想，對蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
蓄熱式燒嘴是由莫來石澆注料澆注而成的，分為煤氣進(jìn)出口、空氣進(jìn)出口兩部分。為了滿足火焰的組織情況，燒嘴的煤氣出口和空氣出口與水平線的夾角均為50°。
根據(jù)實(shí)際測定的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)手冊，所取蓄熱式燒嘴內(nèi)襯莫來石耐火澆注料的主要物性參數(shù)如下：彈性模量14.5 GPa；泊松比0.2；熱膨脹系數(shù)4.5 x10-6；抗拉強(qiáng)度94 MPa；熱導(dǎo)率，600℃時(shí)1.79W·(m·K)，900℃時(shí)1.43 W·(m·K)。
采用ANSYS熱結(jié)構(gòu)直接藕合分析法對優(yōu)化前的蓄熱式燒嘴進(jìn)行熱應(yīng)力分析。根據(jù)材料的特性和力學(xué)性能及ANSYS模型單元的屬性特點(diǎn)，采用ScalarBrick 5和Scalar Tet 98兩種單元。在劃分網(wǎng)格時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，兼顧計(jì)算的精確性及計(jì)算時(shí)間，采用不同的網(wǎng)格形式及不同的網(wǎng)格尺寸控制好網(wǎng)格的疏密，最終得到99397個(gè)單元。結(jié)合相關(guān)內(nèi)容，將蓄熱式燒嘴內(nèi)壁表面(即耐火襯工作面)的熱傳導(dǎo)等效為1320℃的溫度自由度約束施加在燒嘴面向爐膛外表面有限元模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其外壁施加與空氣的對流換熱載荷，其值為10W·m·K，空氣溫度設(shè)定為30℃。燃燒階段燒嘴噴口內(nèi)表面與空氣和煤氣的熱交換系數(shù)分別為45.5，37W·m，入口溫度為800℃；排煙階段燒嘴噴口內(nèi)表面與空氣和煤氣的熱交換系數(shù)均為36W·m，煙氣入口溫度為1320℃。
在ANSYS中完成模型前處理和加載后進(jìn)入求解器求解，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的蓄熱式燒嘴在燃燒和排煙兩種工況下的計(jì)算結(jié)果。
由熱應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)蓄熱式燒嘴在燃燒階段和排煙階段的最大應(yīng)力值分別為28.4，46.4MPa，均未超過燒嘴耐火澆注料的最大抗拉強(qiáng)度(94MPa)。可見，傳統(tǒng)蓄熱式燒嘴的破損原因不是由于耐火材料的強(qiáng)度不夠。由于蓄熱式燒嘴在燃燒和排煙階段存在交變應(yīng)力，而且交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限破壞就有可能發(fā)生。因此，蓄熱式燒嘴的破損可能是由于熱疲勞引起的。
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